高速列車流固耦合計算方法及動力學(xué)性能研究.pdf

1、安全是交通運輸?shù)摹办`魂”，是速度提高的最重要前提保障。傳統(tǒng)的列車空氣動力學(xué)忽略列車在氣動力作用下運行姿態(tài)的改變，將氣動激勵加載到列車動力學(xué)模型，進(jìn)而分析列車的安全運行問題。實際上，列車空氣動力學(xué)和車輛-軌道耦合動力學(xué)是高速鐵路大系統(tǒng)動力學(xué)中不可分割的兩大組成部分，兩者是相互耦合、相互影響的。列車流場的變化可能會引起氣動力的變化，而在氣動力作用下，列車的運行姿態(tài)可能會發(fā)生改變，進(jìn)而流場的變化可能會有所加劇，列車運行姿態(tài)與空氣流場(或列車氣

2、動力)的互反饋作用將使空氣-列車系統(tǒng)處于特定的耦合振動形態(tài)。高速列車流固耦合動力學(xué)，即考慮列車在氣動作用力下運行姿態(tài)的改變，可以更為客觀地反映高速列車系統(tǒng)的本質(zhì)。
　　針對氣動作用下的高速列車運行安全性問題，本文建立了高速列車流固耦合動力學(xué)模型及計算方法，對橫風(fēng)環(huán)境、風(fēng)切變環(huán)境和沙塵暴環(huán)境下的高速列車運行安全性進(jìn)行了研究。
　　基于計算流體力學(xué)和車輛-軌道耦合動力學(xué)理論，建立高速列車流固耦合動力學(xué)模型。車輛-軌道耦合動力學(xué)模

3、型考慮輪軌接觸非線性以及懸掛系統(tǒng)等因素，軌道結(jié)構(gòu)簡化為雙質(zhì)量三層彈簧阻尼振動模型，其中雙質(zhì)量包括軌枕和道床，三層結(jié)構(gòu)指的是鋼軌、軌枕、道床和路基；流體計算模型采用Navier-Stokes方程和k-e兩方程湍流模型。基于有限體積法求解技術(shù)以及動網(wǎng)格控制技術(shù)，利用ALE方法實現(xiàn)列車與氣流之間的相互運動。
　　利用建立的高速列車流固耦合動力學(xué)模型，通過交替求解車輛系統(tǒng)動力學(xué)和空氣動力學(xué)實現(xiàn)了高速列車流固耦合聯(lián)合仿真計算方法，車輛系統(tǒng)動

4、力學(xué)的計算基于列車系統(tǒng)動力學(xué)軟件Simpack，空氣動力學(xué)的計算基于空氣動力學(xué)計算軟件Fluent。構(gòu)建了Fluent和Simpack相結(jié)合的聯(lián)合仿真環(huán)境平臺，充分發(fā)揮各仿真平臺的優(yōu)勢并消除在單-平臺中進(jìn)行仿真的局限性?；诳諝鈩恿W(xué)計算軟件Fluent和車輛-軌道耦合動力學(xué)自編程序(VTCDP)提出了一種嵌入式的高速列車流固耦合聯(lián)合仿真計算方法，改善了流固耦合變量通信模式，避免了空氣動力學(xué)求解器和車輛-軌道耦合動力學(xué)求解器之間數(shù)據(jù)的相

5、互通信，并且避免了車輛-軌道耦合動力學(xué)程序計算的等待，有效地節(jié)省了計算資源；解決了高速列車流固耦合計算對流體和結(jié)構(gòu)的計算在時間尺度的要求上是不一致的問題。提出了一種基于松弛因子的高速列車流固耦合聯(lián)合仿真計算方法，通過波動標(biāo)準(zhǔn)差和同步標(biāo)準(zhǔn)差的比較，當(dāng)λ=0.5時各項氣動力的預(yù)測值與下一時刻計算得到的氣動力之間誤差相對較小。
　　為了快速分析橫風(fēng)環(huán)境下高速列車的安全運行問題，提出了計算橫風(fēng)下高速列車流固耦合動力學(xué)性能的同步長和異步長平

6、衡狀態(tài)方法兩種方法。比較了平衡狀態(tài)方法和聯(lián)合仿真方法兩種方法下列車姿態(tài)、安全性和舒適性指標(biāo)的差異，計算結(jié)果差別在3.26％以內(nèi)。研究結(jié)果表明：平衡狀態(tài)方法相比聯(lián)合仿真方法，能夠節(jié)約了流體計算迭代步數(shù)，異步長平衡狀態(tài)方法的計算效率最高?？紤]耦合效應(yīng)后，頭車氣動力(矩)和安全性指標(biāo)(輪重減載率、脫軌系數(shù)、輪軸橫向力)均有所惡化。在橫風(fēng)環(huán)境下，列車大部分漩渦分離點位于列車表面，而極少部分渦由兩個主渦相互擠壓而形成；隨著偏航角的減小，列車背風(fēng)側(cè)

7、脫落的主渦數(shù)量減少，列車背風(fēng)側(cè)第一主渦的分離點越來越遠(yuǎn)離頭車鼻尖處。當(dāng)列車運行速度大于等于300km/h時，采用輪重減載率和輪軸橫向力作為安全評估指標(biāo)計算得到的最高允許風(fēng)速最??；當(dāng)列車運行速度小于等于250km/h時，采用輪軸橫向力作為安全評估指標(biāo)計算得到的最高允許風(fēng)速最小。
　　針對高速列車的典型風(fēng)切變問題，研究了不同橫風(fēng)速度下高速列車通過擋風(fēng)墻的流固耦合動力學(xué)，分析了高速列車通過擋風(fēng)墻的氣動力和動力學(xué)響應(yīng)，研究了橫風(fēng)速度對高速

8、列車通過擋風(fēng)墻的動力學(xué)影響，提出了一類具有緩沖裝置的擋風(fēng)墻，能夠有效地改善高速列車通過擋風(fēng)墻的安全性和舒適性。針對具有穩(wěn)定風(fēng)速區(qū)域的線性風(fēng)切變問題，提出了一種快速計算高速列車流固耦合動力學(xué)的方法--準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)計算方法，基于此方法分析了不同風(fēng)切變環(huán)境下高速列車的動力學(xué)性能，結(jié)果表明：相比傳統(tǒng)橫風(fēng)環(huán)境下高速列車的運行安全域，風(fēng)切變環(huán)境下高速列車的運行安全域變差，環(huán)境風(fēng)下列車的安全域不能僅僅考慮傳統(tǒng)的橫風(fēng)環(huán)境，即風(fēng)切變下高速列車運行安全的計算是非

9、常有必要的。
　　針對沙塵暴環(huán)境下的高速列車安全性問題，提出了一種半耦合求解方法，該方法兼顧了計算效率和流固耦合效應(yīng)兩個方面?；诖朔椒ㄑ芯苛瞬煌硥m暴環(huán)境下高速列車的動力學(xué)性能，研究結(jié)果表明：列車安全性指標(biāo)均隨著車速的增大而變差，隨著沙塵暴強度的增大而變差；輪軸橫向力、脫軌系數(shù)和輪重減載率出現(xiàn)了超過規(guī)定限值的現(xiàn)象，而輪軌垂向力相對較難超標(biāo)；在沙塵暴環(huán)境下，當(dāng)列車運行速度為350km/h時，最大允許風(fēng)速僅為9.08m/s；當(dāng)列車運