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侧风下CRH2列车—简支梁桥风洞模型设计及数值模拟研究

作　者: 冉瑞飞
导　师: 何旭辉
学　校: 中南大学
专　业: 土木工程
关键词: 风-车-桥系统 移动列车模型 气动力系数 风障 倾覆稳定性
分类号: U270.11
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 35次
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内容摘要


研究车-桥系统气动性能是研究列车运行安全性的前提。本文是国家自然科学基金项目“强风环境下高速铁路车-桥系统气动特性和抗倾覆性能风洞试验研究(51178471)”的主要内容之一,以CRH系列列车和京沪高速铁路32m典型简支梁体系为研究对象,借助CFD数值模拟软件Fluent进行了高速列车与桥梁(有、无风障)之间的相互气动特性及列车倾覆性研究；同时根据中南大学风洞试验室的具体条件设计了一套风洞试验模型装置拟进行移动列车与桥梁的多工况气动性能研究。具体内容如下：(1)结合试验室的具体条件,研制了一套1：25移动列车模型风洞试验系统,该系统可以较方便地改变来流风速、车辆运动速度、车辆与桥梁的相对位置以及列车交会等从而实现多种工况的研究。用测压和测力两种方法进行数据对比,目前已开始进行测压试验,无线测力系统正在开发中；(2)由于简支梁桥墩间距小,对车-桥-墩之间的相互影响作了深入研究；按照风洞试验室的条件模拟得出了不同风速、风偏角、湍流强度以及列车在桥上不同纵向位置、会车等工况下列车和桥梁各自气动力系数的变化规律,并根据车桥周围流场的压强分布以及流线图的变化规律等比较详尽的分析了列车气动力系数和桥梁气动力系数变化的原因；对比了CRH系列不同高速列车在不同风偏角下的气动力系数变化规律；(3)针对不同高度和透风率的风障结构展开研究,采用合成风对不同风速和不同车速下列车气动力变化规律进行了讨论,为桥梁和列车初步选取了合适的风障结构；(4)深入研究了桥梁上设置风障前后列车倾覆稳定性能,综合考虑分析了风障选取的原则。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-10
1 绪论  10-17
  1.1 课题研究背景及意义  10-11
  1.2 研究方法简介  11-13
    1.2.1 现场试验  11-12
    1.2.2 风洞试验  12
    1.2.3 数值模拟  12-13
  1.3 车-桥系统气动性能国内外研究现状  13-15
    1.3.1 国外研究现状  13-14
    1.3.2 国内研究现状  14-15
  1.4 本文研究内容和方法  15-16
  1.5 本章小结  16-17
2 风洞试验模型系统设计  17-31
  2.1 风洞简介  17-21
    2.1.1 风洞的基本类型  17
    2.1.2 低速风洞的类型及主要构成部件  17-19
    2.1.3 中南大学风洞试验室简介  19-21
  2.2 风洞试验基本原理  21-22
  2.3 移动列车模型及测试系统设计  22-30
    2.3.1 设计目的及意义  22
    2.3.2 考虑事项  22
    2.3.3 总体介绍  22-23
    2.3.4 车-桥模型  23-26
    2.3.5 运动系统  26-28
    2.3.6 测试内容及测试系统方案  28-30
  2.4 本章小结  30-31
3 高速列车-桥梁数值计算模型建立  31-47
  3.1 基本控制方程  31-34
    3.1.1 质量守恒方程  32
    3.1.2 动量守恒方程  32-33
    3.1.3 湍流模型  33-34
  3.2 几何模型  34-37
    3.2.1 列车模型  34-36
    3.2.2 桥梁模型  36
    3.2.3 风障形式  36
    3.2.4 模型组合  36-37
  3.3 计算区域、网格划分及边界条件  37-40
    3.3.1 计算区域  37-38
    3.3.2 网格划分  38-40
    3.3.3 边界条件  40
  3.4 列车和桥梁受力分析  40-43
    3.4.1 列车六分力系数  41-42
    3.4.2 桥梁三分力系数  42-43
  3.5 堵塞率的影响计算  43-46
  3.6 本章小结  46-47
4 无风障车-桥系统气动性能研究  47-90
  4.1 车-梁-墩相互影响  47-57
    4.1.1 车-墩的存在对主梁的影响  48-54
    4.1.2 梁-墩的存在对列车的影响  54-57
  4.2 风速对车-桥系统气动性能影响研究  57-62
    4.2.1 迎风侧风速对车-桥气动性能影响  57-60
    4.2.2 背风侧风速对车-桥气动性能影响  60-62
  4.3 湍流度对车-桥系统气动性能影响研究  62-63
  4.4 风偏角对车-桥系统气动性能影响研究  63-77
    4.4.1 迎风侧不同风偏角对列车和桥梁气动性能的影响  63-68
    4.4.2 背风侧不同风偏角对列车和桥梁气动性能的影响  68-72
    4.4.3 不同型号列车与桥梁组合系统的对比  72-77
  4.5 列车不同纵向位置对车-桥系统气动性能影响研究  77-88
    4.5.1 “3b2c”模型与“3b3c”模型的对比  77-79
    4.5.2 列车不同纵向位置对桥梁气动性能影响研究  79-84
    4.5.3 列车交会对车-桥系统气动性能影响研究  84-88
  4.6 本章小结  88-90
5 风障设置对车-桥系统气动效应及列车倾覆性能影响研究  90-116
  5.1 雷诺数的影响  91-92
  5.2 风障选取原则  92
  5.3 风障对桥梁气动性能的影响  92-97
    5.3.1 列车对有风障桥梁气动性能的影响  92-96
    5.3.2 风障高度和透风率对桥梁气动性能的影响  96-97
  5.4 风障对列车气动性能的影响  97-107
    5.4.1 计算工况及结果整理  97-98
    5.4.2 等价透风率对列车气动性能的影响  98-100
    5.4.3 风障高度和透风率对列车气动性能能的影响  100-107
  5.5 不同风偏角对列车气动性能的影响  107-109
  5.6 列车运行安全性分析  109-114
    5.6.1 列车倾覆稳定性标准  109-110
    5.6.2 数学计算模型  110-112
    5.6.3 不同速度列车安全性评估  112-114
  5.7 本章小结  114-116
6 结论与展望  116-118
  6.1 本文工作与结论  116-117
  6.2 今后展望  117-118
参考文献  118-123
攻读学位期间主要的研究成果  123-124
致谢  124

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中图分类: > 交通运输 > 铁路运输 > 车辆工程 > 一般性问题 > 车辆理论及试验 > 车辆动力学及稳定性
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