高速列車流固耦合計算方法及動力學性能研究.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模型，進而分析列車的安全運行問題。實際上，列車空氣動力學和車輛-軌道耦合動力學是高速鐵路大系統(tǒng)動力學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，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。
　　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模型及計算方法，對橫風環(huán)境、風切變環(huán)境和沙塵暴環(huán)境下的高速列車運行安全性進行了研究。
　　基于計算流體力學和車輛-軌道耦合動力學理論，建立高速列車流固耦合動力學模型。車輛-軌道耦合動力學模

3、型考慮輪軌接觸非線性以及懸掛系統(tǒng)等因素，軌道結構簡化為雙質量三層彈簧阻尼振動模型，其中雙質量包括軌枕和道床，三層結構指的是鋼軌、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?；谟邢摅w積法求解技術以及動網格控制技術，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模型，通過交替求解車輛系統(tǒng)動力學和空氣動力學實現(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、力學的計算基于列車系統(tǒng)動力學軟件Simpack，空氣動力學的計算基于空氣動力學計算軟件Fluent。構建了Fluent和Simpack相結合的聯(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-平臺中進行仿真的局限性。基于空氣動力學計算軟件Fluent和車輛-軌道耦合動力學自編程序(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，避免了空氣動力學求解器和車輛-軌道耦合動力學求解器之間數(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構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，通過波動標準差和同步標準差的比較，當λ=0.5時各項氣動力的預測值與下一時刻計算得到的氣動力之間誤差相對較小。
　　為了快速分析橫風環(huán)境下高速列車的安全運行問題，提出了計算橫風下高速列車流固耦合動力學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的差異，計算結果差別在3.26％以內。研究結果表明：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]耦合效應后，頭車氣動力(矩)和安全性指標(輪重減載率、脫軌系數(shù)、輪軸橫向力)均有所惡化。在橫風環(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，列車背風側

7、脫落的主渦數(shù)量減少，列車背風側第一主渦的分離點越來越遠離頭車鼻尖處。當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計算得到的最高允許風速最小；當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計算得到的最高允許風速最小。
　　針對高速列車的典型風切變問題，研究了不同橫風速度下高速列車通過擋風墻的流固耦合動力學，分析了高速列車通過擋風墻的氣動力和動力學響應，研究了橫風速度對高速

8、列車通過擋風墻的動力學影響，提出了一類具有緩沖裝置的擋風墻，能夠有效地改善高速列車通過擋風墻的安全性和舒適性。針對具有穩(wěn)定風速區(qū)域的線性風切變問題，提出了一種快速計算高速列車流固耦合動力學的方法--準穩(wěn)態(tài)計算方法，基于此方法分析了不同風切變環(huán)境下高速列車的動力學性能，結果表明：相比傳統(tǒng)橫風環(huán)境下高速列車的運行安全域，風切變環(huán)境下高速列車的運行安全域變差，環(huán)境風下列車的安全域不能僅僅考慮傳統(tǒng)的橫風環(huán)境，即風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性能，研究結果表明：列車安全性指標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；在沙塵暴環(huán)境下，當列車運行速度為350km/h時，最大允許風速僅為9.08m/s；當列車運