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原文传递高速列车仿生头型优化设计与明线气动特性研究

论文题名：	高速列车仿生头型优化设计与明线气动特性研究
关键词：	高速列车;头部外形;仿生设计;多目标优化;气动性能
摘要：	高速列车是高速铁路的核心技术装备。列车高速运行时，周围空气与列车之间的相互作用加剧，列车周围会形成流动结构非常复杂的湍流流场，进而引发一系列的空气动力学问题，直接影响列车运行的安全性、稳定性及乘客的舒适性。　　列车的外部形状与气动性能之间具有直接关联，而头部作为列车外形的重要组成部分，不仅需要符合视觉上的美学准则，而且还需要具有良好的空气动力学性能。基于以上原因，论文开展了以下研究：　　（1）合理改进高速列车头型仿生设计流程。在充分考虑不同生活环境及速度的基础上，选取游隼、信天翁、鳄鱼和梭鱼为仿生对象，在合理设置列车头部相关尺寸约束的前提下，通过提取生物体头部特征线，完成了仿生头型的手绘方案设计。采用非均匀有理B样条方法（Non-UniformRationalB-Splines，NURBS），分别建立了四种仿生列车的计算模型。　　（2）仿生列车相关气动性能模拟计算。采用计算流体动力学方法（ComputationalFluidDynamics，CFD），针对明线单车和横风条件，分别对四种仿生列车的相关气动性能进行了数值模拟计算。计算结果表明：在明线单车气动阻力方面，信天翁型列车相对最优，而鳄鱼型列车相对最差，两者之间的气动阻力系数相差30.9%；气动升力方面，四种仿生列车中的头车均受负升力作用，而中间车和尾车均受正升力作用。在横风条件下，信天翁型列车的空气横向力系数最大，而鳄鱼型列车最小，两者之间相差55.1%；而且四种仿生列车各车辆之间的横向力系数均为头车最大，中间车低于头车，尾车最小。同时，当车速相同时，横风使头车气动阻力降低，使中间车和尾车的气动阻力增大。　　（3）仿生列车横风条件气动性能多目标优化。为了充分挖掘仿生列车在横风条件下的气动性能潜力，在综合分析四种仿生头型具体特征及列车横风条件气动性能指标优劣的基础上，分别选择单拱形式的梭鱼列车和双拱形式的信天翁列车头部作为优化对象，并建立了两种列车的参数化模型。采用第二代非支配排序遗传算法（Non-dominatedSortingGeneticAlgorithms，NSGA-Ⅱ），以头车空气横向力和整车的气动阻力为优化目标，分别对以上两种车型进行了多目标优化。针对两种车型，探讨了多个优化设计变量对优化目标的影响程度，并分别得到了两种列车头部形状的Pareto最优解前沿。与原始头型相比，梭鱼型列车的头车空气横向力和整车气动阻力最大分别降低了3.87%和3.23%；信天翁列车以上两个优化目标最大分别降低了2.60%和4.20%。　　（4）横风条件下列车表面压力与背风侧流场结构分析。分别以多目标优化后的梭鱼列车和信天翁列车为研究对象，在横风条件下，详细说明了两种列车车体水平截面和横截面的压力系数分布情况。结果表明：两种优化列车的迎风侧大部分区域为正压，而背风侧的大部分区域则为负压，但头车及尾车的流线化区段、车顶与侧墙过渡处的压力分布与车体部位明显不同。同时，由于车体背风侧的涡旋结构使整个流场表现出强烈的非定常特性，所以采用Q准则和涡量方法对背风侧流场的非定常特性进行了分析。结果表明：虽然两种优化列车背风侧的涡旋产生位置及发展规律具有相似性，但在位置相同的横截面上，涡旋距车体的位置以及涡强度存在差异。
作者：	武振锋
专业：	车辆工程
导师：	丁旺才
授予学位：	博士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2022