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挡风墙背风侧高速列车周围流场非定常特性大涡模拟研究
| 论文题名： | 挡风墙背风侧高速列车周围流场非定常特性大涡模拟研究 |
| 关键词： | 高速列车;挡风墙;大涡模拟;空气动力学;非定常特性 |
| 摘要： | 随着高速列车运行速度的不断提高，大风下列车运行安全稳定性成为一个广受关注的关键问题。在全世界范围内，发生了多起列车被大风吹翻的事故，给国家和社会都带来了不可挽回的损失。为保证列车平稳安全的运行，列车在大风区受到的气动力特性成为了研究重点，而气动力特性又取决于列车周围气流特性。在铁路线路上设置防风结构，能够减少强风对列车的危害，对列车的安全稳定提供了有效的保护。但列车在通过挡风墙过渡段时，仍会出现一些晃动，降低乘客乘坐时的舒适性。已有的数值模拟研究大多采用RANS方法分析列车周围流场的定常特征，而实际上侧风下流场结构呈现出较强的非定常特性。本文采用LES方法研究挡风墙背风侧列车周围流场非定常特性，可望在一定程度上加深对上述现象的理解和认识。 本文以某型高速列车1∶10模型为研究对象，基于STAR-CCM+软件，采用大涡模拟方法数值模拟列车速度为200km/h时，不同风向角情况下高速列车经过挡风墙以及挡风墙过渡段时的列车周围流场变化情况以及气动力非定常特性。研究结果表明： （1）网格划分类型、不同物理模型、不同边界条件对计算结果有较大的影响。结构化网格与非结构化网格相比，非结构化网格对计算模型比较复杂的模拟更适合，计算结果更合理；可压缩物理模型与不可压缩物理模型相比，使用可压缩物理模型与周期性边界条件可以得到合理的计算结果，且周期性边界条件可以解决入出口边界条件在计算域入口存在涡旋的问题；90°风向角时，滑移壁面边界条件与自由流边界条件对比，滑移壁面边界条件更符合侧向力变化趋势。 （2）列车周围的压力、速度及涡旋结构是引起列车气动力变化的主要原因。风向角较小时，列车两侧的表面压力分布较均匀。30°风向角时，列车两侧出现压力差。60°时，列车背风侧负压区达到最大；随着风向角的增大，挡风墙与列车之间的速度场结构越复杂，且具有明显的非定常特性；风向角增大，列车与挡风墙周围的涡旋会产生干涉，其中90°时，流场结构最复杂，涡旋发展的距离最远，尺度最大。 （3）列车两侧压力差随风向角的增大而增大，在挡风墙过渡段处，压力差变化幅度最大，靠近挡风墙一侧的压力值出现较大的波动；列车时域特性曲线随时间变化较大，且气动力参数频率在4Hz左右，具有明显的非定常特性。 |
| 作者： | 辛宝林 |
| 专业： | 动力工程 |
| 导师： | 许建林;沈玉琳 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 兰州交通大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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