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侧风下挡风墙后高速列车非定常气动特性大涡模拟研究
| 论文题名： | 侧风下挡风墙后高速列车非定常气动特性大涡模拟研究 |
| 关键词： | 高速列车;空气动力学;侧风;挡风墙;大涡模拟 |
| 摘要： | 高速列车的运行易受到外界自然环境的影响，尤其是当遇到强风环境或者风速方向与列车运行方向成一夹角时，高速列车的气动力学特性会发生剧烈变化，对列车运行稳定性以及乘客乘坐舒适度产生影响。为此对明线运行的高速列车设置防风措施是较为关键的，其中较常见的防风措施是在运行线路上设置挡风墙。实际中，列车在通过挡风墙时，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，而侧风下高速列车周围的流场结构呈现出较强的非定常特性。本文采用LES方法研究挡风墙后运行的高速列车的非定常气动力特性，具有一定现实意义。 本文基于三维非定常不可压缩流动的N-S方程，采用大涡模拟的数值模拟方法，以STAR-CCM+软件作为计算平台，对某型高速列车的1∶10模型以200km/h的速度在30m/s的侧风环境中运行在挡风墙后的流场结构、空气气动力学参数的时域特性和频域特性进行数值模拟研究。通过对亚临界状态三维圆柱模型的大涡模拟研究，基于圆柱表面气动力特性及圆柱附近的流场结构的分析论证了大涡模拟计算非定场不可压缩流场的可行性。在此基础上采用不同大涡模拟亚格子模型对横风条件下的某型高速列车模型进行数值模拟研究，对比分析了三种模型下列车周围流场结构的差异，以及空气动力学参数时域特性的区别。最后，对不同风向角侧风环境下的某型高速列车模型运行在挡风墙后的外部流场结构以及气动力参数的非定常特性进行对比分析，得到以下主要结论： （1）在使用大涡模拟方法计算侧风条件下高速列车运行问题时，可以首先选择WALE亚格子模型进行计算，该模型的计算结果相比其它两种结果要好。同时，该结论可给其它复杂流场的大涡模拟研究提供一定的参考。 （2）对不同风向角的流场结构进行对比，发现列车周围流场的涡流形态会随着风向角增大而变得更复杂，且涡流强度更高，60°风向角时涡流强度达到最大，而90°风向角时列车周围流场形态却变得相对稳定。 （3）不同风向角侧风下，高速列车的气动载荷具有显著的非定常特性，列车气动力系数振幅的主要频率在0~4Hz范围内。 |
| 作者： | 王北昆 |
| 专业： | 车辆工程 |
| 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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