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原文传递高速列车驶入隧道气动效应数值模拟研究

论文题名：	高速列车驶入隧道气动效应数值模拟研究
关键词：	高速列车;数值模拟;隧道气动效应;气动载荷
摘要：	高速列车驶入隧道过程中，隧道内空气流动受到隧道壁面和车体壁面限制，在隧道内产生进口波、初始压缩波、隧道内压力波等现象，同时，高速列车受到的气动载荷随着列车驶入隧道过程中而发生变化，这些现象将影响列车运行过程中的动力学性能、稳定性、运行安全性、经济性、司乘人员的乘坐舒适性等多个方面。随着列车提速，明线空气动力学和隧道空气动力学问题倍受国内关注，本文也对此问题进行了相应的研究。　　本文主要通过数值模拟方法，以高速列车CRH3和CRH380A模型作为研究对象，对高速列车驶入隧道过程流场中的非定常气动特性进行数值模拟计算分析，得出流场区域分布特性及气动载荷的变化规律。在求解计算中，高速列车CRH3和CRH380A驶入隧道模型运用了有限体积法和STAR-CD软件提供的动网格技术。为了更好的验证高速列车驶入隧道过程对列车上的气动载荷模拟结果的正确性，采用类车体明线超车这一过程来验证本文数值模拟方法的正确性和可行性，该方法与高速列车驶入隧道过程所用的方法一致。　　首先，类车体在明线超车模型模拟，建立了Ahmed Car超车过程几何模型和相应的明线线路模型，模拟车辆在明线上超车时三维不可压缩非定常湍流流动，将数值结果与试验结果、文献结果进行对比，验证了本文数值模拟方法的可行性和正确性。分析不同雷诺数湍流模型模拟类车体超车过程中的流场特性、气动载荷的变化特性。　　其次，根据高速列车 CRH3驶入隧道过程的三维可压缩非定常湍流流动的数值模拟，分析高速列车驶入隧道过程产生的初始压缩波形成、隧道内压缩波的分布。得出初始压缩波是由于列车头部进入隧道瞬间洞内空气流动空间受到限制所形成的，形成初期具有三维特性，在传播一定距离后变成一维平面波；初始压缩波的时间变化率峰值与车速的三次方近似成正比。之后，对比研究两种头型CRH3和CRH380A驶入隧道过程对初始压缩波的影响，得出了CRH3列车初始压缩波变化比CRH380A剧烈，相应的初始压缩波压力时间变化率峰值CRH3高于CRH380A。　　最后，分析高速列车驶入隧道过程中气动载荷变化特性，并对两种列车头型不同速度条件气动载荷进行对比。得出压缩波使得气动阻力系数增大，膨胀波使得气动阻力系数减小，侧向力系数和升力系数受压缩波和膨胀波的影响较小；随着速度的增大，列车受到的气动力系数和力矩系数均增大，列车驶入隧道过程两侧受到不同的气动力和力矩，这将会引起列车的横向振动。　　三维数值模拟能够很好地揭示类车体明线超车和高速列车过隧道内外压力脉动、及气动载荷特性，本文为认识类车体明线超车过程和高速列车驶入隧道引起洞内外压力脉动现象、了解类车体明线超车和高速列车过隧道过程中的气动力及力矩变化引起的列车运行过程中的安全平稳性提供了有益参考。
作者：	王瑞丽
专业：	工程学
导师：	梅元贵
授予学位：	硕士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文