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原文传递行驶环境对高速列车横风稳定性影响研究

论文题名：	行驶环境对高速列车横风稳定性影响研究
关键词：	高速列车;空气动力学;数值模拟;行驶环境;流体力学
摘要：	高速列车在行驶时不仅受到行驶方向的气动阻力，还会受到来自于侧向的自然风。在某些特殊的行驶环境下，如特大桥梁、路堤、高架桥和山区丘陵地带，列车周围的流场会受到这些环境的影响，从而导致作用在列车上的气动力大大增加，严重时甚至发生翻车事故。2007年10月我国正式确定实施京沪高速铁路项目，这将为我国高速铁路事业的发展开拓一个崭新的时代。建成后的高速铁路设计时速将高达350km/h，如此高的速度使得该线上的列车受到的气动载荷将大大增加。而出于施工和受周边环境影响方面的原因，必定会在某些路段为新的高速轨道修建一定坡度的路堤和一些大型桥梁(例如长江大桥和黄河大桥)。路堤的出现会使流经其斜坡的气流加速，导致作用在列车车身上的作用力增加；桥梁的出现会使列车受到的自然风远大于地面上的风速。这些由环境造成的列车周围流场的变化都将增加列车受到的气动载荷，使得列车的翻车可能性大大增加。随着计算机技术和计算流体力学的发展，通过数值计算方法已经可以较好地研究列车空气动力学问题。本文基于三维定常流体力学计算方法，选用Realizable k-ε湍流模型和SIMPLEC压力修正算法，首先对不同路堤倾角下的高速列车--路堤组合体进行了数值模拟计算，并利用模型风洞试验对数值计算方法进行验证。通过数值计算得到：(1)路堤倾角对高速列车空气动力学特性有显著影响，当路堤倾角由0°变为90°时，各气动力参数呈抛物线型分布；(2)当路堤倾角为11°时，高速列车的侧翻力矩最大，比平地情况下高出30％以上；(3)在8°～25°的路堤倾角范围内，列车在下风侧受到的侧翻力矩比上风侧的要大，最大可达3％。根据试验结果与数值计算结果的比对验证了本文采用的数值计算方法的可信性。接着对不同桥梁截面形状下的高速列车--桥梁组合体进行数值计算，并得到：(1)桥梁的桥底面夹角和桥梁厚度对高速列车的横风稳定性有显著影响。对于文献中给定的桥梁，在增加桥底面夹角时，列车的总侧翻力矩先增大后减小，总体上是增加的(2)当桥梁厚度从400mm变化到500mm时无论是处于上风侧的列车还是处于下风侧的列车其侧翻力矩都会产生一个突增，增幅分别达到16％(上风侧)和24％(下风侧)；(3)文献中给定的原始桥梁截面形状对列车的横风稳定性影响最小。最后，结合前面两部分的研究，进一步对不同合成风风向角下行驶在路堤、桥梁和平地上的列车的横风稳定性进行比较研究。由研究结果得出：(1)行驶在路堤、桥梁和平地上的列车，其侧翻力矩系数随合成风风向角的增加而增加，并在90°达到最大值；(2)对于相同的合成风风向角和合成风速度，当列车分别行驶在路堤、桥梁和平地上时，在路堤上的列车受到的侧翻力矩最大，其次是在平地上的列车，而行驶在桥梁上的列车受到的侧翻力矩最小。
作者：	张杰
专业：	车辆工程
导师：	杨志刚
授予学位：	硕士
授予学位单位：	同济大学汽车学院
学位年度：	2009
正文语种：	中文