横风下高速列车非定常空气动力特性研究

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高速铁路动车组横风空气动力学分析

特别策划高速铁路动车组横风空气动力学分析吴敬朴1，龚增进2，李红梅1，宣言1，许聪2（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道科学技术研究发展中心，北京100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司科技和信息化部，北京100081）摘要：横风对动车组行驶安全危害极大，通过建立8辆车编组的CRH2C型动车组、高架桥梁、高路堤空气动力学模型，根据《铁路技术管理规程（高速铁路部分）》大风限速规定，对20、25m/s风速下高架桥梁和高路堤区段的动车组空气动力学进行仿真计算，分析不同风向角对动车组空气动力学的影响。

结果表明：风向对动车组空气动力学响应的影响大于风速对动车组空气动力学响应的影响；随着风速增大，动车组受到的横向力、升力、点头力矩和摇头力矩呈现增大的趋势，25m/s风速动车组200km/h运行时比20m/s风速动车组300km/h运行时，在高架桥梁区段分别增大约1%、25%、28%、2%；在高路堤区段分别增大约16%、34%、35%、17%。

关键词：高速铁路；CRH2C；动车组；横风；空气动力学；高架桥梁；高路堤中图分类号：U270.11文献标识码：A文章编号：1001-683X（2021）10-0015-07 DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2021.10.0150引言高速运行的列车在遇到强横风时，空气动力学性能会发生恶化，列车受到的空气阻力、升力和横向力迅速增加，列车的横向稳定性受到显著影响，严重时甚至可能导致列车脱轨、倾覆及人员伤亡。

根据研究，在特大桥梁、高架桥梁、高路堤等运行路段，环境风的作用更突出和复杂，列车脱轨、翻车的可能性大大增加。

为使列车安全地通过风区，避免发生列车脱轨、倾覆事故，国内外都开展了横风空气动力学响应以及相应的行车安全保障体系等研究。

基金项目：中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划项目（P2019T001）；中国铁道科学研究院集团有限公司科技研究开发计划项目（2020YJ200）第一作者：吴敬朴（1976—），男，副研究员。

高速列车横风效应及气动安全控制动力学

高速列车横风效应及气动安全控制动力学1. 引言1.1 概述高速列车是现代交通领域的重要组成部分，以其快速、高效、安全的特点受到广大乘客的欢迎。

然而，在高速列车运行过程中，会面临各种风险因素，其中之一就是横风效应。

横风效应指的是列车在经过桥梁、隧道或其他开阔区域时受到侧向风力的作用所引起的动态响应问题。

1.2 研究背景随着高铁建设进一步推进，高速列车在我国铁路网中所占比例越来越大。

然而，在特定地理环境和天气条件下，如山区、河谷和海岸线等地区，强大的侧风可能对高速列车行车安全带来威胁。

因此，研究高速列车横风效应及相关的气动安全控制动力学显得尤为重要。

1.3 目的与意义本文旨在深入探讨高速列车横风效应及其对行车安全性能产生的影响，并了解气动力学安全控制技术在减轻这些影响方面的应用。

通过对横风效应现象的描述与分析，我们可以更好地了解其机理，并在此基础上提出有效的控制方法和技术手段，从而提高高速列车行车安全性能，并为相关领域的研究和实践提供参考和借鉴。

总之，研究高速列车横风效应及气动安全控制动力学对于确保高速列车行车安全、推动交通事业发展具有重要意义。

本文将从定义与原因、影响因素、风险评估等方面进行深入分析，并结合国内外研究现状和发展趋势，最终给出结论与展望部分所述的前景展望和探索方向建议。

2. 高速列车横风效应2.1 定义与原因高速列车横风效应指的是列车在高速行驶时遇到侧风所引起的一系列气动力学效应。

在高速铁路运营中，以及特殊地理条件下，如开放地区、大型桥梁等情况下，横向侧风对列车的运行安全和稳定性带来了重大挑战。

侧风主要由大气层的非均匀垂直温度分布、地表的粗糙程度、山脉等自然条件导致。

当高速列车经过这些地区或受到这些影响时，会遭受到来自侧面的风压力，从而对列车产生偏移力和倾覆力。

2.2 影响因素高速列车横风效应受多种因素影响，以下是一些主要因素：- 列车速度：随着列车速度增加, 横风效应也越明显。

- 侧面积和形状：不同类型的列车具有不同形状的外壳和窗户，在不同角度下暴露给侧面风将导致不同程度的横风效应。

2 横风下高速列车非定常空气动力特性研究_马静

横风下高速列车非定常空气动力特性研究
马静 , 张杰 , 杨志刚
(同济大学上海地面交通工具风洞中心 , 上海 201804)
摘要 :通过大涡模拟(L ES)数值计算方法 , 对均匀定常横风下高速列车的非定常空气动力特性进行了研究。计算得到横风下列车车体所受空气动力的时域及频域特性、列车周围非定常流动结构及相应非定常流场特性。对计算结果分析表明 , 即使在均匀定常横风下 , 列车所受空气动力也存在明显的非定常性。对于所研究车型 , 这种非定常空气动力的特征频率出现在 11 Hz 以下 , 并且主要峰值集中在 0～ 3 Hz 区间 , 这与列车系统本身的固有振动模态频率接近 , 存在横风引起列车系统共振 , 进而发生列车倾覆的可能 ;同时研究表明 , 横风下列车周围流场非定常特性与列车所受非定常空气动力特性在频域中存在对应关系 , 可以通过测量非定常流场确定列车非定常空气动力特性。关键词 :高速列车 ;横风 ;倾覆 ;非定常空气动力中图分类号 :U270 .1 ;U 298.1 文献标志码 :A
文研究是在横风角为 90°的情况 , 即风向为横向垂直于高速列车侧壁 , 且不考虑列车行驶方向的速度。横风角定义方式如图 1 。这里将真实物理空间的三维问题简化成为一个二维问题进行数值计算 , 列车数值模型简化为列车的横截面 , 图 2 为列车横截面几何特征。图中 , 侧壁上倾角为 2 .9°, 下倾角为 5 .2°, 计算模型尺寸为实车大小。
第 6期
横风下高速列车非定常空气动力特性研究
11 1
Pentium 2 .80 G Hz 的计算机上完成 , 总体计算时间约为 800 h 。 1 .3 计算方法合理性探讨

高速列车横风效应及气动安全控制动力学

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横风下高速列车的非定常气动特性及安全性_张亮

k 500μ 2 , F2 = tanh max 0.99ω y ρ y 2ω
2
(3)
式中， y 表示第一层网格到物面的最小距离。在 DES 方法中， lk -ω 由 min(lk -ω , CDES Δ) 代替，其中 Δ = max(Δx, Δy , Δz ) 为网格单元的最长边长，常 k -ε k -ω 数 CDES = (1 − F1 )CDES + F1CDES ，其中常数项
k -ε k -ω CDES = 0.61 ， CDES = 0.78 。这样，在靠近物面边界
层上， ω 值相当大，且湍动能 k 值有限， lk -ω 远小于网格单元尺度，SST 湍流模型起作用，采用的是雷诺时均方法；在远离物面时，ω 值很小，当 lk -ω 增大到大于 CDES Δ 时，改变后的模型充当大涡模拟的亚格子雷诺应力模型。 1.2 数值模型高速列车是一个复杂的细长结构，如果对整列车进行数值模拟，计算量大，计算时间很长，且对计算机的硬件要求很高。由于列车中部截面形状不 [4, 16] 变，气动力的变化在列车中部趋于稳定，所以本文以国内某 CRH 高速列车为原型，采用头车-中间车-尾车三节车编组的列车模型，其中头车和尾车
区域，采用大涡模拟模拟脱体涡运动。基于 Menter k-ω SST 的 DES 方程为
∂( ρ ∂t ∂x j ∂ ∂x j μt ∂k ρ k 1.5 μl + − σ ∂ x k j lk -ω (1)
Unsteady Aerodynamic Characteristics and Safety of High-speed Trains under Crosswinds

横风对电动车组中各车辆气动特性影响的试验研究

Key words: EM U , cro ss2w ind, aerodynam ic cha racteristic, exp erim en ta l investiga tion.
陈南翼 1945 年生, 1968 年毕业于华中工学院水力机械专业, 1981年获上海铁道学院机车车辆专业硕士学位, 副教授, 现从事机车车辆方面的教学及科研工作。
71. 7◊ , 尾车 C x 为- 3◊ ～ 20◊ 。可见拖车车底外罩和
转向架裙板有明显的导流作用。当 Β 角较大时, 可使各
图2 列车模型在风洞中的安装 1——头部动车; 2——拖车; 3——尾部动车; 4——试
车气动阻力显著降低。相对头尾动车阻力的变化而言, 三节车联挂时的中间拖车所受阻力的变化影响较大。当
2. 215
2 056 mm 2 640 mm 307 mm
384 mm
3 试验结果及分析
3. 1 数据处理在体轴坐标系中, 坐标原点 O 与各模型车形心和天平校心重合。六个分量气动力和力矩系数的计算公式
为: C x = X ( qS ) ; C y = Y ( qS ) ; C z = Z ( qS ) ; CM x = M x (qS H j) ; CM y = M y (qS b) ; CM z = M z (qS b)。式中: X 、Y、Z、M x、M y、M z 分别为气动阻力、升力、侧力、侧翻力矩、偏转力矩、俯仰力矩 ( 其正向见图1 所示) ; q =
Chang sha R a ilw ay U n iversity (Chang sha 410075) Zhang J ian Chen Nany i
Abstract: In o rder to study how the cro ss2w ind s in fla t op en coun try affect the aerodynam ic cha racteristic of each EM U veh icle, exp erim en t of EM U m odel com po sed of 3 veh icles is conducted in a 8 m ×6 m w ind tunnel, the au tho r ana lyzes the da ta of the exp erim en t, conclud ing tha t w hen the cro ss2w ind s sp eed is in the range of 15 m s～ 25 m s, the EM U tra in set is stab le la tera lly w ith runn ing sp eed no t h igher than 300 km h.

高速列车在侧风环境中会车的空气动力特性模拟研究的开题报告

高速列车在侧风环境中会车的空气动力特性模拟研究的开题报告一、研究背景及意义高速列车具有高速、高效、舒适等特点，是城际交通的重要组成部分。

然而，在现实的使用过程中，高速列车不可避免地会遇到复杂的侧风环境，这给列车的行驶稳定性和安全性带来了一定的挑战。

因此，对高速列车在侧风环境中的空气动力学特性进行研究，具有重要的理论和实际应用价值。

二、研究现状目前，国内外学者在高速列车侧风环境下的空气动力学研究方面已取得了一定的成果。

主要研究方面包括列车与风的相互作用、附着层风压分布、离散风效应以及列车的舒适性等。

研究方法主要包括风洞试验、数值模拟等。

三、研究目标本研究旨在针对高速列车在侧风环境中车体的空气动力特性进行数值模拟及仿真研究。

具体研究内容包括：1. 探究不同侧风角度对列车空气动力学特性的影响；2. 研究不同车型、不同速度及不同侧风角度下列车车体受力分布情况；3. 分析不同条件下列车的行驶稳定性和安全性。

四、研究方法本文将采用计算流体动力学（CFD）方法进行模拟，利用ANSYS Fluent等主流软件对高速列车在侧风环境中的空气动力学特性进行数值计算，通过建立数值模型对列车在不同侧风角度的车体压力分布、受力情况等进行仿真分析。

同时，利用MATLAB等工具对仿真结果进行进一步处理和分析。

五、研究内容与时间安排1. 文献调研：3周；2. 数值模型建立与验证：4周；3. 数值模拟及仿真分析：6周；4. 结果分析与讨论：4周；5. 论文撰写及答辩准备：3周。

六、预期成果本研究将得到高速列车在侧风环境中的空气动力学特性，探究不同侧风角度对列车空气动力学特性的影响，研究不同车型、不同速度及不同侧风角度下列车车体受力分布情况，分析不同条件下列车的行驶稳定性和安全性。

最终将形成一篇较为系统的研究论文，提供理论支持和实践应用价值。

横风作用下高速机车的气动性能

横风风速。
常用的ｋ— 双方程湍流模型，运用大型流体数值计算软件ＦＵＮＬＥＴ对强侧风作用下高速机车车体
下假
设：
（）３空气为不可压缩流体。强侧风速度一般
ｌｃｍｏｉｅｓｅｄ，ｗｉｄｓｅｄａｄｅａｋｎｅｇｎｔｅａｒｄｎａｉｅｆｒｎｅｏｉｈ — ｓｅｏｏｏｏｏｔｖｐｅｎｐｅｎｍｂｎｍｅｔｈｉｈｔｏｈｅｏｙｍｃｐｒｏｍａｃｆｈｇｐｅｄｌｃｍ —
Ｒｎ，ＩＧ．ｎ，ＥＮＸｉＬＡＮＸｉｅｇＹＡＮＧＭｉｇｚｉ，ＩＪｎｃａｆｎ．ｈＬｕ．ｈｎ，
（．ＫｙＬｂｒｏｙｏＴａｃＳｆｙｏｒｋ１ｅａｏａｒｆｒｆａｅｎＴａ，ＭｉｉｒｏＥｕａｉＣｎａＳｕｈＵｉｒｔ，ｈｎｓａ４０７Ｃｉａｔｉｆｔｃｎｓｆｄｃｔｎ，ｅｔｌｏｔｎｖｓｙＣａｇｈ１０５，ｈｎ；ｔｙｏｒｅｉ
８６
铁道科学与工程学报
２１０２年４月
２３边界条件．
４Ｏ０
Ｚ
为消除地板附面层的影响，图１示，面如所地
２００
。
ＡＣＢＤ给定滑移边界条件，向速度为０切向速度法，与车速速度大小相同，向相反；截面ＡＨ以方在ＥＤ
第２期
任
鑫，：等横风作用下高速机车的气动性能

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空气动力特性。
关键词：速列车；风；覆；定常空气动力高横倾非
中图分类号：Ｕ２Ｏ１７．；Ｕ２８１９．文献标志码：Ａ
Ｓｕｙ０ｈｅＵｎｓｅｄｒｄｎａｉｔｄｎｔｔａｙＡｅ０ｙｍｃＣｈａａｔｒｓｉｓｒｃｅｉｔｃ０ｉｈｓｅｄＴｒｉｄｒＣｒｓｉｆａＨｇ — ｐｅａｎＵｎｅ０ｓＷｎｄ
ｎｍｅｉａｌｙｔｅ１ｒｅｅｄｉｌｔｏ（Ｓ）ｍｅｈｄＴｈｈｒｃｅｉｔｃｆｔｅａｒｄｎｍｉｆｒｅｎｔｅｕｒｃｌｂｈａｇｄｙｓｍｕａｉｎＬＥｙｔｏ．ｅｃａａｔｒｓｉｓｏｈｅｏｙａｃｏｃｓｏｈ
ｓｌｓｉｉａｅｔａｈｅａｒｄｙｍｉｏｃｓｏｈｒｉａｅｓｒｇｕｎｔａｙｃｒｃｅｉｔｃＶｎｗｈｅｈｅｃｏｓｕｔｎｄｃｔｈｔｔｅｏｎａｃｆｒｅｎｔｅｔａｎｈｖｔｏｎｓｅｄｈａａｔｒｓｉｓｅｅｎｔｒｓ
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ｗｉｄｉｏｔｎ；ｔｏｉａｉｇｆｅｅｃｅｆｔｅａｒｄａｃｆｒｅｒｌｗＨｚｗｉｈｔｄｉｅｋｓｎｓｃｎｓａｔｈｅｄｍｎｔｎｒｑｕｎｉｓｏｈｅｏｙｎｍｉｏｃｓａｅｂｅｏ１１ｔｈｅｋａｎｇｐａｉｈａｇｅｂｅｗｅｎ０ａｄ３Ｈｚｎｔｅｒｎｔｅｎ，ｗｈｉｈａｅｖｅｙｃｏｅｔｈｅｒｓａｔｆｅｅｃａｇｅｏｈｅｔａｎＩｓｔｓｃｒｒ１ｓｏｔｅｏｎｎｒｑｕｎｙｒｎｆｔｒｉ．ｔｉｈｕｐｏｓｂｌｈｔｔｒｉｓａｄｎａｃ１ｓｔｍｌｓｉｅｔａｈｅｔａｎａｙｍｉａｙｓｅｗｉ】ｂｅｒｓａｅｙｔｎｓｅｄｙａｒｄｙｍｉｏｒｅｅｔｈｅｅｏｎｔｄｂｈｅｕｔａｅｏｎａｃｆｃｓｄｕｏｔｃｏｓｎｎｈｅｒｓｎａｅｃｌｅｄｔｈｅｏｖｒｕｎｉｇｏｈｅｔａｎ．Ｔｈｅｆｅｕｅｙｃｒｃｅｉｔｃｆｔｒｓｗｉｄａｄｔｅｏｎｃｏｕｄｌａｏｔｅｔｒｎｆｔｒｉｒｑｎｃｈａａｔｒｓｉｓｏｈｅｆｏｆｅｄａｏｄｔｅｔａｎａｄｔｒｑｕｎｙｃｒｃｅｉｔｃｆｔｅｕｎｔａｙｆｒｅｎｔｅｔａｎｗｅｅｆｎｄｔｌｗｉ１ｒｕｎｈｒｉｎｈｅｆｅｅｃｈａａｔｒｓｉｓｏｈｓｅｄｏｃｓｏｈｒｉｒｏｕ０ｂｅｔｅｓｍｅ，ａｄｃｓｑｕｎｌｈｎｓｅｄｙｃｒｃｅｉｔｃｆａｒｄｙｍｉｏｃｓｏｈｅｔａｎｃｕｌｅｓｕｉｄｂｈａｎｏｎｅｅｔｙｔｅｕｔａｈａａｔｒｓｉｓｏｅｏｎａｃｆｒｅｎｔｒｉｏｄｂｔｄｅｙｍｅｓｒｎｇｔｅｕｔａｙｃａａｔｒｓｉｓｏｈｅｆｏｆｅｄａｏｕｈｒｉａｕｉｈｎｓｅｄｈｒｃｅｉｔｃｆｔｌｗｉ１ｒｎｄｔｅｔａｎ．
ＭＡｉｇ，ＺＨＡＮＧｉ，ＹＡＮＧｈ— ａｇＪｎＪｅＺｉｎｇ
（ａｇｉＡｕｏｔｅＷｉｄＴｕｎｅＣｅｔｒＳｈｎｈａｔｍ。ｉｎｎｌｎｅ，ＴｏｉＵｎｖｒｉｙ，ＳｎａＯ８４ｖｎｉｅｓｔｈａｇｈｉ２１Ｏ，Ｃｈｎａｉ）
横风下高速列车非定常空气动力特性研究
口ｔ
１
静，张杰，杨志刚
上上Ｏ８４（同济大学海地面交通工具风洞中心，海２１Ｏ）
摘
要：过大涡模拟（Ｅ）值计算方法，均匀定常横风下高速列车的非定常空气动力特性进行了研究。通Ｌｓ数对
第３Ｏ卷第６期２ＯＯ８年１２月
铁
道
学
报
Ｖｏ１ ห้องสมุดไป่ตู้ ．３
Ｎｏ．６
Ｊ０ＵＲＮＡＬ０ＦＴＨＥＣＨＩＮＡＲＡＩＬＷＡＹ０ＣＩＳＥＴＹ
Ｄｅｅｂｅ２Ｏ８ｃｍｒＯ
文章编号：ｏ１８６（０８Ｏ一１９Ｏ１０ —３Ｏ２Ｏ）６ＯＯ６
计算得到横风下列车车体所受空气动力的时域及频域特性、车周围非定常流动结构及相应非定常流场特性。列对计算结果分析表明，使在均匀定常横风下，车所受空气动力也存在明显的非定常性。对于所研究车型，即列这种非定常空气动力的特征频率出现在ｌＨｚ以下，１并且主要峰值集中在Ｏ３Ｈｚ区间，与列车系统本身的固有～这振动模态频率接近，在横风引起列车系统共振，而发生列车倾覆的可能；存进同时研究表明，风下列车周围流场横非定常特性与列车所受非定常空气动力特性在频域中存在对应关系，以通过测量非定常流场确定列车非定常可