复杂风环境下风_列车_轨道_桥梁系统气动特性及耦合机理研究
高速列车空气动力学特性研究
高速列车空气动力学特性研究一、前言高速列车作为一种重要的交通工具，其空气动力学特性对于安全、稳定性和能耗都有着重要影响。
因此，对于高速列车空气动力学特性的研究具有重要意义。
本文将从空气动力学的角度出发，对高速列车空气动力学特性进行研究。
二、高速列车空气动力学基础知识1. 空气动力学基础知识空气动力学是研究气体运动、空气流动和风力的学科。
在空气动力学中，液体和气体统称为流体。
空气动力学主要是研究在流体中运动的物体的物理现象和规律，其核心是研究流体的连续性、动量守恒、能量守恒以及流动的刚体和非刚体运动等基本定律。
2. 高速列车空气动力学特性高速列车是一种大型的运动物体，因此它在行驶过程中会受到空气的阻力和风阻力。
空气动力学特性是指高速列车在空气中运动时受到的各种气动力学因素的综合效应。
这些气动力学因素包括流体的密度、黏度、速度、压力、温度等因素以及高速列车的外形、速度等因素。
因此，高速列车的空气动力学特性是复杂而多变的。
三、高速列车空气动力学特性研究方法1. 数值模拟法数值模拟方法是一种利用计算机模拟高速列车空气动力学特性的方法，其基本思想是将高速列车和周围空气划分为无数个小的单元，通过计算各单元的运动状态来模拟高速列车的空气动力学特性。
数值模拟方法具有精度高、操作简单等优点，但需要大量的计算能力和计算资源。
2. 实验测试法实验测试法是一种通过对高速列车进行实际测试来研究其空气动力学特性的方法。
这种方法通常使用模型来代替实际列车进行测试，通过对模型在不同条件下的测试结果进行分析，以得到高速列车的空气动力学特性数据。
实验测试法具有测试结果准确、直观性强等特点，但成本较高，测试过程复杂。
四、影响高速列车空气动力学特性的因素1. 高速列车的外形高速列车的外形是影响其空气动力学特性的重要因素之一。
不同的外形会导致高速列车在空气中的流动状态有所不同，从而影响其空气动力学性能。
2. 高速列车的速度高速列车的速度也是影响其空气动力学特性的关键因素。
高速列车空气动力学特性研究
高速列车空气动力学特性研究要说这高速列车，那跑得可真是风驰电掣！但您有没有想过，在它飞奔的背后，空气动力学可起着至关重要的作用。
我还记得有一次坐高铁出差，车窗外的风景飞速掠过，那速度感让人兴奋不已。
当时我就在想，这列车能这么快又稳地跑，空气动力学肯定有大功劳。
咱们先来说说高速列车为啥要研究空气动力学特性。
您想想，列车跑得那么快，就像一头冲进风里的猛兽。
这风可不会乖乖让路，它会产生各种阻力和压力，要是不把这些弄明白，列车不仅跑不快，还费电、噪音大，甚至可能影响稳定性和安全性。
空气阻力是个大头。
列车速度越快，空气阻力就像个顽固的家伙，使劲往后拽。
就好比我们跑步，跑得慢感觉还好，一旦加速，那风就像一堵墙似的。
高速列车也一样，要想突破这堵“风墙”，就得研究怎么让车身形状更流线型，减少阻力。
比如说车头的设计，尖尖的形状就像一把利剑，能把风劈开，让阻力减小。
还有压力的问题。
当列车快速通过隧道时，那场面可刺激了。
就好像空气被突然压缩，形成一股强大的压力波。
这压力波要是处理不好，不仅会让乘客耳朵不舒服，还可能对隧道和列车造成损害。
所以研究人员得想办法让压力变化更平稳，就像给这股“气浪”装上了减震器。
再说说空气动力学对列车的稳定性影响。
有时候一阵大风刮过来，列车要是“身子骨”不够硬朗，就可能会晃悠。
这就需要通过空气动力学的研究，让列车在各种气流环境下都能稳稳当当的。
比如说在车底和侧面设置一些导流装置，让气流乖乖听话，别捣乱。
另外，噪声也是个让人头疼的问题。
列车高速行驶时，空气摩擦产生的噪声可不小。
这不仅影响乘客的乘坐体验，对周边环境也不友好。
研究人员就得想办法让气流更顺畅地流过车身，减少噪声的产生。
就像给列车穿上了一件“静音披风”。
总之，高速列车的空气动力学特性研究可真是个大学问。
它就像是给列车打造了一套专属的“武功秘籍”，让列车能够在风的世界里自由驰骋，又快又稳又安静。
下次您再坐上高速列车，感受那风驰电掣的速度时，别忘了背后有空气动力学这双神奇的“大手”在默默支撑着。
路况场景对高速铁路列车气动力特性影响规律研究
路况场景对高速铁路列车气动力特性影响规律研究横风下高速铁路列车气动力是列车行车安全研究的重要前提，与在平地路面上行驶不同，由于路堤、高架桥干扰造成列车表面绕流形式改变，导致列车气动力显著改变，横风效应更加突出，大大增加列车脱轨、倾覆的可能性。
因此，研究路况情景对列车气动力影响，探索其风荷载作用规律和机理，对优化高速铁路列车线路布置形式，提高列车行车安全性至关重要。
国内外学者通过实车测试、风洞试验和计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)对列车气动力特性开展广泛的研究，得出了一些有价值的成果[1-2]。
文献[3-4]在实际列车表面布置有规则的测压孔，通过电子扫描阀全程记录列车在不同地段时列车表面风压力值，获得不同风速和风向下列车气动力，为列车行车安全性研究提供重要资料和参考。
文献[5-7]针对简支梁桥和CRH2高速铁路列车，研究车-桥组合下桥梁和列车气动力特性，讨论风环境参数对列车临界风速的影响，分析来流风速、来流风向、列车运行速度等与列车气动力之间的关系，并利用烟线法进行列车气动干扰机理研究，结论指出雷诺数对车-桥气动力影响有限，复线轨道列车布置形式和风偏角等参数对车桥气动力影响显著。
李永乐等[8]利用交叉滑槽系统，研究车-桥组合下桥梁截面参数对列车和桥梁气动力影响，获得车-桥气动力随桥梁截面的变化规律。
文献[9-10]采用三维动网格技术对列车在强横风作用下运行状态进行模拟，分析列车位于平地、高架桥、路堑和路堤等下部路况场景下的气动力和气动力矩，结论发现列车位于高架桥上气动力及力矩最大，位于路堑上最小，路堤高度低于20 m时，客车气动力随路堤高度的增加而增大。
谭深根[11]针对路堤上高速铁路列车进行数值模拟计算，分析横风作用下列车周围流场结构，研究列车表面漩涡数量和漩涡起始位置随路堤高度的变化规律。
Baker等[12]对列车分别进行实测和风洞试验研究，获得列车气动力和气动导纳函数，结果表明风洞试验和实测结果吻合较好，同时指出风洞试验中应该充分模拟实际地貌粗糙度以保证结果的真实性和准确性。
铁路桥梁抗风设计与分析
铁路桥梁抗风设计与分析在现代铁路交通的发展中，铁路桥梁作为重要的基础设施，承担着保障列车安全、稳定运行的关键任务。
而风作为一种自然力量，对铁路桥梁的影响不可小觑。
因此，铁路桥梁的抗风设计与分析显得尤为重要。
风对铁路桥梁的作用是多方面且复杂的。
强风可能导致桥梁结构的振动，包括横向振动、竖向振动以及扭转振动。
这些振动如果超过一定限度，就会影响桥梁的安全性和使用性能，甚至可能引发结构的破坏。
此外，风还会对行驶中的列车产生侧向力，影响列车的运行稳定性和安全性。
在进行铁路桥梁抗风设计时，首先要对桥梁所在地区的风环境进行详细的调查和分析。
这包括收集当地的气象数据，了解风速、风向、风的湍流特性等信息。
通过这些数据，可以评估风对桥梁可能产生的影响程度，为后续的设计提供基础。
桥梁的外形和结构形式对其抗风性能有着重要影响。
流线型的桥梁截面通常具有较好的抗风性能，因为它们能够减小风的阻力和升力。
例如，箱梁结构在铁路桥梁中应用广泛，其良好的气动外形有助于降低风的作用。
同时，合理的结构布置，如增加桥梁的横向刚度和扭转刚度，也能够提高桥梁的抗风能力。
在抗风设计中，材料的选择也是一个关键因素。
高强度、轻质的材料可以减轻桥梁的自重，从而降低风对桥梁的作用力。
同时，材料的耐久性和抗疲劳性能也需要考虑，以确保桥梁在长期的风荷载作用下能够保持良好的性能。
对于大跨度铁路桥梁，风致振动的控制是抗风设计的重点和难点。
常见的风致振动控制措施包括设置风屏障、安装调谐质量阻尼器（TMD）或液体粘滞阻尼器等。
风屏障可以改变风的流动特性，减小风对桥梁和列车的作用。
阻尼器则通过消耗振动能量来抑制桥梁的振动。
在进行抗风分析时，通常会采用数值模拟和风洞试验相结合的方法。
数值模拟可以快速地对不同设计方案进行初步评估，预测风对桥梁的作用。
而风洞试验则能够更准确地模拟实际的风环境，获取桥梁在风作用下的力学响应。
通过对试验和模拟结果的分析，可以对设计方案进行优化和改进。
风力发电叶片内部空洞结构对气动特性的影响研究
风力发电叶片内部空洞结构对气动特性的影响研究引言：随着可持续能源的需求不断增长，风力发电作为一种清洁能源的形式得到了广泛应用。
在风力发电系统中，叶片作为主要的能量转换器，其设计和性能对系统的效率和可靠性具有重要影响。
探究叶片内部空洞结构对其气动特性的影响，将有助于提高风力发电叶片的设计和性能。
一、背景风力发电叶片的气动特性直接影响叶片的效率和性能。
目前，研究者们广泛关注叶片表面的气动特性，如流动分离，湍流控制等。
然而，很少有研究集中于叶片内部空洞结构对气动特性的影响。
然而，叶片内部的腔室结构，由于其复杂的流动行为，可能对叶片的气动表现产生重要影响。
二、非空心叶片与空洞叶片之比较1. 非空心叶片非空心叶片是传统的风力发电叶片设计中常用的结构。
它们通常由一种均匀的材料构成，具有一致的密度和强度特性。
在非空心叶片中，气流沿着表面流动，并形成边界层和湍流区域。
这些流动特性对叶片的性能具有重要影响。
2. 空洞叶片相比之下，空洞叶片内部包含腔室结构，这些结构与叶片的主体相互连接，并形成多层次的通道。
空洞叶片的内部空间提供了其他设计优化的机会，如降低叶片重量、提高叶片的刚度，以及改善气动性能等。
三、空洞叶片内部空气流动分析1. 流动行为在空洞叶片中，气流通过各个腔室进行传导和交换，形成了复杂的流动行为。
腔室的数量、形状、尺寸和相互连接方式等因素会对流动行为产生重要影响。
通过数值模拟和实验研究，可以获得空洞叶片内部空气流动的速度、压力、湍流强度等关键参数，进一步了解空洞结构对气动特性的影响。
2. 升力和阻力空洞叶片的空气流动行为可能会影响其升力和阻力特性。
通过研究空洞结构的形状和布局等因素对升力和阻力的影响，可以优化叶片设计，提高其性能。
另外，通过改变不同腔室内部的气流行为，如加速、减速、分散等操作，也可以进一步改善叶片的气动特性。
3. 噪音和振动风力发电叶片的噪音和振动是一个重要的问题。
空洞叶片内部的腔室结构可能会对噪音和振动的产生和传播产生影响。
复杂风场环境大跨桥梁安全保障关键技术及工程应用
复杂风场环境大跨桥梁安全保障关键技术及工程应用下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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复杂风场下车头形状对高铁机车气动力的影响
复杂风场下车头形状对高铁机车气动力的影响作者：石磊来源：《环球市场》2019年第08期摘要：高速列车，不仅加强了列车与空气之间的相互作用，同时也给列车的安全运行带来影响，复杂风场下所造成的事故尤其突出。
很多国家的列车均有因侧风造成的不同程度的造成列车侧翻等行车安全事故，造成严重的经济损失和人员伤亡。
高铁车体在复杂风场条件下的侧风效应问题研究，为车头形状的设计和铁路机车安全运行提供理论和技术支持。
关键词：复杂风场;车头形状;高铁机车;气动力;影响现在，世界上许多国家都有高速列车在运行，高速列车的最高运行速度也从220 km/h 提升到350 km/h，并且向着更高的速度目标努力。
因此，非常需要进行系统的研究工作了解高速列车的空气动力学特性，提高高速列车的气动性能，并开发新一代高速列车系统。
一、高速列车空气动力学与运行环境高速列车空气动力学现象与列车速度和运行环境有紧密关系，随着列车速度的提高，高速列车空气动力学问题变得更加重要。
通常列车空气动力学与列车的气动阻力、车内压力变化、列车诱导的流动、列车交会、横风效应、地面效应、隧道效应、气动噪声和振动等有关.气动阻力与车体横截面积、列车长度、头车和尾车形状、车体表面粗糙度以及列车周围的地理条件等有关。
列车诱导的流动能影响站台上旅客和铁路沿线职工的安全，两车交会时产生的压力变化与乘客的舒适度和安全性有关，在强横风中运行的列车产生的横风效应影响列车的运行安全性和乘坐舒适性，与列车高度及周长、周围环境如路堤、高架桥、隧道出口等有关。
二、列车行驶与空气阻力列车正常运行时，行驶阻力一般包括轮轨滚动阻力、空气阻力、坡道阻力和加速时的惯性阻力，在低速运行时，主要部分是轮轨阻力，但随着列车运行速度提高，空气阻力将增加，当列车速度超过200公里/小时后，其将成为列车运行阻力的主要部分。
列车运行时受到的空气阻力与速度的平方成正比，对于时速200公里以上的高速列车，空气阻力可以占列车行驶阻力的75%以上，设计者通常需要利用空气动力学原理，通过流线化车头、车身、车体附属部分来尽量减少空气阻力。
强横风下高速列车外风挡非定常气动载荷特性研究
强横风下高速列车外风挡非定常气动载荷特性研究史永达;徐晔;李雪亮;杨明智【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2024(55)5【摘要】随着列车服役时间的延长,在恶劣运营环境作用下,外风挡容易出现变形、龟裂等故障问题,危害行车安全。
为分析恶劣环境下外风挡的位移、应力及气动激励的变化规律,基于流固耦合振动理论,采用数值仿真方法,分析高速列车以速度250 km/h在不同横风风速环境下运行时,车端外风挡的气动性能和流固耦合特性。
研究结果表明:列车不同位置处的外风挡均在迎风侧的尾流区域产生最大位移和应力,且随横风风速的提高而增大。
当车速为250 km/h,横风风速为25 m/s时,外风挡的最大位移产生于Fd1-3截面,对应的位移为8.63 mm。
气动力频率方面,外风挡所受气动力的主频较为集中,不同位置的气动力主频均围绕一个固定值小幅波动。
在15、20和25 m/s横风风速下,外风挡所受气动力主频分别为5、15和19 Hz。
综合位移与气动激励情况,二者在整体趋势上有较好的对应关系,位移的响应会略微滞后于气动激励的响应。
【总页数】11页(P1782-1792)【作者】史永达;徐晔;李雪亮;杨明智【作者单位】中车青岛四方机车车辆股份有限公司国家工程技术研究中心国家工程实验室;中车青岛四方机车车辆股份有限公司技术中心;中南大学交通运输工程学院轨道交通安全教育部重点实验室【正文语种】中文【中图分类】U292.914【相关文献】1.基于大涡模拟的横风下高速列车非定常气动载荷特性2.高速列车横风作用下的非定常气动载荷计算模拟3.随机风作用下高速列车非定常气动载荷的计算方法4.二维随机风下高速列车非定常气动载荷研究5.随机风下高速列车非定常气动载荷特性因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
风沙环境下高速列车气动效应研究
风沙环境下高速列车气动效应研究摘要通过数值模拟，研究了不同风速、不同浓度、不同颗粒直径对相同速度下高速列车的空气动力学特性的影响，在相同风沙浓度、相同风沙粒径条件下，不同风速对火车的气动特性的影响。
研究发现，当风速和沙粒直径相同时，由于沙粒的密度和粒径的增大，会使列车的空气动力阻力有所提高，但对整个列车的空气动力性能没有明显的影响。
当风沙粒子的密度和粒径相同时，风沙粒子的增大会导致整个列车的空气动力阻力增大。
关键词：风沙环境；高速列车；气动效应引言铁路是全国综合交通系统的支柱，担负着重要的交通运输任务，可以说是国民经济的主干，在国民经济中发挥着不可替代的重要作用。
兰州一新疆线高铁于2014年建成，是我国西部铁路的一个典型例子，兰新铁路线穿越戈壁滩，风区铁路525公里，其中百里风区和三十里风区是典型的风沙环境。
近年来，据统计，有13起列车被刮翻现象，79起翻车事故，除此之外，列车数百次被迫停车，严重影响了乘客的人身安全和经济利益。
因此，在强风沙条件下，研究高速铁路的空气动力安全问题，降低其在强风沙条件下的经济损失是非常有意义的。
高速铁路具有高速度、轻、抗倾覆性能差等特点，与无风条件相比，在强风条件下，其气动性能的变化更为明显，在高速列车行驶中，必然会出现出站等加速运行的现象，而在环境风的作用下，高速列车的气动力、力矩等会产生很大的变化，从而对旅客的乘坐舒适性造成一定的影响，甚至会危及列车的安全。
目前，高速铁路的空气动力学问题，大多是通过风洞试验和数值仿真来实现的。
目前，我国对高速列车在大气中的运行安全性的研究大都是通过模拟计算的，这种方法首先对环境风下的高速列车进行动力分析，再将其引入高速列车的动力学模型中，从而得到高速列车的动态响应。
利用欧拉-拉格拉日法，对8编组高速列车在不同风沙浓度、风沙颗粒直径、风速条件下的气动力特性进行了分析，得到了风沙条件下高速列车的气动力特性。
1计算模型它的主要目的是计算沙土对火车的气动特性的影响作用，同时需要将气流与沙子的相互作用结合起来，因此是典型的多相流动中的气固两相流动类型。
最新 不同风向角和不同风速下高速列车空气动力特性研究-精品
不同风向角和不同风速下高速列车空气动力特性研究近年来,因侧向风导致的行车安全事故在世界各国时有发生,给人民生命财产造成严重威胁。
仅在中国的新疆地区就曾经发生过大风吹翻列车13次,总计翻车79辆的风环境事故。
因此,强侧风是影响列车高速运行安全性的重要因素之一。
目前在日本、德国、法国以及英国等国家,已开展了多项科研工作,其目的是研究侧风对列车运行状态的影响并提出应对策略。
按照我国的铁路发展规划,未来10年内国内将开行上千列时速为200～300km的高速动车组。
如果此时列车受到强侧风作用,那么列车出现脱轨、翻车和人员伤亡事故的可能性就会增加。
经实测,青藏线的五道梁至安多之间最大风速均大于30m/s,而在安多的最大风速达到38m/s ,年平均大风日数在100天以上,属于强侧风地区。
横风作用下列车外部流场的分析目前国内外比较通用的是合成风法，即将列车视为静止，外界自然风速度和列车运行速度的反向进行矢量合成(即合成风)。
本文应用FLUENT软件数值模拟方法。
采用该方法对车辆在不同横风速度及不同风向角下的气动性能进行了数值模拟计算研究，对高速列车气动力和行车安全性的影响进行分析。
在对火车模型简化的基础上（简化成车头、车身、车尾三段），我们把每一段细化成五小段，进行更精细的计算，得到更精细的结果。
由于列车的倾覆稳定性和车辆受到的气动升浮力、气动侧向力、气动侧偏力矩及气动侧倾力矩有关。
本文对此进行了计算分析。
以确保列车高速运行的安全性。
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1 物理模型及计算方法1.1 列车动力学模型普通旅客列车一般由十多辆客车组成，总长度达到几百米以上。
由于中间车辆截面形状不变，当气流流过车头一定距离后，绕流边界层的结构已经趋于稳定，车辆气动力变化也趋于稳定，因此，对列车模型进行如下简化:其一是列车长度缩短为三段(头车25米、车身25米和车尾25米)共75米，为了得到细致化的空气动力结果，找到使列车发生危险的精确受力位置。
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土木工程前沿动态 2012年第 3 期
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复杂风环境下风-列车-轨道-桥梁系统气动特性及耦合机理研究 刘德军*（土木学院） 1 风-列车-轨道-桥梁系统的特点 风-列车-轨道-桥梁系统是一个复杂的耦合系统，是由多刚体（机车车辆）、连续弹性体（钢轨）、离散体（枕木）、非规则碎散堆积体（道砟）、弹性体（桥梁）和土结构（基础）组成的混合结构系统，而且它要与流体（空气）相互作用，具有多体、多态的特征。该系统是在双重随机激励（轨道不平顺、脉动风）作用下的时变耦合振动系统。该系统涉及面广，包括桥梁动力学、空气动力学、车辆动力学、轨道动力学等，是多学科、多方向的交叉。
2 国内外研究现状及分析 风-列车-轨道-桥梁系统耦合振动涉及到四个子系统，根据不同的研究目的，所考虑的因素不同。目前国内外的研究主要体现在以下几个方面：列车-桥梁系统、列车-轨道系统、列车-轨道-桥梁系统、风-桥梁系统、风-列车系统。而风-列车-轨道-桥梁系统的研究相对较少。 2.1 列车-轨道-桥梁系统相互作用 列车通过桥梁时将引起桥梁结构的振动，而桥梁的振动又反过来影响车辆的振动，这种车辆与桥梁之间振动耦合的问题已进行了一百多年的研究。从早期的试验研究和稍后的经典理论研究，到近代较为完善的列车-桥梁系统动力学模型，列车-桥梁系统相互作用的研究取得了不少成就，文献《车辆与结构动车相互作用（第二版）》（夏禾，张楠）、《桥梁耦合振动研究的现状与发展趋势》（李小珍，强士中）系统综述了列车-桥梁系统耦合振动研究的现状与进展。 与列车-桥梁系统相互作用问题相比，列车-轨道系统动力相互作用是铁路轮轨系统中更为普遍和基本的动力学问题。1867年Winkler提出的弹性地基梁理论成为建立轨道力学分析模型的基础，直到20世纪70年代初英国Derby铁路技术研究中心开展的轨道接头处轮轨动作用力试验与理论研究，车辆与轨道相互作用的研究才得到了较大的发展。此后，在列车-轨道系统动力相互作用研究中，轨道结构模型经历了集总参数模型、连续弹性基础梁模型、连续弹性离散点支承梁模型、不考虑轨下结构振动的单层模型、考虑轨道结构振动的多层模型等演变过程。经过最近20年左右的研究，车辆-轨道耦合动力学理论已渐趋完善，已成为机车车辆与轨道动态相互作用研究的基本方法。 车辆-轨道耦合动力学的研究成果推动了列车-桥梁系统耦合振动研究向列车-轨道-桥梁系统耦合振动研究的转变。国内外学者采用不同的模型对列车-轨道-桥梁系统耦合振动进行了相当的研究，《风－列车－线路—桥梁系统耦合振动研究》（刘德军）较详细地回顾了列车-轨道-桥梁系统耦合振动研究的历史与现状。总体来说，列车-轨道-桥梁系统动力学模型已发展到较为完善，可以详细考虑列车、轨道和桥梁各子结构参振，并可考虑车辆悬挂的非线性特性、轮轨接触几何非线性、蠕滑非线性等因素。
*作者简介：刘德军，男，讲师。 土木工程前沿动态 2012年第 3 期
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2.2 风-桥梁系统相互作用 1940年11月7日，美国华盛顿州建成仅四个月的塔科马悬索桥在风速不到20 m/s情况下出现强烈的风致振动而发生破坏，这一事故震惊了当时的土木工程界，从而开辟了桥梁工程界考虑空气动力问题的新纪元。随后，桥梁风致振动问题成为了桥梁工程界和风工程领域中的研究重点。桥梁风致振动问题取决于近地风特性、桥梁结构动力特性及风、桥之间的相互作用。对桥梁风致振动问题的研究大体上可分为三个阶段。风-桥梁系统相互作用的分析方法可分为频域和时域两种。受计算手段的限制，在20世纪90年代以前，采用频域分析方法的较多，随着计算机软硬件技术的发展，时域分析方法逐渐成为新的研究热点。项海帆、陈政清、A.G.Davenport和C.J.Baker较详细地回顾了国内外桥梁风工程的历史与现状。 2.3 风-列车系统相互作用 高速列车沿轨道运行时，扰动的空气使列车表面压力分布剧烈变化，特别是当列车交会或列车在隧道、挡风屏中运行时，列车与空气的动力相互作用更加显著，对列车运行的安全性、稳定性和舒适性产生较大的影响。在强横风环境下，列车空气动力性能更加恶化，在一些特殊的风环境，如特大桥、山区桥梁、路堤等，列车的绕流流场改变更为突出，横向气动力和力矩对列车的安全运行影响很大，由横风导致的列车脱轨事故在中国、日本、比利时、意大利、瑞士等地均有发生。为此，各国学者对强风环境下列车气动特性、列车空气动力性能、列车运行安全性等作了较深入的研究。C.J.Baker对铁路及公路车辆的气动特性研究进行了较全面的总结。国外有关列车空气动力学的研究方法和成果，对我国列车空气动力学的研究与应用有着直接的指导和借鉴意义。田红旗、贺德馨分别总结了各自有关明线空气动力学的研究成果与应用，梅元贵、周朝晖、许建林对高速列车通过隧道过程中产生的空气动力学问题进行了较深入的研究。 当列车运行于桥梁上时，风对列车的气动力将受到桥梁的影响，其气动特性也随之变化。葛玉梅、李永乐较早对考虑车桥系统相互影响的车辆和桥梁各自的气动特性进行了风洞试验。随后，李永乐、张明金设计了一套移动车辆模型试验系统，模拟运动车辆在桥梁上运行时的横风效应，取得了一定的结果，但未对头车和尾车的气动特性进行测试和分析。 随着计算机性能的提高和相关计算理论的完善，CFD数值模拟也越来越受到人们的重视，比起模型风洞试验和实车测量，计算机模拟的花费较小，不受试验条件的限制，较容易实现，因此近期得到了很大的发展。常用的方法主要有有限差分法、有限元法、有限体积法和涡方法。M.Suzuki对在高路堤和桥梁上运行的高速列车外流场进行了数值模拟，表明高路堤和桥梁对列车的安全性不利。祝志文，陈政清采用ANSYS的FLOTRAN模块对横风作用下铁路简支梁体和车辆间的二维绕流特性进行了研究。梁习锋等采用二维模型研究了不同外形车辆在路堤上的横风效应。黄林采用大型流体计算商业软件Fluent软件，对横风作用下ICE在桥上运行的气动特性进行了三维绕流分析。岳澄、韩艳采用通用软件CFX对车桥系统的气动特性进行了对比分析，研究表明对于车桥系统应该考虑车桥之间的相互影响。 车桥系统的气动特性是风-列车-轨道-桥梁系统耦合振动研究的基础，所以准确得到车辆和桥梁的气动系数就显得尤其重要。综上所述，采用模型风洞实验和基于CFD的数值仿真分析是车辆空气动力学研究的二种重要手段，两者各具优缺点，具有互补性。 2.4 风-列车-轨道-桥梁系统相互作用 日本的西冈隆最早以模型试验的手段研究了横风对车桥耦合振动的影响，其采用轨道振动加速度来模拟桥梁的振动，用倾斜轨道上的偏心外力来模拟作用于车辆上的风荷载。G.Diana在土木工程前沿动态 2012年第 3 期
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研究大跨度铁路桥梁的动力耦合作用时，将风荷载作为外部荷载分别作用在车辆和桥梁的动力平衡方程的右端项中，但仅考虑车辆所受的横向平均风压。 国内夏禾，陈英俊最早对横风作用下的车桥系统进行了研究。随后，郭向荣、葛玉梅、李永乐、徐幼麟、郭薇薇、凌知民、王小松根据提出的风-列车-桥梁系统动力分析框架，采用数值方法对车辆和桥梁的动力响应进行了研究。另外，徐幼麟，丁泉顺提出了风-列车-轨道系统动力分析框架，较为完善地考虑了轨道结构的参振作用。 整体上，风-列车-桥梁系统相互作用动力学模型相差不大，差别主要体现在风荷载考虑是否全面、是否考虑或考虑完善车辆和桥梁间相互的气动影响。事实上，风、列车、轨道和桥梁四者之间是一个相互影响、相互作用的整体，除了把四者作为一个大系统来研究，漏掉任何一个因素都是不全面的，但将风、列车、轨道和桥梁四个因素作为一个大系统的研究还很少见。刘德军基于系统工程的思想，建立了风-列车-轨道-桥梁系统耦合动力学模型。该模型详细考虑了列车悬挂系统的各种非线性因素，并针对典型的有碴轨道结构和无碴轨道结构建立了相应的轨道动力模型，引入了动态轮轨耦合模型，摒弃了传统求解轮轨接触关系中轮轨始终接触和轮轨刚性的假设；该模型较详细地考虑了车辆位置对桥梁和车辆间相互的气动影响。
3 风-列车-轨道-桥梁系统研究面临的问题 风-列车-轨道-桥梁系统，是一个复杂的多体、多态耦合系统。风-列车-轨道-桥梁系统的耦合振动研究，涉及面广，包括桥梁动力学、空气动力学、车辆动力学、轨道动力学等，是多学科、多方向的交叉。目前，国内外对风-列车-轨道-桥梁系统耦合振动的研究还相当少，在很多方面的研究还不完善，以下问题亟待解决： 3.1 风-列车-轨道-桥梁系统动力学理论 列车-桥梁系统耦合振动的研究大都以桥梁为主体，研究列车过桥时的车桥振动及由此引发的动力安全可靠性问题，主要关心低频振动，因此采用了一些简化与假设。如：未考虑（或简单考虑）轨道结构的参振影响；普遍采用车轮位移与桥梁位移始终相等的假设。现代铁路列车速度的不断提高及不同轨道结构的广泛采用，使得车辆与桥上轨道结构之间的动态相互作用日益加剧，车轮悬浮（轮轨瞬时脱离）、轨距动态扩大等现象使桥上轮轨关系日趋复杂化。轨道结构的振动频率较高，虽然对桥梁和车体的影响不大，但对轮轨相互作用力的高频成分影响很大，从而对脱轨系数和轮重减载率两个车辆安全性指标产生直接的影响。因此，需要考虑轨道结构的参振作用，以期得到更为科学、可靠的评价结果。 事实上，风、列车、轨道和桥梁四者之间是一个相互影响、相互作用的整体，除了把四者作为一个大系统来研究，漏掉任何一个因素都是不全面的，风-列车-轨道-桥梁系统动力学理论的研究还处于初步阶段。 3.2 风-列车-轨道-桥梁系统的气动特性 列车和桥梁间相互影响的气动特性是风-列车-轨道-桥梁系统研究的基础，受试验技术及设备等方面的限制，这方面的研究开展得较少。在既有风-列车-桥梁系统耦合振动的研究中，对车桥系统间的气动特性往往进行了较多的简化。要不完全不考虑列车和桥梁间相互的气动影响；要不考虑列车和桥梁间相互的气动影响但不考虑列车运行速度的影响；要不忽略头车和尾车效应采用余弦法则考虑列车速度影响而不考虑运动列车与静止桥梁间的动静干涉效应，要不考虑列车运动但不考虑列车每时刻振动状态对车桥系统气动特性的影响。