高速列车非定常气动力特性研究

高速铁路已成为我国铁路运输发展的主流。列车高速运行时，由于地面效应、隧道壁面效应、两车交会作用、车头车尾曲面变化，列车底部、侧面、车尾部会形成一系列的复杂分离流动、旋涡脱落等非定常效应，产生的非定常气动力是阻碍列车高速运行和影响列车运行安全的主要因素之一。详细了解高速列车各种工况下的非定常气动力特性具有重要的理论意义和良好的工程应用前景。本项目拟研究的主要内容为：(1)数值模拟单车平直运行和横侧风下运行，得到车头底部旋涡和背风面侧车身的多旋涡系和尾涡的结构及其非定常气动力的特性；(2)数值模拟高速列车两车明线会车和横侧风下会车运动，得到会车过程中两车会车侧旋涡的脱落和侧风上游列车多旋涡系对下游车的影响等非定常效应和非定常气动力；(3)数值模拟高速列车进出隧道和隧道内交会运动，得到列车进出隧道和交会过程中流场的非定常成分和列车与隧道壁面间旋涡脱落特征；(4)通过风洞实验检验数值计算的结果。

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（LES）湍流模型和有限体积法，利用流体计算软件FLUENT，采用动网格方法对CRH2动车组在单车有无侧风直行，明线有无侧风会车以及隧道内行车和会车等空气动力特性进行了动态数值模拟研究。.计算模拟了列车运行，得到了列车直行时列车底部旋涡脱落的频率范围。动态模拟了侧风环境下列车运行，研究了不同风速和车速对列车的横向稳定性的影响，得到了列车背风面的多旋涡涡系结构、旋涡脱落以及非定常气动频率特性。.通过对明线等速会车的动态模拟，研究不同车速对两车压力波和列车横向稳定性的影响，得到了会车过程中流场的变化特点，发现了空间和车身上不同监测点压强的脉动变化及气动频率的变化规律。.对侧风下明线等速会车的动态模拟，得到了侧风上游列车多涡系对下游列车气动力的影响，也得到下游车对上游列车气动力的影响，并与无侧风会车相比较。.计算了单车通过隧道时的气动特性，得到了压力波在隧道的传播和反射对列车的影响。对长隧道内等速会车进行了动态模拟，研究了车速对两车压力波和列车横向稳定性的影响，得到了整个会车过程中流场的变化特征，空间和车身上不同测量点压力的脉动变化及气动频率的变化规律。同时与明线会车进行比较，得到了两者的差别。