隧道出口横风作用下高速列车气动特性研究

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川藏铁路具有海拔落差大、桥隧占比高、隧道群密集、峡谷风频繁等特点,由此造成川藏铁路列车需频繁地通过各种长大隧道,不可避免地面临在横风环境下驶出隧道的情况。列车高速驶出隧道过程中受到的气动力非常复杂,而如果此时遭遇到横风的话,其所受到的气动载荷将更加恶劣。在如此复杂的气动载荷作用下,列车车辆的动力学性能将急剧恶化,列车运行安全性将受到严重的影响。一旦高速列车出隧道时遭遇强风而发生倾覆脱轨等事故,其带来的损失将无法估量。因此,在川藏铁路等艰险山区铁路大规模建设的背景下,非常有必要对高速列车驶出隧道过程的空气动力学问题进行深入研究。本文以某型高速列车为研究对象,基于空气动力学基本理论,建立高速列车气动力的瞬态计算模型;利用流体分析软件FLUENT开展空气动力学仿真计算,研究复杂横风环境下隧道出口处高速列车瞬态气动力特性。主要研究工作包括:(1)介绍了我国高速铁路发展历程和列车空气动力学的研究现状,结合川藏铁路研究背景,说明了开展横风环境下隧道出口处列车气动特性计算的意义。(2)基于空气动力学基本理论,建立了横风环境下隧道出口处高速列车瞬态气动力特性的计算模型。(3)研究了高速列车在横风状态下出隧道时的气动特性,得出列车表面压力分布、流场特性以及气动载荷与横风风速和风向角的关系。(4)研究了特定风速下列车出隧道时头车、中间车和尾车气动力特性,对比分析了高速列车在不同车速下出隧道时的列车表面压力分布、流场特性及气动力特性。(5)以列车通过川藏铁路典型区段隧道截面为例,研究复杂高原气象条件对横风环境下隧道出口处高速列车瞬态气动力特性的影响规律。研究结果表明,高速列车在驶出隧道受到横风作用时,随着风速增大,列车气动力随之增大;不同风向角下列车气动力变化趋势不同,列车在90°风向角下所受气动力最大;列车气动力随车速增大而增大,不同车速下列车气动力变化趋势基本相同;高速列车中不同位置车辆的气动力特性不同,头车所受气动力幅值最大,中间车气动力幅值最小,头车的气动安全性最差;高原气象条件对列车气动力有很大影响,海拔越高,气压越低,列车所受气动力也越低。
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