突風作用下列車周圍流場演化及列車運行失穩機理研究

《突風作用下列車周圍流場演化及列車運行失穩機理研究》是依託長沙理工大學，由苗秀娟擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：突風作用下列車周圍流場演化及列車運行失穩機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：苗秀娟
• 依託單位：長沙理工大學

項目摘要

風致列車傾覆導致的人員傷亡觸目驚心，調查認為大部分是發生在突風階段。突風影響下高速列車實際感受到的風速急劇波動、車身周圍流場湍流度突增、誘發的氣動荷載的大幅跳動，與車輛在穩定橫風環境中運行時有本質不同。同時高速列車車體較輕，抗傾覆的能力較弱。迫切需要從列車運行與突風耦合作用著手研究列車失穩機理。本項目擬採用風洞試驗、動模型試驗、湍流流場數值仿真研究列車運行引起的列車風與環境變化導致的環境突風風場之間的聯合作用機制，得到車輛承受氣動荷載的特徵規律。採用理論分析方法，根據車輛運行位置及速度，將地域突風轉化為時域突風，建立歸一化入口突風模型庫。根據得到的突變氣動荷載建立車輛系統動力學模型，分析氣動荷載大幅波動與車輛系統動力學性能及行為演化趨勢之間的相關性，得到突風下車輛系統失穩機理。最後提出減少突風危害的列車周圍流場控制方法，減少事故的發生。

結題摘要

在瞬態風荷載及輪軌激勵同時作用下，列車會產生複雜的受迫振動，嚴重時可導致脫軌或傾覆。因此研究車輛在瞬態風荷載下的動力學性能，找出瞬態風荷載對車輛系統振動的影響，並提出針對性的限速方案，對預防大風下的行車事故，確保運行安全具有重要的工程套用價值。建立了從測風站選取、風速數據處理、列車瞬態風荷載計算、列車動態動力學性能分析，到工程限速制定的瞬態風荷載下列車運行安全性研究的方法。根據現場實測風場數據的處理，得到風場風速剖面；採用DES數值模擬方法，結合實測風場風速剖面計算了列車在瞬態風荷載下的氣動性能；根據運動物體的風譜計算了列車在不同運行情況下受到的瞬態風荷載；結合列車空氣動力學和列車系統動力學，建立了車輛在瞬態風荷載和輪軌激勵下的動力學模型，得到了車輛的脫軌係數和輪重減載率等，提出了列車在不同運行條件下的限速準則。 採用數值模擬計算及理論推導的方法得到了平穩風下車輛受到的瞬態脈動風荷載，採用數值模擬計算的方法得到了列車出隧道遭遇橫風時的氣動性能。研究結果表明，頭車受到的風荷載最大，尾車次之，中間車最小。研究了列車出隧道遭遇橫風時的瞬態氣動性能，結果表明，列車剛出隧道時，受到的氣動側向力、升力，以及側滾力矩、俯仰力矩和偏轉力矩都會發生突變，個別甚至呈現類似正弦波的較大幅值波動，之後氣動力變化趨於平穩。研究了瞬態波動風荷載及輪軌激勵下車輛的動力學性能，得到了車輛在瞬態風荷載下的動態回響及軌道線路橫向穩定性係數。研究成果表明：隨著車速的提高，車輛受到輪軌激勵的影響急劇增大；在瞬態突變風荷載作用下車輛的動力學性能也會發生突變，尤其是出隧道遭遇橫風時，車輛更容易發生傾覆；同時研究了側滾力矩、俯仰力矩和偏轉力矩對車輛動力學性能的影響，研究結果表明：偏轉力矩和俯仰力矩對車輛的脫軌係數和輪重減載率影響較小，車輛的動力學性能基本上僅受到側向力、升力及側滾力矩的影響。 計算了瞬態風荷載作用下，當車速和風速不同時，列車分別在直線、曲線上運行的動力學性能，提出了列車在明線上運行及出隧道口時的工程限速方案，可直接用於指導列車在大風下的安全運行。