高速列车隧道内会车时气动效应及其对车体与侧窗影响

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高速列车在短隧道内会车时,由于隧道壁面限制和隧道口效应的影响,两车在隧道内交会时的气动变化相比明线会车更加复杂和剧烈。过大的气动冲击会造成列车刚体结构的破坏、列车脱轨、侧窗碎裂等严重威胁列车安全运行的情况。因此,对高速列车隧道内会车气动特性的研究十分必要。本文以数值模拟为主要的研究手段,基于三维非定常可压缩Navier-Stokes方程及标准的k-ε湍流模型,采用有限体积法对高速列车隧道内交会时流场进行了全面分析。通过对多工况的模拟计算,研究了列车交会速度、隧道长度、隧道净空断面积、交会位置、缓冲结构等影响因素对高速列车在隧道内交会过程车体表面压力、气动力变化。对各工况下会车压力波对侧窗的影响进行了细致研究,得出了列车表面压力、气动力以及会车压力波与各影响因素之间的关系。研究结果表明,高速列车在隧道内会车过程中出现强烈的压力波动,车体表面不同位置的压力具有相同的变化趋势。头车鼻尖处的压力变化最大,沿车头至车尾方向压力变化逐渐递减,且列车侧壁主要受负压的影响,当侧窗发生破坏时玻璃碎片将会被吸出。在非交会时刻,列车两侧的的压力基本相同,而交会过程中交会侧压力变化大于非交会侧压力变化,其中头车交会侧侧窗位置受到的负压绝对值最大。研究还表明,列车空气阻力的变化与列车表面的压力变化有着相同的变化趋势,且变化幅度也比较接近,而侧向力与升力的变化主要由列车运行速度决定与其他因素关系不大。列车通过隧道过程中受到较大的空气阻力与侧向力的影响,而升力的变化相对较小。列车在隧道中点会车时的压力波动最为剧烈,列车在500m长隧道中点会车时的最大空气阻力较明线会车提高了248%。动车组中各节列车所受到的气动力变化并不相同,其中头车所受的气动力变化最大,尾车次之,中间车最小。缓冲结构能大幅度的降低列车的表面压力与空气阻力变化,但对会车压力波幅值的影响很小。影响侧窗安全的主要因素为侧窗所受到的压力极值与压力变化率。
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