侧风下CRH2列车—简支梁桥风洞模型设计及数值模拟研究

摘要

本文得到国家自然科学基金项目“强风环境下高速铁路车-桥系统气动特性和抗倾覆性能风洞试验研究(51178471)”的资助。在此资助下，以CRH系列列车和32m简支梁体系为研究对象，借助CFD数值模拟软件Fluent6.3.26强大的流体分析功能，研究了高速列车与桥梁（有、无风障）之间的相互气动特性，并根据车桥周围流场的压强分布以及流线图的变化规律等比较详尽的分析了列车气动力系数和桥梁气动力系数变化的原因;同时针对中南大学风洞试验室的具体条件设计了一套移动车辆模型装置。各章主要内容归纳如下:
　　第一章:阐述了本文研究背景及意义，简要回顾了国内、外针对车-桥系统横风作用下的气动性能研究方法及研究现状，指出其中不足、不全面之处;
　　第二章:简要介绍了中南大学风洞试验室;研制了一套缩尺比为1∶25的32m预应力混凝土简支箱梁和CRH2型列车模型（2车厢）。为了实现列车的移动，开发一套U形列车加速系统，能实现列车和桥梁的同步测试。通过挂钩连接可以较方便地实现不同高度的自动提升和下滑，实现不同列车速度、车辆与桥梁的相对位置以及列车交会等从而实现多种工况的研究。目前正在完善测试方案进行相关实验研究;
　　第三章:首先介绍了湍流流体的基本控制方程，并在数学模型上为本文模型作了假定;然后介绍了车-桥几何模型的缩尺比(1∶25)及各部分的简化、不同编组车-桥模型组合、计算域的确定、网格划分及边界条件设置;最后对不同阻塞率模型气动力系数进行对比;
　　第四章:由于简支梁桥墩间距小，对车-桥-墩之间的相互影响作了深入研究;按照风洞试验室的条件模拟了不同风速，不同风偏角，列车在桥上不同横向位置等工况各气动力系数的变化规律;选取不同湍流强度，分析了湍流强度对气动力系数的影响;对比了CRH系列高速列车在不同风偏角下的气动力系数变化规律;分析了单列车在桥上不同纵向位置对桥梁气动力系数的影响;分析了列车交会时各气动力系数的变化规律。为研究列车走行的安全性和舒适性提供一定的理论依据;
　　第五章:针对不同高度和透风率的风障展开研究，为桥梁和列车选取了合适的风障结构，并在此风障下采用合成风对不同风速和不同车速下列车气动力变化规律进行了讨论，为列车倾覆性研究提供宝贵的理论基础;
　　第六章:结语，总结本文所做的研究以及理论分析结果，探讨该研究工作存在的不足，对风-车-桥系统未来的研究做出展望。
　　1.5本章小结
　　本章说明了课题研究的背景及意义;介绍了本课题的一般研究方法，并说明各自的优、缺点;介绍了国内外研究现状，分析了其中的精华与欠缺;最后介绍了本文研究所用方法以及各章节设计的研究内容。

目录

声明

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 研究方法简介

1．2．1 现场试验

1．2．2 风洞试验

1．2．3 数值模拟

1．3 车-桥系统气动性能国内外研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 本文研究内容和方法

1．5 本章小结

2 风洞试验模型系统设计

2．1 风洞简介

2．1．1 风洞的基本类型

2．1．2 低速风洞的类型及主要构成部件

2．1．3 中南大学风洞试验室简介

2．2 风洞试验基本原理

2．3 移动列车模型及测试系统设计

2．3．1 设计目的及意义

2．3．2 考虑事项

2．3．3 总体介绍

2．3．4 车-桥模型

2．3．5 运动系统

2．3．6 测试内容厦测试系统方案

2．4 本章小结

3 高速列车-桥梁数值计算模型建立

3．1 基本控制方程

3．1．1 质量守恒方程

3．1．2 动量守恒方程

3．1．3 湍流模型

3．2 几何模型

3．2．1 列车模型

3．2．2 桥梁模型

3．2．3 风障形式

3．2．4 模型组合

3．3 计算区域、网格划分及边界条件

3．3．1 计算区域

3．3．2 网格划分

3．3．3 边界条件

3．4 列车和桥梁受力分析

3．4．1 列车六分力系数

3．4．2 桥梁三分力系数

3．5 堵塞率的影响计算

3．6 本章小结

4 无风障车-桥系统气动性能研究

4．1 车-梁-墩相互影响

4．1．1 车-墩的存在对主梁的影响

4．1．2 梁-墩的存在对列车的影响

4．2 风速对车-桥系统气动性能影响研究

4．2．1 迎风侧风速对车-桥气动性能影响

4．2．2 背风侧风速对车-桥气动性能影响

4．3 湍流度对车-桥系统气动性能影响研究

4．4 风偏角对车-桥系统气动性能影响研究

4．4．1 迎风侧不同风偏角对列车和桥梁气动性能的影响

4．4．2 背风侧不同风偏角对列车和桥梁气动性能的影响

4．4．3 不同型号列车与桥梁组合系统的对比

4．5 列车不同纵向位置对车-桥系统气动性能影响研究

4．5．1 “3b2c”模型与“3b3c”模型的对比

4．5．2 列车不同纵向位置对桥梁气动性能影响研究

4．5．3 列车交会对车-桥系统气动性能影响研究

4．6 本章小结

5 风障设置对车-桥系统气动效应及列车倾覆性能影响研究

5．1 雷诺数的影响

5．2 风障选取原则

5．3 风障对桥梁气动性能的影响

5．3．1 列车对有风障桥梁气动性能的影响

5．3．2 风障高度和透风率对桥梁气动性能的影响

5．4 风障对列车气动性能的影响

5．4．1 计算工况及结果整理

5．4．2 等价透风率对列车气动性能的影响

5．4．3 风障高度和透风率对列车气动性能能的影响

5．5 不同风偏角对列车气动性能的影响

5．6 列车运行安全性分析

5．6．1 列车倾覆稳定性标准

5．6．2 数学计算模型

5．6．3 不同速度列车安全性评估

5．7 本章小结

6 结论与展望

6．1 本文工作与结论

6．2 今后展望

参考文献

攻读学位期间主要的研究成果

致谢