擋風(fēng)墻的疏透度對列車運(yùn)行安全的影響研究

1、第 PAGE15 頁 共 NUMPAGES15 頁擋風(fēng)墻的疏透度對列車運(yùn)行安全的影響研究以下是一篇關(guān)于擋風(fēng)墻的疏透度對列車運(yùn)行安全的影響研究的畢業(yè)論文開題報(bào)告，歡迎瀏覽！摘 要：隨著列車速度的不斷提高，列車與空氣之間的相互作用變得更加強(qiáng)烈。強(qiáng)側(cè)風(fēng)對高速列車所產(chǎn)生的強(qiáng)大的氣動力將影響列車的安全運(yùn)行，對于高速列車在強(qiáng)風(fēng)用作下的氣動力特性的研究變得越來越重要。本文借助大型流體計(jì)算軟件FLUENT，對側(cè)風(fēng)作用下高速列車的氣動特性和外部流場進(jìn)行了數(shù)值分析p 研究。通過對模擬計(jì)算結(jié)果的理論分析p ，本文闡述了列車表面壓力在風(fēng)場中分布的原理，得到了強(qiáng)風(fēng)作用時(shí)，側(cè)向力、側(cè)傾力矩、側(cè)偏力矩等重要參數(shù)的變化規(guī)律。

2、而且在來風(fēng)一側(cè)增建擋風(fēng)墻，并得到各種疏透度擋風(fēng)墻防護(hù)下的列車氣動力性能，以及列車重要參數(shù)隨擋風(fēng)墻疏透度的變化規(guī)律。并通過優(yōu)化分析p 提出了對列車防護(hù)效果最好的擋風(fēng)墻方案。本文對高速列車防風(fēng)安全工程提供了新的思路，為擋風(fēng)墻的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，具有較大的應(yīng)用價(jià)值?！娟P(guān)鍵詞】：p ：高速列車；安全性；側(cè)風(fēng)；數(shù)值模擬；側(cè)傾力矩；擋風(fēng)墻；疏透度近年來,因側(cè)向風(fēng)導(dǎo)致的行車安全事故在世界各國時(shí)有發(fā)生,給人民生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅。僅在中國的地區(qū)就曾經(jīng)發(fā)生過大風(fēng)吹翻列車13 次,總計(jì)翻車79 輛的風(fēng)環(huán)境事故。在大風(fēng)段鐵路迎風(fēng)側(cè)修建擋風(fēng)墻對列車安全運(yùn)行有很好的防護(hù)效果。本文中借助計(jì)算流體軟件FLUENT 作

3、為研究工具，針對不同疏透度的擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)，對側(cè)風(fēng)環(huán)境中高速列車在有擋風(fēng)墻保護(hù)下的空氣動力特性進(jìn)行研究。希望能通過對問題進(jìn)行的模擬研究，為高速列車處于特殊環(huán)境下安全運(yùn)行提供依據(jù)，為改造高速列車的擋風(fēng)墻積累數(shù)據(jù)，并為相關(guān)科研問題的試驗(yàn)研究指引方向。1 物理模型及計(jì)算方法1.1 列車動力學(xué)模型一列完整的列車由機(jī)車和許多節(jié)車輛組成，長度較長。本文將采用三節(jié)車的模型進(jìn)行模擬，即整個(gè)列車模型由一節(jié)頭車、一節(jié)中間車和一節(jié)尾車組成。頭車和尾車具有一樣的外形，本文列車模型由頭車(25m)+中間車(25m)+尾車 (25m)組成，列車長、寬、高分別為75m、3.2m、3.2m。為了分析p 出高速列車中容易發(fā)生危險(xiǎn)的

4、部位，我們有針對的把頭車、中間車、尾車每大節(jié)都分成5 小節(jié)。每小節(jié)5m。共15 小節(jié)。進(jìn)行細(xì)致化的分析p 可以得到細(xì)致化的結(jié)果。由于離車頭一定距離以后，列車中部的流場結(jié)構(gòu)基本保持穩(wěn)定，所以，縮短成三節(jié)的列車模型和完整列車模型相比，其流場的基本特征變化不大。這是目前國內(nèi)外處理高速列車問題的常用簡化手段。為了研究擋風(fēng)墻對高速鐵路的防風(fēng)效果，采用了使用最為廣泛的2.5m 高度，1m 寬度的L 型板式擋風(fēng)墻，擋風(fēng)墻在來風(fēng)一側(cè)，擋風(fēng)墻距離兩軌中心為3.5m。沿軌道方向擋風(fēng)墻形狀、高度和位置均一致。再把擋風(fēng)墻每隔5m 留出來一個(gè)縫隙。通過改變縫隙的大小來控制擋風(fēng)墻的疏透度。通過模擬計(jì)算找到最佳的疏透度，使

5、列車運(yùn)行最安全。1.2 計(jì)算區(qū)域本論文所選取的計(jì)算區(qū)域?yàn)椋毫熊嚽安烤嘤?jì)算區(qū)域長度達(dá)到125m，列車尾部距計(jì)算區(qū)域長度達(dá)到250m。區(qū)域總長450m（z 方向）。列車上部距計(jì)算區(qū)域高度達(dá)到30m，路堤高度為2m,列車底部與路堤之間狹縫為0.2m。區(qū)域總高度35.4m（y 方向）。列車兩側(cè)計(jì)算區(qū)域?qū)挾榷紴?0m。區(qū)域?qū)挾葹?3.2m（x 方向）。此時(shí)，列車和周圍流場基本達(dá)到充分發(fā)展，計(jì)算區(qū)域更大時(shí)，計(jì)算結(jié)果改變很小。1.3 計(jì)算網(wǎng)格網(wǎng)格的劃分既要考慮到模擬計(jì)算收斂的時(shí)間、計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的限制，又要充分考慮高速列車在擋風(fēng)墻保護(hù)下強(qiáng)風(fēng)環(huán)境中外流場特性模擬的準(zhǔn)確性，根據(jù)高速列車在強(qiáng)風(fēng)作用下外流場的特點(diǎn)，

6、列車與擋風(fēng)墻之間的空氣流場變化最為劇烈，這個(gè)區(qū)域和列車周圍的區(qū)域和擋風(fēng)墻周圍區(qū)域是本次模擬研究主要關(guān)注的區(qū)域，因此這三個(gè)區(qū)域的網(wǎng)格要求最為嚴(yán)格。離列車稍遠(yuǎn)的區(qū)域，列車運(yùn)動對這個(gè)區(qū)域空氣流場的影響趨于平穩(wěn)，因此網(wǎng)格的尺寸可以適當(dāng)?shù)姆糯?。根?jù)離列車越遠(yuǎn)流場就越平穩(wěn)的原則，網(wǎng)格的尺寸應(yīng)該隨與列車距離的增大而逐漸增大。這種由密逐漸變疏的計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格可以使得模擬計(jì)算在列車附近真實(shí)反映空氣動力特性，又嚴(yán)格的控制了網(wǎng)格的數(shù)量，從而減少了對計(jì)算機(jī)資的占用，縮短了計(jì)算時(shí)間，提高了計(jì)算效率。根據(jù)以上原則，對列車與擋風(fēng)墻周圍流場區(qū)域，單元線長度為0.25m，從靠近列車側(cè)向外側(cè)發(fā)散區(qū)域的單元線長度從0.25m 擴(kuò)大至

7、1m，直至模型最外側(cè)，單元線長度擴(kuò)大至4m。整個(gè)計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)約100 萬。1.4 數(shù)學(xué)模型高速列車和外流場中流體簡化為黏性、不可壓縮、定常、絕熱流體，對應(yīng)的時(shí)均方程組包括：連續(xù)性方程、動量方程、k 方程、e 方程，這6 個(gè)方程和一系列壁面函數(shù)就構(gòu)成了本次模擬計(jì)算完整的數(shù)學(xué)模型。1.5 邊界條件模擬計(jì)算中，設(shè)定列車是靜止不動的，入口風(fēng)速采用合成風(fēng)。合成風(fēng)是列車速度與風(fēng)速矢量的疊加。由于在不同風(fēng)向角下，相同車速和風(fēng)速的合成速度并不相同，即車輛受到的氣動力不僅與列車運(yùn)行速度、環(huán)境風(fēng)速度有關(guān)，還與環(huán)境風(fēng)的風(fēng)向角有關(guān)。側(cè)風(fēng)與火車運(yùn)行方向之間的風(fēng)向角 分別取0，15，30，45，60，75，90，10

8、5，120，135，150，165，180。外來風(fēng)速分別取10m/s，20 m/s，30 m/s 和40 m/s 四種情況。40m/s 的風(fēng)速基本達(dá)到自然風(fēng)速的最大值。列車運(yùn)行速度選定為75 m/s（270 公里每小時(shí)）。邊界條件設(shè)定為：1：入口邊界條件：列車和側(cè)風(fēng)合成速度人口；2：出口邊界條件：自由出流；3：列車表面邊界條件：固體壁面邊界；4：地面與擋風(fēng)墻邊界條件：相對列車的速度為反方向的列車運(yùn)行速度。2 計(jì)算結(jié)果分析p 為便于分析p 列車受氣動力作用后的偏轉(zhuǎn)趨勢，對列車氣動力和氣動力矩在直角坐標(biāo)系中進(jìn)行分解，從頭車指向尾車方向?yàn)閦 方向，豎直向上的從地面指向天空的方向?yàn)閥 方向，水平面上與

9、列車運(yùn)行方向垂直的方向?yàn)閤 方向。形成x 方向側(cè)向力、y 方向升浮力、z 方向阻力。為了研究側(cè)風(fēng)對列車傾覆危險(xiǎn)性的影響，對列車細(xì)分成的15 個(gè)小節(jié)的每一小節(jié)，都以背風(fēng)側(cè)鋼軌的中點(diǎn)為原點(diǎn)，對列車的每一小節(jié)以各自的原點(diǎn)分別取矩。得到對x 軸的仰俯力矩、對y 軸的側(cè)偏力矩、對z 軸的側(cè)傾力矩。x 方向側(cè)向力是影響列車運(yùn)行安全的重要因素。該力越大，列車側(cè)向危險(xiǎn)性越大。y 方向升浮力是影響列車穩(wěn)定性的重要因素，該力越大，列車漂浮感越大，穩(wěn)定性越小。z 方向阻力對列車運(yùn)行安全影響較小。x 軸的仰俯力矩對列車的影響較小，因?yàn)榱熊囍亓^大，通過仰頭翻的可能性較小。y 軸的側(cè)偏力矩對列車稍有影響，它會導(dǎo)致列車因

10、為扭頭出軌發(fā)生危險(xiǎn)。z 軸的側(cè)傾力矩對列車影響最大。側(cè)傾力矩過大直接導(dǎo)致列車翻車。為了避免側(cè)傾力矩過大造成危險(xiǎn)。應(yīng)該對該項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行重點(diǎn)分析p 。首先我們分析p 無擋風(fēng)墻時(shí)的列車氣動力情況。車速保持75m/s（即270 公里每小時(shí)的高速列車）不變。在風(fēng)速為40m/s 時(shí)，列車受到的z 軸的側(cè)傾力矩。當(dāng)風(fēng)向角確定時(shí)，側(cè)傾力矩沿車身方向的變化規(guī)律為：在第1 小節(jié)側(cè)傾力矩較小，第2 小節(jié)側(cè)傾力矩最大，從頭車第3 小節(jié)到尾車第13 小節(jié)側(cè)傾力矩比較平穩(wěn)。第14，15小節(jié)側(cè)傾力矩急劇減小。列車氣動力矩隨風(fēng)向角的變化為：隨著風(fēng)向角從0到90的增大，側(cè)傾力矩逐漸增大，風(fēng)向角在90的時(shí)候達(dá)到最大。隨著方向角從9

11、0到180的增大，側(cè)傾力矩逐漸減小。側(cè)傾力矩是列車安全運(yùn)行最值得關(guān)注的因素。如何防止因?yàn)閭?cè)傾力矩過高而發(fā)生危險(xiǎn)是改善列車運(yùn)行環(huán)境的主題。由圖中我們發(fā)現(xiàn)在頭車第1 小節(jié)與尾車第15 小節(jié)，側(cè)傾力矩不如車身處大，不是發(fā)生危險(xiǎn)的主要部分。而第2 小節(jié)是列車因?yàn)閭?cè)傾力矩過大發(fā)生危險(xiǎn)最有可能的地方。通過現(xiàn)有的辦法，使之減小，是使列車運(yùn)行安全的有效辦法。沿著車身方向，側(cè)傾力矩比較平穩(wěn)，如何使這個(gè)沿著車身方向穩(wěn)定的側(cè)傾力矩減小也是使列車運(yùn)行安全的主要因素。下面我們模擬了實(shí)心的擋風(fēng)墻對列車的防護(hù)效果。為高速列車在實(shí)心擋風(fēng)墻防護(hù)下的z 軸側(cè)傾力矩。對比無擋風(fēng)墻時(shí)列車z 軸側(cè)傾力矩發(fā)現(xiàn)：側(cè)傾力矩沿車身方向有一樣的

12、變化規(guī)律，即頭車第2 小節(jié)最大，側(cè)傾力矩沿車身方向變化平穩(wěn)。側(cè)傾力矩在尾車第15 小節(jié)處隨著列車形狀的差異變化很大。不具有代表意義。車身依然是我們研究列車安全的重點(diǎn)。在無擋風(fēng)墻時(shí)側(cè)傾力矩最大的小節(jié)為17.5_104Nm。加擋風(fēng)墻以后側(cè)傾力矩在車身處僅有2.2_104Nm。側(cè)傾力矩減小到了八分之一以下。側(cè)傾力矩是列車發(fā)生危險(xiǎn)的最主要因素。如何降低它一直是研究列車安全運(yùn)行的關(guān)鍵。側(cè)傾力矩主要是由來流直接作用在車體表面，使得列車受來流一側(cè)的力過大造成的。還有就是來流對列車進(jìn)行繞流以后，使得列車產(chǎn)生升浮力后失去穩(wěn)定性。加擋風(fēng)墻以后，來流先沖擊到擋風(fēng)墻，在擋風(fēng)墻后形成一個(gè)大大的渦旋，列車在其中沒有與流體

13、的激烈碰撞與突變。受到了很好的保護(hù)。修建擋風(fēng)墻對列車的運(yùn)行安全有非常好的防護(hù)效果。因此，在列車的防風(fēng)研究中，擋風(fēng)墻一直發(fā)揮著不可替代的作用。擋風(fēng)墻的高度、厚度、距離列車的位置同行的科研成果中已給出最合理的優(yōu)化。本文也是選取的防風(fēng)效果最好的擋風(fēng)墻。在擋風(fēng)墻的高度、厚度、距離列車的位置都固定的前提下，在擋風(fēng)墻內(nèi)部有規(guī)律的挖出來一些縫隙。我們叫它為擋風(fēng)墻的疏透度。通過這些縫隙來改變流場，使得原來來流作用在擋風(fēng)墻上，在后面所形成的大大的渦旋，改變成有規(guī)律的細(xì)小平穩(wěn)的渦旋，使得來流對列車所造成的危險(xiǎn)降到更低。使得列車的運(yùn)行更加安全。這個(gè)想法是否存在合理性，我們下面的工作正是去驗(yàn)證它。以此為出發(fā)點(diǎn)，我們把

14、原來的實(shí)心擋風(fēng)墻修建成了有疏透度的擋風(fēng)墻。疏透度為縫隙的空間與原來實(shí)心擋風(fēng)墻空間的比例。我們做了5%擋風(fēng)墻、10%擋風(fēng)墻、20%擋風(fēng)墻、25%擋風(fēng)墻、30%擋風(fēng)墻、35%擋風(fēng)墻、40%擋風(fēng)墻。為了做比較，我們把原來的實(shí)心擋風(fēng)墻，即沒有挖縫的擋風(fēng)墻叫做疏透度為0%的擋風(fēng)墻。我們把風(fēng)向角固定在90，因?yàn)樵跓o擋風(fēng)墻時(shí)，風(fēng)向角90時(shí)，列車最危險(xiǎn)。我們做擋風(fēng)墻的目的就是降低危險(xiǎn)。所以我們?nèi)∮写硇缘?0風(fēng)向角進(jìn)行研究。一樣道理，風(fēng)速越大越危險(xiǎn)。我們?nèi)ネǔＧ闆r下自然風(fēng)速的最大值40m/s。只把擋風(fēng)墻的疏透度為變量。首先對頭車第2 小節(jié)進(jìn)行分析p 。因?yàn)樵陬^車第2 小節(jié)，側(cè)傾力矩是最大的，這里最容易發(fā)生危險(xiǎn)

15、。研究頭車第2 小節(jié)的側(cè)傾力矩在不同疏透度擋風(fēng)墻的變化規(guī)律很有代表意義。給出了規(guī)律的曲線圖。x 軸表示的是擋風(fēng)墻的疏透度，y 軸表示頭車第2小節(jié)側(cè)傾力矩的具體指。由于發(fā)現(xiàn)在擋風(fēng)墻疏透度為10%的時(shí)候，頭車第2 小節(jié)側(cè)傾力矩有明顯下降，因此我們對7%，9%，10.5%，11%，13%疏透度的擋風(fēng)墻進(jìn)行了補(bǔ)充模擬。由圖我們發(fā)現(xiàn)隨著擋風(fēng)墻疏透度的增大，第2 小節(jié)的側(cè)傾力矩不是單調(diào)增加的，而是在7%疏透度的時(shí)候有了第一次降低，在10%疏透度的時(shí)候有了第二次降低。而且降低到比0%擋風(fēng)墻即實(shí)心擋風(fēng)墻時(shí)側(cè)傾力矩更低。這就證明了擋風(fēng)墻在一定的疏透度下，比實(shí)心的擋風(fēng)墻防風(fēng)效果更好的理論。這就使得擋風(fēng)墻對高速列車

16、防風(fēng)研究中提供了新了思考。即當(dāng)擋風(fēng)墻有了一個(gè)合理的疏透度以后，不僅可以節(jié)約耗材，而且防風(fēng)效果還能更好。頭車第2 小節(jié)是最容易發(fā)生危險(xiǎn)的地方，接下來我們對中間車的第7，第8，第9 小節(jié)進(jìn)行分析p 。因?yàn)檠剀嚿矸较騴 軸側(cè)傾力矩沒有太大變化，比較平穩(wěn)。因此對中間車的三節(jié)進(jìn)行分析p 對z 軸側(cè)傾力矩沿車身方向的變化規(guī)律有代表意義。為各種疏透度擋風(fēng)墻防護(hù)下的中間車第7 小節(jié)z 軸側(cè)傾力矩。側(cè)傾力矩在5%疏透度的時(shí)候有第一次降低，在9%疏透度的時(shí)候有第二次降低。這與頭車第2 小節(jié)側(cè)傾力矩隨擋風(fēng)墻疏透度的變化情況不一致。這說明隨著擋風(fēng)墻疏透度的增加，在頭車與中間車z 軸側(cè)傾力矩不是同時(shí)達(dá)到最小值。不過這沒

17、關(guān)系。我們會找到一個(gè)最佳的疏透度，使得這時(shí)的擋風(fēng)墻對列車在整體上防護(hù)效果最好。當(dāng)擋風(fēng)墻的疏透度在超過15%以后，側(cè)傾力矩隨著疏透度的增加而單調(diào)增加。各種疏透度擋風(fēng)墻防護(hù)下的中間車第8 小節(jié)z 軸側(cè)傾力矩。側(cè)傾力矩在第8 小節(jié)的具體數(shù)值上與在第7 小節(jié)上的很接近，側(cè)傾力矩在第8 小節(jié)上隨擋風(fēng)墻疏透度的變化規(guī)律與第7 小節(jié)上的大致相仿。在疏透度為10%的時(shí)候有唯一一次降低，也是在疏透度超過15%后，側(cè)傾力矩單調(diào)增加。各種疏透度擋風(fēng)墻防護(hù)下的中間車第9 小節(jié)z 軸側(cè)傾力矩。在具體數(shù)值上，側(cè)傾力矩在第9 小節(jié)與第7、8 小節(jié)的都很接近。不過側(cè)傾力矩隨著擋風(fēng)墻疏透度的變化很有規(guī)律性。側(cè)傾力矩從0%疏透度

18、到7%疏透度逐漸增加，到了9%疏透度開始降低，到10%疏透度的時(shí)候達(dá)到最低。而且低于0%疏透度。此時(shí)的列車第9 小節(jié)最安全。疏透度超過10%以后，側(cè)傾力矩開始逐漸增加。從下圖發(fā)現(xiàn)，在10%疏透度時(shí)，側(cè)傾力矩有明顯的降低。綜合列車第2、7、8、9 小節(jié)。我們發(fā)現(xiàn)了共同的規(guī)律就是在當(dāng)擋風(fēng)墻疏透度為10%的時(shí)候，這些小節(jié)的側(cè)傾力矩都比實(shí)心擋風(fēng)墻的側(cè)傾力矩更低。整體上來看，10%疏透度的擋風(fēng)墻達(dá)到了各個(gè)小節(jié)側(cè)傾力矩最合理的優(yōu)化。此時(shí)的列車整體上最安全。側(cè)風(fēng)在經(jīng)過擋風(fēng)墻之后，在列車周圍形成了大大的渦旋，列車被包圍在渦旋當(dāng)中，列車頂部流體流速比較大，側(cè)面流速比較小，列車在渦旋作用下，雖然比流體直接作用在列

19、車上安全。但是渦旋里面流體環(huán)繞著列車運(yùn)動，渦旋越大，流體的流速也越大。列車在其中運(yùn)行，流體對列車的氣動力和氣動力矩也就越大。當(dāng)擋風(fēng)墻有5%的疏透度以后，流體大部分還是繞過擋風(fēng)墻后在列車周圍形成渦旋。由于有一小部分流體從擋風(fēng)墻的縫隙流過，因此繞過擋風(fēng)墻在列車周圍形成渦旋的流體一定減少。因此渦旋也會變小。而且從縫隙中流過的流體會對形成渦旋的流場進(jìn)行沖擊，使流場趨于平穩(wěn)和穩(wěn)定。這個(gè)時(shí)候，列車處在相對側(cè)向流速不大，流場平穩(wěn)的環(huán)境中。其運(yùn)行的安全性增大。擋風(fēng)墻的疏透度由5%增大到10%后，隨著從擋風(fēng)墻縫隙中流過的流體的增多，流過擋風(fēng)墻后，環(huán)繞列車的流體進(jìn)一步減少。在列車周圍會形成減弱了的渦旋，但從擋風(fēng)墻

20、縫隙中流過的流體是方向垂直于列車的平穩(wěn)的流體。平穩(wěn)的流體會使得旋轉(zhuǎn)的渦旋流體變得平穩(wěn)，渦旋中旋轉(zhuǎn)的流體會使得垂直于列車的流體變得環(huán)繞著列車。二者共同作用的結(jié)果使得列車周圍流場變成了速度小、沿著車身方向的均勻的流場。在這種流場是列車運(yùn)行的最佳流場。這個(gè)最佳流場的存在說明了，當(dāng)疏透度再大一些，透過擋風(fēng)墻縫隙的來流流場成為主流，當(dāng)疏透度再小一點(diǎn)，繞過擋風(fēng)墻在列車周圍形成渦旋的流場成為主流。正是這個(gè)最佳流場的存在，使得擋風(fēng)墻疏透度優(yōu)化的過程中存在一個(gè)值。使得列車的運(yùn)行安全系數(shù)最高。綜合頭車、中間車和尾車的側(cè)傾力矩隨擋風(fēng)墻疏透度的變化規(guī)律。發(fā)現(xiàn)擋風(fēng)墻疏透度為10%的時(shí)候，列車整體的安全性達(dá)到了一個(gè)最大值。這個(gè)時(shí)候的擋風(fēng)墻對列車的防護(hù)效果比其他疏透度的擋風(fēng)墻都好，甚至比實(shí)心的擋風(fēng)墻更好。3 結(jié) 論本文以高速列車為研究對象，在強(qiáng)風(fēng)環(huán)境中對擋風(fēng)墻的防護(hù)效果進(jìn)行了數(shù)值模擬分析p 。提出了改變