● 摘要
随着列车速度的不断提高，其空气动力学问题越来越突出，受到人们的广泛重视。本文采用流体分析软件FLUENT，通过数值求解N-S方程，从流场流动形态出发对列车明线单车运行，横风环境下运行以及等速交会时的空气动力学特性进行了系统的研究。其中，对列车明线单车运行及横风环境下运行时的流场所做的数值模拟，控制方程为三维不可压N-S方程，并选用标准k-ε湍流模型。计算中，使用二阶迎风方法离散控制方程，采用SIMPLEC格式计算压力场与速度场的耦合。数值模拟列车等速交会时，控制方程为三维可压N-S方程，空间离散采用二阶迎风Roe-FDS格式。非定常计算时间离散采用二阶隐式双时间步。在对不同工况下列车的气动特性进行分析时，本文首先讨论和对比了两种外形的列车模型在明线单车运行时车体附近的基本流动形态，并分析了转向架对列车表面压力分布及列车附近流动形态的影响。结果表明，列车尾部的旋涡结构对其气动阻力有重大影响。转向架虽然不会改变列车周围的基本流动形态，但是它会使列车的尾部流动产生不对称，并大大增加列车的阻力。其次，本文分析了横风环境下列车附近的流动形态，重点对列车附近的分离涡结构及其沿车身方向的演化特征，以及对车体气动特性的影响进行了说明，并讨论了列车侧向力、升力、倾覆力矩产生的机理及其随侧偏角变化的特点。此外，通过对比两种外形计算结果，文中还探究了横风环境下转向架对列车周围流动形态及车体气动力的影响。结果表明，流动分别在列车背风侧下部及上部的边缘发生分离，有转向架处分离更为严重。分离气流卷起的旋涡在沿车头至车尾的方向上交替主导列车背风面流动。转向架虽不会改变列车周围的基本流动形态，但它将大大增大头车的升力，并少量增大头车的侧向力和倾覆力矩，因此会加大头车的危险性，进而影响整车的安全行驶。最后，本文分析了高速列车交会时压力波产生的机理及其随会车速度和线间距的变化特点，并通过对不同车身位置的压力波幅值进行对比，分析了车身出现最大压力波幅值的位置。此外还讨论了会车过程中车体侧向力的变化特征及其随会车速度和线间距的变化特点。结果表明，车身内侧压力波变化最为剧烈。会车过程中，车体将承受两次排斥力和一次吸引力，这将对列车的稳定行驶产生一定的影响。