● 摘要
我国高速铁路覆盖范围广，部分地区易出现大风及暴雨等恶劣天气状况，影响高速列车运行安全。在大风作用下，雨滴冲击到列车表面，产生了附加的雨载荷，影响列车运行稳定性。因此，研究暴风雨环境下高速列车所受载荷的变化规律，具有一定的科学意义和工程意义。
本文采用数值模拟方法研究了暴风雨环境下高速列车的气动载荷特性，总结了雨载荷随车速、横风风速、降雨强度的变化规律。本文首先通过求解Reynolds平均Navier-Stokes方程(RANS)，并采用SST k-ω模型对方程进行封闭，得到了基本的绕流流场。之后通过求解雨滴运动方程，获得雨滴轨迹。最后通过实验拟合得到的雨滴冲击力模型给出雨载荷大小。
本文首先对暴风雨环境下高速列车二维模型气动载荷特性进行了研究，计算了不同横风风速和降雨强度下，模型所受风载荷和雨载荷。结果表明，模型总横向力、升力和翻滚力矩均随横风风速的增大而增大。雨载荷和风载荷诱导横向力、升力和翻滚力矩之比最大分别为18.2%、1.54%和10.9%。在降雨强度一定时，模型所受的雨载荷诱导横向力和翻滚力矩均随横风风速的增大而增大；升力则在降雨强度小于150mm/h时呈现先增后降，在降雨强度大于200mm/h时呈现单调增大的趋势。在横风风速一定时，模型所受的雨载荷诱导横向力、升力和翻滚力矩均随降雨强度增大而呈现线性增大的趋势。
之后，本文对暴雨环境下高速列车三维模型进行了研究。计算时仅考虑列车运动，未讨论横风影响。计算结果表明，三维条件下风雨载荷变化规律与二维条件基本一致。模型总阻力和升力随车速增大而增大。雨载荷和风载荷诱导阻力和升力之比最大分别为476.9%和40.14%。在降雨强度一定时，雨载荷诱导阻力和升力均随车速增大而增大。在横风风速一定时，雨载荷诱导阻力和升力随降雨强度增大呈现线性增大的规律。根据所得规律，采用拟合方法得到了雨载荷与车速、降雨强度等参数的关系式。