高速列车尾流特性及形成机理研究

When the surface boundary layer around the high-speed train separates at the rear of the train and the wake flow will emerge. The flow in the wake behind the high-speed train is complex,three-dimensional,time dependent,turbulent and contains a large range of length and time scales vortices.The flow structure in the wake flow threatens the safety of the trackside worker and passengers standing on platforms. At the same time the flow structure in the wake affects the drag force of the train and leads to excitation of oscillations of the last coach around the longitudinal axis,which will seriously affect the running safety,economy of the train and the riding comfort of the passengers..The project is planned to study the flow structure and characteristics in the wake flow behind the high-speed train. A large-scale moving model train test device on the train aerodynmic,combining the unsteady numerical methods based on the detached eddy simulation(DES) will be adopted in this research. At the same time, the energy distribution, frequency characteristics and evolution law of differnet modes of the velocity field,pressure field and vorticity field in wake flow will be gained,when high-speed train runs. The unsteady flow mechanism in wake flow will be analysed. And the influencing law of the train tail shape,train length and the running speed on the unsteady aerodynamics force will be obtained. The research results will provide scientific reference for developing the design theory and method on high-speed train aerodynmic.

列车高速运行时，其表面边界层在列车尾部产生分离，形成列车尾流，其主要特征表现为复杂的非定常漩涡流动。列车尾流威胁轨道旁人员和站台旅客安全，影响列车运行空气阻力，引起尾车周期性震荡，严重影响列车运行安全性、经济性和旅客乘坐舒适性。本项目拟采用大型列车空气动力性能动模拟实验装置，结合基于脱体涡（DES）的非定常数值计算方法，研究列车高速运行时列车尾部流场特性，得到列车尾部速度场、压力场以及涡量场的能量分布、频率特征以及各阶模态的演化规律；探析列车尾部非定常流动机理，获得列车尾部形状、列车编组长度及运行速度对尾车所受非定常气动载荷的影响规律；为发展高速列车气动设计理论和方法提供科学支撑。

高速列车尾流威胁轨道旁人员和站台旅客安全，影响列车运行空气阻力，引起尾车周期性震荡，严重影响列车运行安全性、经济性和旅客乘坐舒适性。项目采用脱体涡模拟（DES）方法结合动模型试验和风洞试验对高速列车尾部流场结构、附面层分布及演变规律、尾部非定常气动载荷规律进行了研究，得到以下重要结论：.（1）建立了基于DES方法的高速列车非定常分离流动计算方法：对比分析数值计算和实车试验结果，两者吻合较好。说明采用DES方法能有效扑捉列车高速列车周围非定常流动特性。.（2）得到了高速列车周围附面层分布规律和尾涡产生原因：高速列车头部区域附面层为圆球状，随着向车体截面过渡，列车侧面附面层逐渐变厚，到达列车尾端时，出现显著变化，类似圆球状，接着过渡为逐渐扩张的圆管状。列车周围漩涡主要产生列车头部和尾部的流线结构、底部复杂结构、车辆连接部位以及尾涡区域，在车身截面不变位置产生较少，说明漩涡主要源于复杂突变的表面结构。.（3）得到了高速列车尾部非定常流动特性：由于尾车顶部气流与尾部漩涡汇合，使尾部漩涡在靠近列车鼻尖部位时强度增强，具有高湍流性，最大湍流度达到0.5，之后形成明显拖曳涡继续向后移动，涡心逐渐靠近地面并不断向两侧外移，涡强度随之减弱；高速列车尾迹区不同位置的压力和速度均呈对称分布，随离开尾部距离增加而减弱。尾迹区不同位置监测点压力和速度频域特性不明显，其频谱主要集中在0~50Hz范围内。.（4）得到了列车尾部形状、运行速度和编组长度等参数对列车尾部非定常气动载荷特性影响规律：高速列车所受气动载荷系数的频谱存在明显峰值，频域特性明显，其频谱主要集中在0~20Hz范围内，最大主频集中在0~9Hz范围内。列车尾部形状、运行速度和编组长度对尾车所受阻力系数和升力系数最大主频影响不大，对侧向力系数最大主频有一定影响。.（5）风洞试验气动阻力系数的频谱主要出现在0~20Hz范围内，主要峰值集中在0~15Hz区间；对比分析风洞试验与数值计算结果，风洞试验所得尾车气动阻力系数主频最大值为5.9Hz，大于数值计算结果3Hz，但均在低频0~6Hz范围内，产生差异的原因主要是由于车尾外形不同。