突风作用下列车周围流场演化及列车运行失稳机理研究

Train overturning accidents induced by wind caused serious causalities and property loss, investigations showed that almost all of them took place under gust wind. In fact, some phenomenon are naturally different with that when train under stable cross wind such as large fluctuation of wind speed, sudden increase of the flow turbulence around the train and sharp increasing of aerodynamic forces. At the same time the high speed train is light weight and is weak against overturning. It is strongly necessary to investigate the running safety from the point of view of coupling of train speed and gusty wind speed. This project intends to use wind tunnel test, moving model test, numerical simulation of turbulent flow to investigate the combining mechanism of slipstream caused by train running and regional gust wind field by the sudden changing of environment, and then obtain the regularly characteristic of the aerodynamic force. Using theoretical analysis method, according to the vehicle moving position and its speed, the regional-domain gust wind is turned into time-domain gust wind, and then establish normalizing gust profile database. Then obtain the instability mechanism of the train vehicle system under gust wind by analyzing the relationship among aerodynamic sharp fluctuation force and the performance and behavior evolution trend of train vehicle dynamic system. Finally the control method of the flow around the train will be put forword and which will release the train overturning accidents.

风致列车倾覆导致的人员伤亡触目惊心，调查认为大部分是发生在突风阶段。突风影响下高速列车实际感受到的风速急剧波动、车身周围流场湍流度突增、诱发的气动荷载的大幅跳动，与车辆在稳定横风环境中运行时有本质不同。同时高速列车车体较轻，抗倾覆的能力较弱。迫切需要从列车运行与突风耦合作用着手研究列车失稳机理。本项目拟采用风洞试验、动模型试验、湍流流场数值仿真研究列车运行引起的列车风与环境变化导致的环境突风风场之间的联合作用机制，得到车辆承受气动荷载的特征规律。采用理论分析方法，根据车辆运行位置及速度，将地域突风转化为时域突风，建立归一化入口突风模型库。根据得到的突变气动荷载建立车辆系统动力学模型，分析气动荷载大幅波动与车辆系统动力学性能及行为演化趋势之间的相关性，得到突风下车辆系统失稳机理。最后提出减少突风危害的列车周围流场控制方法，减少事故的发生。

在瞬态风荷载及轮轨激励同时作用下，列车会产生复杂的受迫振动，严重时可导致脱轨或倾覆。因此研究车辆在瞬态风荷载下的动力学性能，找出瞬态风荷载对车辆系统振动的影响，并提出针对性的限速方案，对预防大风下的行车事故，确保运行安全具有重要的工程应用价值。.建立了从测风站选取、风速数据处理、列车瞬态风荷载计算、列车动态动力学性能分析，到工程限速制定的瞬态风荷载下列车运行安全性研究的方法。根据现场实测风场数据的处理，得到风场风速剖面；采用DES数值模拟方法，结合实测风场风速剖面计算了列车在瞬态风荷载下的气动性能；根据运动物体的风谱计算了列车在不同运行情况下受到的瞬态风荷载；结合列车空气动力学和列车系统动力学，建立了车辆在瞬态风荷载和轮轨激励下的动力学模型，得到了车辆的脱轨系数和轮重减载率等，提出了列车在不同运行条件下的限速准则。. 采用数值模拟计算及理论推导的方法得到了平稳风下车辆受到的瞬态脉动风荷载，采用数值模拟计算的方法得到了列车出隧道遭遇横风时的气动性能。研究结果表明，头车受到的风荷载最大，尾车次之，中间车最小。研究了列车出隧道遭遇横风时的瞬态气动性能，结果表明，列车刚出隧道时，受到的气动侧向力、升力，以及侧滚力矩、俯仰力矩和偏转力矩都会发生突变，个别甚至呈现类似正弦波的较大幅值波动，之后气动力变化趋于平稳。.研究了瞬态波动风荷载及轮轨激励下车辆的动力学性能，得到了车辆在瞬态风荷载下的动态响应及轨道线路横向稳定性系数。研究成果表明：随着车速的提高，车辆受到轮轨激励的影响急剧增大；在瞬态突变风荷载作用下车辆的动力学性能也会发生突变，尤其是出隧道遭遇横风时，车辆更容易发生倾覆；同时研究了侧滚力矩、俯仰力矩和偏转力矩对车辆动力学性能的影响，研究结果表明：偏转力矩和俯仰力矩对车辆的脱轨系数和轮重减载率影响较小，车辆的动力学性能基本上仅受到侧向力、升力及侧滚力矩的影响。. 计算了瞬态风荷载作用下，当车速和风速不同时，列车分别在直线、曲线上运行的动力学性能，提出了列车在明线上运行及出隧道口时的工程限速方案，可直接用于指导列车在大风下的安全运行。