基于形态仿生的高速列车减阻仿真研究
随着中国高速铁路的不断发展及列车速度的提高，列车空气动力学问题日渐显著，减阻问题成为高速列车的研究重点。列车外形与其受到的气动阻力、横风性能关系十分密切。本文以高速列车为对象，旨在以仿生设计为切入点，通过数值模拟方法，进行形态仿生应用于高速列车的减阻性能的研究。 本文选择了四种典型快速动物作为仿生原型，提取仿生元素进行仿生列车模型的建立。基于三维定常不可压缩Navier-Stokes方程和RNG k-ε两方程的模型，利用CFD软件FLUENT仿真计算，选择国内服役某动车组CRH型作为参考对象，建立高速列车仿生几何模型及计算模型，计算不同仿生设计列车在明线运行下的基本气动性能。除了大白鲨型列车，各仿生设计头型均比CRH型列车的阻力小，说明仿生设计头型有减阻优势。在各车型均未考虑转向架等车底区域时，仿生设计车型的尾车并没有出现向上的升力。为探究仿生头型减阻原因，利用CAD软件将各头车模型的流线型部位沿阻力方向（即长度方向）进行沿长度方向均分做截面，得到截面积沿长度方向的曲线，对其进行线性拟合，发现仿生头型截面积沿长度方向的线性相关系数R2越高，其气动阻力越小。 建立列车在横风环境下气动性能计算模型，从影响横风安全性最危险的因素-倾覆力矩角度分析，在各车型均未考虑转向架等车底区域时，仿生设计车型的头车倾覆力矩明显小于CRH型列车，仿生设计车型的横风气动性能优于CRH型列车。 根据列车流场的湍动能、气动压力等流场分布，弱化列车仿生模型的仿生元素，列车后方的流场湍动能减小，头车正压区和尾车负压区减小，使得列车压差阻力减小，减阻效果明显。考虑转向架区域的影响，进行350km/h工程化改进。分析了流线型长度对超高速列车气动性能的影响，选择14m做为超高速列车的流线型长度是合适的。分析转向架区域的影响，进行600km/h超高速列车工程化改进，以达到造型工艺、实际应用等工程要求。
高速列车;减阻性能;形态仿生;数值模拟
西南交通大学
硕士
流体力学
张继业
2015
中文
U270.11
79
2015-11-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）