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1　列车空气动力学导论1

1.1　列车空气动力学研究背景与进展1

1.2　本书涵盖内容11

1.3　坐标、参数及部分术语定义15

1.3.1　坐标15

1.3.2　参数16

1.3.3　部分术语定义16

1.3.4　需要说明的问题18

列车空气动力学研究方法篇21

2　列车空气动力学数值计算方法26

2.1　基本控制方程及数值求解方法26

2.1.1　可压缩流的基本控制方程26

2.1.2　不可压缩流的基本控制方程28

2.1.3　数值求解方法29

2.1.4　湍流模拟30

2.1.4.1　k—ε两方程模型31

2.1.4.2　雷诺应力模型32

2.2　列车流场数值模拟的关键方法32

2.2.1　列车交会流场数值计算非对称滑移网格法33

2.2.1.1　列车交会数值计算的特点33

2.2.1.2　列车交会分区方法34

2.2.1.3　耦合信息交换方法35

2.2.1.4　非对称滑移网格法38

2.2.2　列车过隧道滑移网格法40

2.2.2.1　列车过隧道数值计算的特点40

2.2.2.2　列车过隧道分区法41

2.2.2.3　信息交换与滑移网格法42

2.3　网格生成技术43

2.3.1　再分区结构网格生成技术43

2.3.1.1　列车表面网格生成44

2.3.1.2　近体区域空间网格生成46

2.3.1.3　公共交换区空间网格生成46

2.3.1.4　外部空间网格生成47

2.3.2　非结构网格生成47

2.3.3　结构、非结构混合网格技术49

2.4　定解条件50

2.4.1　初始条件50

2.4.2　边界条件50

2.5　计算结果数据场可视化方法52

2.5.1　基于等参变换的区域映射数据场插值53

2.5.2　压力场的坐标表示法56

2.5.3　建立场量值与颜色的对应关系56

2.5.4　扫描线算法的改进及其在压力场彩色云图和等值线中的应用57

3　列车空气动力学在线实车试验系统59

3.1　列车空气动力学在线实车试验测试内容59

3.2　瞬态空气压力测试系统60

3.2.1　瞬态压力测试系统硬件61

3.2.1.1　瞬态压力传感器61

3.2.1.2　信号调理装置66

3.2.1.3　数据采集卡66

3.2.1.4　触发装置68

3.2.2　瞬态数据采集处理系统68

3.2.3　瞬态测试精度影响因素分析72

3.2.3.1　信号线长度对压力传感器输出信号的影响72

3.2.3.2　放大器滤波频率对传感器信号波形的影响73

3.2.3.3　采样频率对传感器输出信号的影响74

3.3　稳态空气压力测试系统76

3.3.1　稳态空气压力测试77

3.3.2　拍式感压片77

3.3.3　参考压的选取77

3.4　其他相关瞬态测试系统78

3.4.1　瞬态红外光电测速系统79

3.4.2　瞬态超声波测距系统80

3.4.3　列车风作用下人体模型承受的气动力测试系统81

3.5　实车试验结果数据场可视化方法82

3.5.1　实车试验结果数据场可视化要求82

3.5.2　离散数据四边形网格化83

4　列车空气动力学模型试验系统87

4.1　列车气动特性风洞模型试验系统87

4.1.1　风洞的基本类型87

4.1.2　低速风洞的类型和主要部件的功能88

4.1.3　列车空气动力特性风洞模型试验原理91

4.1.4　列车风洞测力试验技术92

4.1.4.1　测力试验的主要测量仪器92

4.1.4.2　测力试验的主要过程93

4.1.4.3　测力试验的数据处理过程94

4.1.5　列车风洞测压试验技术94

4.1.6　列车风洞试验地面效应模拟技术95

4.1.6.1　活动地板法96

4.1.6.2　固定地板法96

4.1.7 大风环境下路堤上运行列车流场风洞模拟试验方法98

4.2　列车空气动力特性动模型试验系统99

4.2.1　动模型试验系统组成及功能99

4.2.2　动模型试验系统基本原理101

4.2.3　动模型试验系统作用103

4.2.4　列车气动特性动模型试验控制系统103

4.2.4.1　控制系统组成及控制流程103

4.2.4.2　速度控制系统104

4.2.4.3　同步控制系统106

4.2.5　列车气动特性动模型试验测试系统107

4.2.5.1　车载数据采集系统107

4.2.5.2　车载瞬态空气压力测试系统107

4.2.5.3　车载动态速度测试系统109

4.2.5.4　车载测试系统软件109

4.2.5.5　车载测试系统特殊设计措施109

4.3　列车气动特性试验用模型110

4.3.1　列车风洞模型110

4.3.1.1　列车风洞模型设计的基本要求110

4.3.1.2　列车风洞模型的强度、刚度及材料选择111

4.3.2　动模型列车111

4.3.2.1　动模型列车构成111

4.3.2.2　动模型列车设计基本要求114

4.4　模型试验的相似性114

4.4.1　相似定理114

4.4.2　完全模拟和部分模拟115

4.4.3 自模拟116

4.4.4　动模型试验相似性116

5　列车空气动力学研究方法分析、评价及综合研究体系118

5.1　在线实车试验可信度分析118

5.1.1　各种列车交会试验曲线比较与分析119

5.1.2 流线型列车交会试验重复性精度分析120

5.1.2.1　列车静止交会试验重复性精度分析120

5.1.2.2　列车运行交会试验重复性精度分析121

5.1.3　钝头列车交会试验重复性精度分析122

5.2 动模型列车交会试验重复性精度分析122

5.3　风洞试验重复性精度分析123

5.4　数值计算与实车试验结果比较与分析124

5.4.1　轮轨流线型列车交会124

5.4.2　磁浮高速列车交会126

5.4.3　提速钝型列车交会128

5.4.4　流线型列车稳态运行表面分布压力129

5.4.5 双层集装箱货运列车稳态运行表面压力130

5.5　动模型试验与实车试验结果比较与分析130

5.5.1　列车交会压力波幅值比较131

5.5.2　列车交会压力波波形比较132

5.6　风洞试验与实车试验结果比较与分析134

5.7　列车空气动力学研究方法评价及综合研究体系135

5.7.1　实车试验方法评价135

5.7.2　风洞试验方法评价135

5.7.3　动模型试验方法评价136

5.7.4　数值计算方法评价137

5.7.5　理论分析方法评价137

5.7.6　综合研究体系138

列车空气动力学基础与应用篇139

6　列车稳态运行空气动力特性148

6.1　列车表面空气压力149

6.1.1　列车表面空气压力的定义与表示方法149

6.1.2　列车表面空气压力与运行速度150

6.1.3　列车外表面空气压力分布规律150

6.1.4　列车表面空气压力的应用155

6.2　列车空气阻力156

6.2.1　列车空气阻力形成机理157

6.2.2　列车空气阻力与总阻力构成159

6.2.3　列车中各车辆空气阻力构成161

6.2.4　列车空气阻力系数设计建议值163

6.2.5　降低列车空气阻力措施163

6.3　车辆空气升力164

6.3.1　车辆空气升力产生机理及表示方式165

6.3.2　车辆空气升力对运行列车的影响166

6.3.3　改善车辆空气升力措施166

6.4　列车稳态运行时的车辆空气力矩167

6.5　列车稳态运行时的尾部流场特性168

6.5.1　列车尾部流场空间结构分布规律168

6.5.2　列车尾部流场影响因素171

6.5.3　研究列车尾部流场的作用172

6.6　人体在列车风中承受的气动力特性172

6.6.1　列车风对人体的作用力173

6.6.2　列车风—人体作用力—侧向距离—车速的关系175

6.6.3　人体安全退避距离评价参考标准176

7　列车交会瞬态空气压力波178

7.1　列车交会瞬态空气压力波基本特性179

7.1.1　列车交会瞬态空气压力波基本特征179

7.1.2　列车交会压力波正、负波分布规律182

7.1.2.1　轮轨列车交会182

7.1.2.2　磁浮列车交会183

7.1.2.3　小结185

7.1.3　头、尾车的头部压力波分布规律185

7.2　列车交会空气压力波与运行速度186

7.2.1　列车静止交会187

7.2.2　列车等速交会189

7.2.3　列车不等速交会191

7.2.4　列车静止、等速和不等速三种交会工况比较195

7.2.5　小结196

7.3　列车交会空气压力波与列车编组长度197

7.3.1　列车静止交会197

7.3.2　流线型列车运行交会197

7.3.3　钝头列车运行交会199

7.3.4　钝头列车与流线型列车运行交会比较199

7.3.5　小结200

7.4　列车交会压力波与线间距、车体宽度200

7.5　列车交会压力波与附面层厚度204

7.6　列车交会压力波与列车编组方式206

7.7　列车交会行车安全评估体系207

7.7.1　列车交会行车安全评估内容208

7.7.2　列车车体和车窗结构承载能力208

7.7.3　其他考核要求209

7.8 降低列车交会空气压力波或减缓其影响的措施210

7.9　本章总结211

8　列车空气动力性能与列车外形214

8.1　列车空气动力性能与头部外形214

8.1.1　列车空气动力性能与流线型头部长度215

8.1.1.1 列车交会空气压力波与流线型头部长度215

8.1.1.2　列车空气阻力、升力与流线型头部长度218

8.1.1.3 列车表面稳态压力分布与流线型头部长度220

8.1.2　列车空气动力性能与头部纵向剖面形状222

8.1.2.1　空气阻力、升力与头部纵向剖面形状222

8.1.2.2　列车交会空气压力波与头部纵向剖面形状224

8.1.3　列车空气动力性能与头部俯视形状227

8.1.3.1　列车交会空气压力波与头部俯视形状227

8.1.3.2　空气阻力、升力与列车头部俯视形状229

8.1.4　列车空气动力性能与主型线组成的耦合头部形状230

8.1.4.1　列车交会空气压力波与头部形状230

8.1.4.2　头车气动阻力与头部形状231

8.1.4.3　尾车气动阻力与头部形状231

8.1.5　小结232

8.2　客运列车空气动力性能与车身断面形状233

8.2.1　列车交会压力波与车身断面形状234

8.2.2　列车横向气动性能与车身断面形状236

8.3 客运列车空气动力性能与车体底部外形237

8.3.1　车体底部外形结构分类及组合工况238

8.3.2　列车空气阻力与车体底部外形239

8.3.2.1　全中底罩＋端裙板结构239

8.3.2.2　其他几种底部结构242

8.3.2.3　各种组合工况比较242

8.3.3　列车空气升力与车体底部外形243

8.3.4　小结244

8.4　列车空气动力外形设计标准245

8.4.1　列车空气动力性能基本要求245

8.4.2　列车气动外形基本要求246

8.5　列车流线型头部外形设计方法246

8.5.1 列车流线型头部外形设计软件的设计思路247

8.5.2　列车头部外形设计主要算法248

8.5.2.1 列车头部外形控制型线的生成与修改算法248

8.5.2.2　列车头部外形空间型线的自动求交与分割算法250

8.5.2.3　列车头部外形曲面的自动生成算法250

8.5.2.4　列车头部外形的光顺检查算法251

8.5.3　列车头部外形设计实例254

8.5.3.1　列车头部外形设计过程255

8.5.3.2　准流线型机车外形设计256

8.5.3.3　流线型列车头部外形设计259

8.6　典型列车外形的空气动力性能260

8.6.1　列车交会压力波261

8.6.2　列车空气阻力、升力262

8.6.3　列车稳态运行时的表面压力分布262

8.6.4　列车周围流场263

8.6.5 动车冷却风道一位百叶窗空气流向、流速264

8.7　本章总结265

9　列车—隧道耦合空气动力学268

9.1　列车—隧道空气动力特性268

9.1.1　隧道内瞬态压力形成机理269

9.1.2　列车过单线隧道瞬态压力变化270

9.1.3　列车在隧道内交会瞬态空气压力波272

9.1.4　隧道出口微气压波273

9.1.5　隧道壁面、车体表面及车厢内部三者压力耦合关系279

9.1.5.1　列车外壁与隧道壁面压力比较279

9.1.5.2　列车通过隧道时列车内外压力变化280

9.1.6　列车在隧道内运行的空气阻力281

9.1.7　列车在隧道内运行的横向空气动力284

9.2　列车运行速度对隧道内压力变化的影响287

9.3　隧道横截面积对隧道内压力变化的影响289

9.4　隧道长度对空气动力特性的影响290

9.4.1　隧道长度对隧道内压力变化的影响290

9.4.2　隧道长度对微气压波的影响291

9.4.3　隧道长度对列车空气阻力的影响291

9.5　缓解隧道瞬变压力及微气压波的辅助设施292

9.5.1　缓解微气压波的缓冲结构292

9.5.1.1　缓冲结构形式293

9.5.1.2　断面扩大无开口型缓冲结构293

9.5.1.3　线性喇叭型缓冲结构296

9.5.1.4　开口型缓冲结构298

9.5.2　缓解隧道内压力变化的竖井及横通道299

9.6　列车—隧道耦合空气动力性能评价参考标准301

9.6.1　人体舒适度评价参考标准301

9.6.2　微气压波评价参考标准302

10　大风环境下的列车空气动力学304

10.1 大风环境下列车表面压力分布规律305

10.1.1 大风环境下单向运行列车表面压力分布规律306

10.1.2 大风环境下列车交会表面压力分布规律309

10.2　大风环境下单向运行的列车空气阻力特性310

10.2.1　流线型动车组空气阻力311

10.2.2　钝头列车空气阻力314

10.2.3　大风环境下列车空气阻力综合分析316

10.3 大风环境下单向运行的列车空气升力特性318

10.3.1　流线型动车组空气升力318

10.3.2　钝头列车空气升力320

10.4　大风环境下单向运行的列车空气横向力及力矩特性321

10.4.1　车辆空气横向力定义及表示方式321

10.4.2　流线型动车组空气横向力322

10.4.3　钝头列车空气横向力324

10.4.4　大风环境下车辆空气横向力综合分析325

10.4.5　列车空气横向力矩326

10.5　大风环境下列车交会空气压力波327

10.5.1　大风风向与列车交会压力波328

10.5.2　大风风速与列车交会压力波330

10.6 大风—路况—车型耦合列车空气动力特性331

10.6.1 大风环境下桥上列车横向空气动力特性332

10.6.2　大风环境下路堤上列车横向空气动力特性334

10.6.2.1　路堤高度与气动力的关系334

10.6.2.2　路堤形状与气动力的关系335

10.7　大风环境下行车安全保障体系336

10.7.1　挡风墙设置应考虑的因素336

10.7.2　大风环境下列车安全运行速度限值337

10.7.3　大风监测预警与行车指挥系统340

10.8　本章总结341

参考文献344

符号表363

名词索引367