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