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速度400 km/h高速列车风阻制动装置布置的数值研究

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铁道学报 2023年第10期45卷 42-51页

作者：谢红太王红兰州交通大学机电工程学院甘肃兰州730070 华设设计集团股份有限公司铁道规划设计研究院江苏南京210014

基于三维定常可压的黏性流场N-S及k-ε双方程模型,以CR400AF平台动车组流线型外观为参考,装配新型“蝶形”风阻制动装置,模拟计算高速列车风阻制动装置不同布置状态时的气动特性,给出单排及多排制动风翼板布置的确定方法及最优方案。研... 详细信息

基于三维定常可压的黏性流场N-S及k-ε双方程模型,以CR400AF平台动车组流线型外观为参考,装配新型“蝶形”风阻制动装置,模拟计算高速列车风阻制动装置不同布置状态时的气动特性,给出单排及多排制动风翼板布置的确定方法及最优方案。研究表明:在高速列车头车司机室流线型尾端连接处后2~5 m范围内设置安装首排制动风翼板,可有效为高速列车高速制动阶段提供较为可靠稳定的制动力,同时对首排制动风翼板工作时流固耦合及振动特性进行评估和说明;研究提出以列车制动需求为目标,纵向制动风翼板最优布置范围逐渐缩减的方式,通过计算流体动力学的方法确定制动风翼板设置位置及布置排数选择的研究方法,给出3节编组高速列车2排及3排制动风翼板最优布置方案。

关键词：高速列车空气动力学计算流体力学风阻制动制动风翼板

流线型部位风阻制动板对高速列车气动特性的影响分析

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中南大学学报（自然科学版） 2023年第9期54卷 3708-3718页

作者：高广军张普阳商雯斐邓赞张洁王家斌中南大学重载快捷大功率电力机车全国重点实验室湖南长沙410075 中南大学交通运输工程学院轨道交通安全教育部重点实验室湖南长沙410075

针对高速列车运行速度提升导致制动动能骤增、紧急制动距离延长的问题,采用基于Realizable k-ε湍流模型的雷诺时均法(RANS)研究高速列车流线型部位增设风阻制动板对列车周围空气流动特性及气动载荷的影响。研究结果表明:风阻制动板能... 详细信息

针对高速列车运行速度提升导致制动动能骤增、紧急制动距离延长的问题,采用基于Realizable k-ε湍流模型的雷诺时均法(RANS)研究高速列车流线型部位增设风阻制动板对列车周围空气流动特性及气动载荷的影响。研究结果表明:风阻制动板能够显著改变高速列车周围流场,在制动板上游造成明显气流冲击并在其下游诱发强剪切分离流动,大幅度增加高速列车整车压差阻力。相比于等截面车身位置布置风阻制动板,在列车流线型部位布置风阻制动板能够有效减弱风阻制动板间的干涉效应。对于风阻制动板而言,处于气流直接冲击区域和存在高度梯度分布特性的风阻制动板受力相对较大,受板间干涉作用影响较大的风阻制动板受力相对较小。相比于原始无风阻制动高速列车,本文提出的风阻制动装置最高可将三车编组高速列车气动阻力提升约517%。

关键词：高速列车流线型部位风阻制动数值模拟

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新型高速列车风阻制动装置设计与仿真分析

工程设计学报 2023年第2期30卷 244-253,261页

作者：谢红太王红柴伟兰州交通大学机电工程学院甘肃兰州730070 华设设计集团股份有限公司铁道规划设计研究院江苏南京210014

运行时速超过350 km的高速列车在高速阶段辅助制动或紧急制动时,风阻制动是一种行之有效的制动措施。研制综合气动性能优越及适用性广的风阻制动装置是下一代时速400+km高速列车开发中亟待解决的关键技术问题之一。在总结分析现有技术... 详细信息

运行时速超过350 km的高速列车在高速阶段辅助制动或紧急制动时,风阻制动是一种行之有效的制动措施。研制综合气动性能优越及适用性广的风阻制动装置是下一代时速400+km高速列车开发中亟待解决的关键技术问题之一。在总结分析现有技术的可行性和实用性的基础上,提出了新型风阻制动装置的设计理念和方法,重点从满足多级协同制动、优化气动性能、降低气动噪声及减弱结构振动等方面考虑开发实施,完成了窗形风阻制动装置及其改进型设计方案。结果表明:通过前后设置的沿安装基座前后边缘转动开启的2排风阻制动板进行多模式选择制动,有效克服了传统风阻制动板从前往后开启所造成的气动噪声剧烈、颤振及后排风阻制动板制动效率低等问题;同时,采用自馈补偿和板型导流两种制动补偿方式对风阻制动装置的二次空气动力学性能进行优化设计,进一步改善了装置制动工作时的外围流场结构,最大程度避免了非制动状态下附加气动阻力的形成;针对风阻制动装置的传动控制,创新性地设计了电路模拟控制和液压驱动控制方案。以运行时速为400 km的CR400AF平台动车组单节车辆装配单组改进型窗形风阻制动装置为计算模型,模拟得到装置在紧急制动时贡献的气动阻力为4.70 kN,产生的气动升力为1.13 kN,具备较好的高速阶段增阻特性。窗形风阻制动装置及其改进型设计方案在制动效率、风阻制动板利用率、空气动力学性能及气动噪声等方面表现出较强的优势。未来高速列车风阻制动装置的设计及应用需进一步从线路条件、运行风环境、瞬时启停性能、电控系统、结构振动及强度设计等方面开展实验研究。

关键词：高速列车空气动力学风阻制动制动装置气动性能

400 km/h高速列车“蝶形”风阻制动装置设计与仿真

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北京交通大学学报 2022年第6期46卷 152-160页

作者：谢红太王红兰州交通大学机电工程学院兰州730070 华设设计集团股份有限公司铁道规划设计研究院南京210014

为了进一步提高时速400 km高速列车风阻制动装置的工程应用可行性及科学性,有效弥补列车高速阶段制动力不足问题.本文基于三维定常不可压的黏性流场N-S及k-ε双方程模型,以CR400AF平台动车组流线型外观为雏形,装配新型“蝶形”风阻制动... 详细信息

为了进一步提高时速400 km高速列车风阻制动装置的工程应用可行性及科学性,有效弥补列车高速阶段制动力不足问题.本文基于三维定常不可压的黏性流场N-S及k-ε双方程模型,以CR400AF平台动车组流线型外观为雏形,装配新型“蝶形”风阻制动装置,分别建立不同工况流体动力学计算模型,对不带制动风翼板及带制动风翼板高速列车在不同速度等级条件的气动特性作了对比分析,同时重点分析计算了时速400 km/h高速列车首排制动风翼板紧急制动工作时在风载荷作用下的强度及振动特性.研究结果表明:不同速度等级工况下带首排制动风翼板较不带首排制动风翼板高速列车所受空气阻力有大幅增加,整车阻力系数从0.234增大至0.255;设计安装42Cr4材质首排制动风翼板高速列车400 km/h运行时,整车所受空气阻力增大约14.0%,首排制动风翼板所受气动载荷约为3.72 kN,作用下最大应力点出现在风翼板两侧上部拉杆连接处,远小于材料屈服极限,满足强度设计要求;高速列车首排制动风翼板前12阶模态振动所对应的固有频率范围为143.53~845.64 Hz,其中1~5阶主振型为风翼板上部前后弯曲及扭振,6~12阶逐渐扩展到下部和两侧的弯曲及扭振,同时伴有局部模态.

关键词：高速列车空气动力学计算流体力学风阻制动制动风翼板模态分析

大型客车风阻制动翼板关键参数辨识及其风环境适应性分析

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大型客车风阻制动翼板关键参数辨识及其风环境适应性分析

作者：黄占西南交通大学

学位级别：硕士

随着车速的不断提高,公路客车的动能随车速的平方而增大,但是靠车轮与地面摩擦的制动性能会受到附着力的制约,因此大型客车制动事故时有发生。借鉴风阻制动在列车上的应用,为提升制动性能,风阻制动也成为客车中的一个选择。通过开启翼... 详细信息

随着车速的不断提高,公路客车的动能随车速的平方而增大,但是靠车轮与地面摩擦的制动性能会受到附着力的制约,因此大型客车制动事故时有发生。借鉴风阻制动在列车上的应用,为提升制动性能,风阻制动也成为客车中的一个选择。通过开启翼板瞬间增大风阻制动客车的气动阻力和下压气动升力,实现制动性能的改善,使客车在高速时能体现出更优良的制动性能。本文主要对风阻制动客车高速紧急制动过程中的气动特性进行了研究,结合空气动力学及多体动力学理论,选取了使制动性能最好的翼板外形参数组合,分析了不同横风风速下风阻制动客车的制动特性。研究内容主要包括:首先为了保证本文数值仿真结果的精确度和可靠性,需要参照实验数据对本文使用的仿真模型进行验证。对于客车空气动力学模型,本文选取了具有大量实验数据并且模型外形及外流场与本文客车模型相似的Ahmed模型作为验证模型,使用Open FOAM软件对其进行网格划分。为了对数值仿真策略进行优化,本文利用L(3)正交表对网格尺寸、湍流模型、压力-速度耦合方程式、空间离散格式这4种影响计算结果的因子进行了正交试验,最终得到了仿真精确度最高的数值仿真策略。然后对仿真结果进行CFD不确定度分析,验证了仿真模型的可靠性。对于非定常仿真部分使用的FLUENT动网格技术,本文也参照风洞试验数据进行了验证。为了分析翼板气动参数对于客车气动性能的影响。本文先后使用控制变量法和正交试验法对于车速、翼板开启角度、翼板安装位置、翼板高度这4个因子与客车气动力系数的关系进行了研究。发现这两种方法得出的结论一致,即翼板最佳外形参数组合为:翼板安装位置x=10 m、翼板最大开启角度θ=80°、翼板高度h=1 m。并且由极差分析和方差分析的结果可知,对气动力系数影响的主次顺序为:翼板安装位置>翼板开启角度>翼板高度>车速。根据选取的翼板最佳外形参数,建立新的风阻制动客车有限元模型,用于非定常仿真。将横风风速以5 m/s的梯度从0到20 m/s分成了5组工况并进行仿真,综合空气动力学和多体动力学仿真计算结果,分析风环境对于风阻制动客车制动特性的影响。仿真结果表明:当横风速度较小时(风速不大于10 m/s),制动性能会比无横风时更好;当横风风速继续增大,制动性能会持续下降,说明横风风速过大会影响制动翼板的制动性能。横风速度较大时(风速超过15 m/s),风阻制动客车的制动安全性和舒适性也受到了极大的挑战,因此应当尽量避免在横风风速过大的时候使用风阻翼板制动。

关键词：客车风阻制动数值模拟正交试验气动特性横风

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高速列车风阻制动板气动特性及制动效果研究

高速列车风阻制动板气动特性及制动效果研究

作者：王越大连交通大学

学位级别：硕士

风阻制动主要是利用空气动力原理,这种制动方式无摩擦,能够使列车的减速度提高,进而缩短制动距离,保证列车安全行驶。所以风阻制动有节能、环保、无污染、无磨耗的特点。当列车遇到意外情况时,风阻制动也能及时启动,与其它制动方式相比... 详细信息

风阻制动主要是利用空气动力原理,这种制动方式无摩擦,能够使列车的减速度提高,进而缩短制动距离,保证列车安全行驶。所以风阻制动有节能、环保、无污染、无磨耗的特点。当列车遇到意外情况时,风阻制动也能及时启动,与其它制动方式相比优势明显。因此本文利用数值模拟的方法对高速列车风阻制动板的空气动力特性和制动性能进行分析研究,希望可以对未来中国高速铁路在列车制动领域的深入研究提供技术参考。本文建立车顶装有制动板的高速列车在明线运行流场下的仿真模型,运用FLUENT仿真软件中的三维、稳态、Realizable k-ε方程湍流模型,对高速列车在紧急制动过程中,风阻制动板的空气动力特性和制动性能进行分析。主要研究内容如下:(1)对安装在列车车顶的单套制动板进行数值模拟,对比制动板布置在不同位置上的制动力大小及压力特性,分析其对头尾车流场气动特性的影响,进而得到制动板对列车气动性能的影响;(2)通过改变制动板数量以及制动板间距离,对比其产生的制动力,制定制动板布置最优方案;(3)对300km/h、350km/h、400km/h及500km/h四种不同速度进行数值模拟,观察不同速度下,制动板的适用性;(4)计算速度不同时,制动板安装在最优位置上的制动力,并计算出其缩短的制动距离,评估制动板的制动效果。研究结果表明:当列车运行速度为400km/h时,制动板安装在头车和尾车流线型尾端附近产生的制动力较大,且制动力最大的位置为距离头车流线型尾端0m处,制动力达到2954N;列车安装制动板后,其所受到的总阻力变大,制动板的制动力在全列车阻力的变化上起主导作用;制动板的最优布置方案为:在列车每节车顶安装5块风阻制动板,总计15块,每块制动板间的距离为2m;在不同初速度下,风阻制动装置产生的制动效果均很显著,在初速度为500km/h时缩短的制动距离可以达到4326.453m,与不加制动板时的制动距离相比减少了19.56%。

关键词：高速列车风阻制动数值模拟制动效果气动特性

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高速列车风阻制动形式对制动性能影响研究

高速列车风阻制动形式对制动性能影响研究

作者：杨楠大连交通大学

学位级别：硕士

随着我国高速列车的运行时速不断提高,安全可靠的制动在列车安全运行中扮演着重要角色。风阻制动是利用风阻板前后的压差提供制动力,列车速度越高,风阻制动装置制动效果越明显,具有减少轮轨损耗、结构简单、绿色环保等特点。因此,研究... 详细信息

随着我国高速列车的运行时速不断提高,安全可靠的制动在列车安全运行中扮演着重要角色。风阻制动是利用风阻板前后的压差提供制动力,列车速度越高,风阻制动装置制动效果越明显,具有减少轮轨损耗、结构简单、绿色环保等特点。因此,研究不同风阻制动形式的制动性能,并根据车速选择合适的风阻制动形式,对于提高高速列车的制动性能具有重要意义。本文对三种不同的制动形式在不同车速下受列车风影响的制动特性进行了研究。首先研究“蝶式”、“鳃式”、“组合式”三种制动形式在不同的车速下,随着制动板数量的增加对高速列车制动力的影响,并将三种制动形式在不同车速下的制动性能进行对比分析;其次讨论在不同车速、制动形式、制动板数量下气动参数的时域特性,通过分析外流场以了解涡街现象以及板间干涉现象,并对不同条件下的湍动能进行分析;最后对制动板的形状进行结构优化,对比优化前后的气动特性及制动特性,分析优化前后的流场特性和制动力增加的原因,提出风阻制动板结构优化的可行性建议。结果表明:(1)三种制动形式的制动力皆与车速呈正比,分析其流场的涡量,表明气流撞击制动板时都产生了涡街。蝶式与鳃式制动在制动板数量达到五组时,制动力达到35.26k N、57.66k N,而组合式制动形式则是每辆车安装3侧-2上五组制动板时的制动力达到68.71k N,几乎不再变化。(2)若希望风阻制动性能达到预期效果,列车时速300km/h时,采用鳃式制动形式,每辆车安装三组制动板最为合适,采用组合式制动形式时,每辆车安装2侧-1上三组制动板最为合适;350km/h时,若采用蝶式制动形式,每辆车安装两组制动板最为合适,若采用鳃式制动形式,每辆车安装一组制动板最为合适;400km/h时,选择蝶式制动形式,每辆车安装一组制动板即能满足制动要求。(3)随着风阻板旋转角度的变化,基于Q准则对比0°时的涡结构,组合式制动板在逆时针旋转12°时两侧制动板所产生的涡结构几乎不与上侧制动板涡结构产生相互干扰。(4)蝶式、鳃式在距车头鼻尖位置11m处、10.5m处达到最大湍动能差值;组合式制动的上侧与两侧制动板在距车头鼻尖位置17.3m、11m处达到最大湍动能差值。(5)贝形制动板相较于矩形制动板所产生的总制动力增幅达到2.5%,制动板的制动效果较好。

关键词：高速列车风阻制动制动性能气动特性干涉效应

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高速列车风阻制动试验方法综述

交通运输工程学报 2021年第6期21卷 94-105页

作者：田春翁晶晶吴萌岭左建勇同济大学铁道与城市轨道交通研究院上海200092

针对高速列车风阻制动试验方法缺少统一标准的问题,从气动特性和装置工作特性两方面系统梳理了风阻制动的相关成果与进展;分析了风翼板形状、尺寸、安装位置和间距对气动特性的影响,装置结构、工作原理和配置对工作特性的影响,阐明了制... 详细信息

针对高速列车风阻制动试验方法缺少统一标准的问题,从气动特性和装置工作特性两方面系统梳理了风阻制动的相关成果与进展;分析了风翼板形状、尺寸、安装位置和间距对气动特性的影响,装置结构、工作原理和配置对工作特性的影响,阐明了制动系统性能的试验需求;分析了风阻制动对车上其他设备、轮轨/磁浮列车运行稳定性、气动噪声的影响,阐明了风阻制动运行影响性的试验需求;分析了物体撞击、平均风载荷和脉动风载荷对风阻制动装置的影响,以及风阻制动装置安装对车体结构强度的影响,阐明了风阻制动结构强度的试验需求。研究结果表明:随着新型复合材料风翼板的应用,需采用高速摄影机记录等方式获取更详细的鸟撞试验过程信息;风载荷试验便于模拟验证不同运行工况下装置的制动能力、强度和气动噪声,但受空间和成本的限制,难以进行制动系统和车体的试验;线路试验可以验证制动性能、运行影响性和结构强度,但受天气条件影响,难以模拟所有运行工况,未来需进一步研究风阻制动的标准试验方法,探索不同装置位置、运行工况和故障状态下地面风载荷试验和线路试验模拟方法,完善试验结果的评价标准。

关键词：高速列车风阻制动风载荷试验线路试验

400km/h高速列车风阻制动装置应用研究

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铁道机车车辆 2020年第3期40卷 29-33,38页

作者：汤劲松尹崇宏马飞杨磊司志强毕海权中车青岛四方车辆研究所有限公司山东青岛266031 中车唐山机车车辆有限公司河北唐山064000 西南交通大学成都610031

制动系统是高速列车关键技术之一。随着列车运行时速的提高,采用组合制动方式来保证高速列车紧急制动时达到规定的制动距离成为常见的做法。近年来,传统机械制动方式日趋成熟,因此,不依赖轮轨间黏着的非黏着制动方式越来越受到相关设计... 详细信息

制动系统是高速列车关键技术之一。随着列车运行时速的提高,采用组合制动方式来保证高速列车紧急制动时达到规定的制动距离成为常见的做法。近年来,传统机械制动方式日趋成熟,因此,不依赖轮轨间黏着的非黏着制动方式越来越受到相关设计人员的重视。介绍了一种基于某型速度400 km/h动车组列车开发的高速列车“蝶形”风阻制动装置,该型风阻制动装置采用小型风阻板进行空气动力制动,质量较轻,结构较简单。通过在车顶合理布置,可将风阻制动力分散于整车,提升紧急制动时的运行稳定性。阐述了其基本原理、开闭机构、响应时间等性能和技术指标,并采用计算流体力学(CFD)方法对其进行了不同工况下制动力的计算评估。

关键词：制动装置风阻制动空气阻力高速列车