模拟列车

2024-05-21

模拟列车（共7篇）

模拟列车篇1

1 引言

高速列车在隧道内运行时, 空气由于受隧道约束, 不能向四周扩散, 列车前面空气阻力增大, 尾部空气稀薄, 列车表面及隧道表面与空气产生摩擦。因此, 作用于列车上的空气阻力远较明线上为大, 增大的空气阻力称为隧道空气附加阻力。

一些学者采用一维非恒定流模型模拟列车隧道空气阻力, 但未能反映出列车头部进入波和列车尾部进入波在隧道内的反射与叠加规律。本文采用三维粘性、可压缩、不等熵、非定常流的数学模型, 对隧道中高速列车空气阻力进行了三维数值模拟, 并且用波的传播理论对所得结果进行了分析。

2 数学模型

2.1 控制方程

列车进入隧道时引起的空气流动, 是可压缩、存在边界层分离的三维不定常紊流流动, 它遵守质量守恒、动量守恒和能量守恒定律[1]。其通用形式的控制方程可写为:

$\frac{\partial (ρ φ)}{\partial t} + d i v$ $(ρ υ φ) = d i v$ $(Γ g r a d φ) + S$

式中, φ为通用变量, 可以代表u、v、w、T等求解变量;Γ为广义扩散系数;S为广义源项。上式中各项依次为瞬态项、对流项、扩散项和源项。对于特定的方程, φ、Γ和S具有特定的形式, 三个符号与各特定方程的对应关系见表1。

为了封闭上述方程组, 必须引进气体的状态方程:

p=ρRT

式中, R为气体常数;T为气体温度。

2.2 初始条件和边界条件

对于初始条件[2,3], 根据计算需要, 给出隧道入口流场的密度、初始速度、温度和压力等初始条件。

边界条件设定如下:

(1) 空气区域上边界和侧面边界采用压力远场边界条件。压力远场边界条件是基于黎曼不变量的无反射边界条件, 计算区域内产生的压力波在该处不是反射波而是透射波。

(2) 列车和隧道的壁面采用无滑移边界条件, 即流体的法向速度为零。

(3) 采用标准壁面函数模拟隧道壁面粗糙度的影响。

(4) 采用滑动网格技术模拟高速列车和空气区域间的相对运动。

2.3 求解方法

采用有限体积法对控制方程进行离散。湍流模型采用标准 k-ε湍流物理模型。对流项采用二阶迎风格式离散, 扩散项采用中心差分格式离散。

3 计算结果及分析

3.1 计算参数和网格划分

隧道计算长度为500m, 断面面积为52 m2;列车长360m, 断面面积为10.3 m2, 阻塞比为0.198。列车速度为360 km/h (马赫数为0.294) 。计算开始时列车距隧道入口100 m。时间步长为0.001s。

网格形式采用六面体网格, 整个计算区域划分为89 126个单元。计算区域网格如图1所示。

3.2 计算结果与分析

图2是用三维数值模拟得出的列车空气阻力的时程曲线。

当列车以高速进入隧道时, 原来占据着空间的空气被排开, 空气的粘性以及气流对隧道壁面和列车表面的摩擦阻力作用, 使得被排开的空气不能像在隧道外那样及时顺畅地沿列车两侧和上部流动, 形成绕流。于是, 列车前方的空气突然受到压缩, 产生列车头部进入波 (初始压缩波) 。由图2可以看出, 高速列车头部刚进入隧道 (t=1.0 s) 时, 隧道空气附加阻力中列车头部的压力就忽然产生, 变化值达10 kN, 而经历的时间仅为0.13 s。

随着列车进一步驶入隧道, 列车四周与空气的摩擦阻力也随之增大, 直到列车全部进入隧道 (t=4.6 s) 后才达到稳定值。

当列车全部进入隧道 (t=4.6 s) 后, 在列车尾部形成了低于洞口大气压的压力降落, 即列车尾部进入波 (膨胀波) , 从而产生了列车尾部吸力, 并逐步增大, 最后才趋于稳定。

当t=3.25 s 时, 列车头部到达距隧道入口225 m处。此时初始压缩波传播到隧道出口端后, 大部分又以膨胀波I的方式反射回来, 到达列车头部, 致使列车头部压力减小, 因此列车空气阻力降至极小值B点。

当t=4.5 s 时, 膨胀波I的一部分在列车头部以压缩波I的方式反射回来, 再经隧道入口处反射, 以膨胀波II的方式与列车头部相遇, 使列车头部压力减小, 列车空气阻力降至极小值C点。

当t=4.75 s 时, 膨胀波I的另一部分隧道出口处反射, 以压缩波II的方式与膨胀波II在车身处相遇, 进行能量交换, 列车空气阻力升至极大值D点。

当t=5.1 s 时, 压缩波II与列车头部相遇, 使列车头部压力增大, 列车空气阻力升至极大值E点。

当t=5.4 s 时, 膨胀波II到达列车尾部, 使列车尾部压力增加, 空气阻力升至极大值F点。

当t=5.5 s 时, 压缩波II经隧道入口处反射, 以膨胀波III的方式与列车头部相遇, 使列车头部压力减小, 列车空气阻力降至极小值G点。

当t=6.0 s 时, 列车头部驶出隧道, 空气阻力逐步趋向明线阻力, 并在车尾驶出隧道时回复至明线阻力。

列车在隧道内的最大空气阻力为49.78 kN, 约为明线上空气阻力的1.44倍。

4 最大坡度的折减

列车在隧道内的最大空气阻力反映了对机车最大功率的要求。为保证列车通过该地段的速度不低于计算速度或规定速度, 进行隧道纵断面设计时要对最大坡度进行折减。

隧道空气附加阻力可视为坡度is产生的阻力。根据阻力等效原则, 故坡度附加阻力fs为:

fs=m·g·is=fT

故得:

$i_{s} = \frac{f_{Τ}}{m \cdot g}$

式中:fs—坡度附加阻力;

fT—隧道空气附加阻力;

m—列车质量;

is—隧道附加阻力换算坡度, 或称隧道当量坡度。

取列车质量为678 t, 则相应隧道附加阻力换算坡度为7.5‰。

为简化计算, 隧道附加阻力换算坡度is, 可换算为最大坡度系数βs。它和设计坡度i的关系是:

$i = i_{\max} - i_{s} = (1 - \frac{i_{s}}{i_{\max}}) \cdot i_{\max} = β \cdot i_{\max}$

故得:

$β_{s} = 1 - \frac{f_{Τ}}{m \cdot g \cdot i_{\max}}$

当限制坡度为9‰时, 对应最大坡度系数βs为0.17。

5 结束语

通过对隧道中高速列车空气阻力的数值模拟, 可以得出以下结论:

(1) 隧道中列车空气阻力的变化是由于列车头部进入波 (初始压缩波) 和列车尾部进入波 (膨胀波) 在隧道两端以及车头和车尾处的多次反射和传递, 使压缩波和膨胀波互相叠加引起的。压缩波和膨胀波在隧道中是以声速传播的。

(2) 高速列车以时速360km的速度进入阻塞比为0.198的隧道时, 产生的最大空气阻力约为明线上空气阻力的1.44倍, 可通过车头形状优化等措施来减少高速列车通过隧道时的空气阻力。

(3) 当限制坡度为9‰时, 对应最大坡度系数βs为0.17, 进行高速铁路纵断面设计时可据此考虑空气阻力的影响。

摘要：为获得高速列车通过隧道时空气阻力变化规律, 指导高速铁路纵断和列车头部的优化设计, 采用三维粘性、不等熵、可压缩、非定常流的Navier-Stokes方程, 用有限体积法进行区域离散, 对高速列车通过隧道时的空气阻力进行了三维数值模拟。对计算结果中的空气阻力曲线进行了分析, 将其中的空气阻力波动情况与列车的运行情况相结合, 对此过程进行了详细的描述和解释。介绍了考虑隧道中列车空气阻力时高速铁路线路纵断面设计中最大坡度的折减方法。

关键词：隧道,高速列车,空气阻力,有限体积法,坡度折减

参考文献

[1]王福军.计算流体动力学分析[M].北京:清华大学出版社, 2004, 7-11.

[2]Ogawa T, Fujii K.Numerical simulation of compressible flowsinduced by a train moving into a tunnel[J].Computational FluidDynamics Journal, 1994, 3 (1) :63-82.

[3]Barth T J, Jespersen D.The design and application of up-windschemes on unstructured meshes[A].Technical Report AIAA-89-0366, AIAA 27th Aerospace Sciences Meeting[C].Vevada:Swesand Zeitlinger B V, 1989.178-190.

[4]郝瀛.铁道工程[M].北京:中国铁道出版社, 2000, 354-356.

模拟列车篇2

一、通告用语【始发5分钟】

欢迎乘坐X 铁路局担当的高铁（动车、城际列车）X次列车旅行，这趟列车是由X开往X方向的高铁（动车、城际列车）X次列车，开车时间X点X分，现在离开车时间只有5分钟，送亲友的朋友请即刻下车，列车很快就要开车了。

【开车欢迎词】

欢迎乘坐X铁路局担当的高铁（动车、城际列车）X次列车旅行，我们全体乘务员将竭诚为您服务，衷心祝愿大家旅行愉快、一路平安！

【预报站名】（开车后）

列车运行前方停车站X站，正点到达X车站的时间是X点X分，停车X分，下车的旅客请提前整理好行李物品，做好下车准备。

（到站前）

X车站就要到了，请您提前在车门处等候下车，列车在X站停车X分，下车时要注意列车与站台之间的间隙，注意安全。列车在站停车时间短，其他旅客请不要下车散步或吸烟。（五型车：这趟列车在站停车时，车门开启十秒无人通过将自动关闭，如果您要开启车门，请按动壁板上的绿色按

钮，并请注意脚下的黄色伸缩踏板，防止踏空摔伤。）

【终到前卫生通告与告别】

列车快要到达终点站X车站了，请配合将小桌板、座椅靠背、（一等车：脚踏板）恢复原位，将杂志装入座椅靠背后面的网袋内，列车到站请顺序下车，下车时请注意列车与站台之间的间隙，防止踏空摔伤。感谢您选择高铁（动车、城际列车）X次旅行，我们期待着与您再次相逢。

【车内概况】

这趟列车是由X开往X方向的高铁（X等）X次列车，最高时速X千米，全程X千米，运行X小时X分，列车途中停靠X个车站（可介绍途中站停点），到达终点站X车站的时间是X点X分。本次高铁（X等）X次编组8辆（编组16辆，为双组连挂，每8节车厢为一组，8号与9号车厢之间不能通行）。X号（和X号）是一等座车，其它为二等座车（X和X号车设VIP观光车厢）。餐吧车（分别）设在X号（和X号）车厢，全程供应套餐、地方特色小吃、各种休闲食品及饮料。每两节车厢设盥洗室、卫生间、电茶炉、大件行李存放处（可根据车况介绍列车编组情况）。X号（和X号）车厢设有残疾人卫生间和婴儿护理台，卫生间墙面标有使用方法，可按提示正确使用。在此提醒旅客们请不要向集便器内抛扔杂物，以免堵塞影响使用（使用残疾人卫生间时，入内后先按下X色按钮，再点击X色按钮将卫生间门锁闭），入厕时遇有紧急情况可按报警装臵及时报警。（您的座椅靠背可以调节，调节时请按住座椅扶手一侧的按钮用力向后靠仰，使座椅的靠背调整到您适合的位臵。）在您前方座椅靠背的口袋里有清洁袋,共您扔臵杂物时使用。在每个车厢座椅扶手内或前排座椅背后都设有小桌板，小桌板承重有限，请不要放臵重物或趴在小桌板上睡觉，敬请大家爱护使用。

【集便器】

我们这趟列车卫生间采用的是真空集便装臵，这种装臵改变了以往的直排模式，避免了对铁路沿线的污染，但是这种装臵不能扔进厕纸和其他物品。如果您不注意向便池内扔进厕纸或垃圾，就会造成设备故障，影响使用。为此，请旅客们给予配合。

【卫生宣传一】

X次列车先进的设施设备，给大家的旅行带来便利，干净整洁的车厢会为每位旅行者增添一份好心情，保持车内环境卫生离不开您的协助。在每个车厢每个座椅后部网袋内装有清洁袋，您可将废弃物装入清洁袋内或直接放入车厢一端的垃圾箱。为保持良好的乘车环境，列车保洁人员随时会进行清扫和整理工作，但是清扫后的保持需要大家的配合。您一点一滴的帮助都是对我们列车工作的支持。

【卫生宣传二】

多一份清洁，多一份舒适。请您不要随地吐痰，不要乱

扔废弃物。带小孩的旅客，请注意及时带小孩入厕。随地吐痰不但污染环境卫生，还会传播多种疾病，有痰请您吐到废纸里扔进垃圾箱内。目前噪声污染与水污染、大气污染同被看成世界范围内三个主要环境问题，列车上是个人员密集的地方，为了您的健康，请不要大声喧哗，文明乘车。

【禁烟宣传】

为了确保列车运行安全，维护车厢环境卫生，动车组列车各部位全程禁止吸烟，请旅客们合作。旅行中您有什么需要，请联系列车乘务员，愿我们用真诚的服务，给您带来一路好心情。我代表全体乘务人员衷心祝愿您旅途愉快。

【安全提示】

动车组列车各部位全程禁止吸烟，请自觉遵守。为了确保安全，列车严禁携带易燃、易爆、腐蚀、毒害、放射性等危险品和管制刀具，如已经带上车，请及时报告列车工作人员妥善处理。列车运行速度很快，行走时，要扶好、走稳。取用开水时，请注意不要接的太满，以免烫伤。带老人和儿童旅行，要特别注意安全，不要让儿童跑动玩耍，以防意外。卫生间里有各种使用提示，遇有特殊情况，请按下紧急呼叫按钮（SOS），寻求帮助。每个车厢都挂有安全锤（紧急破窗锤），在紧急情况下可按图示使用。列车运行速度快，为了安全行李架只能摆放小件物品，大件行李请放在车厢一端的大件行李存放处。列车上的火灾报警按钮和紧急制动按钮

（阀）等仅供紧急情况下使用，请勿随意触碰，以免发生意外。

【旅客须知】

现在向旅客们简单介绍动车组列车乘车的有关规定。乘坐动车组列车的旅客旅行中途站不能下车，如果下车车票前程失效。随同大人旅行的身高1.2至1.5米的儿童可购买儿童票，超过1.5米就要购买全价票了。一位成人旅客可免费携带一名身高1.2米以下的儿童，如果携带了两名身高1.2米以下的儿童，超过的人数应购买儿童票。动车组列车车票最远只能发售到乘坐列车的终点站。规定乘坐动车组列车的旅客随身携带品的重量为20千克，儿童10千克，长、宽、高相加不能超过130厘米。

【避险知识介绍】

出门旅行，安全最为重要。现在向您简单介绍乘坐动车组列车的一些避险知识。列车在运行中，一旦发生险情，千万不要惊慌，要在列车工作人员的引导下有序撤离，不要在列车运行中盲目跳车，以免发生不必要的伤亡。每个车厢我们都配备了灭火器，如果发现火情，首先要及时通知列车工作人员，在紧急情况下您可拔去灭火器的保险销，将喷嘴对准火源，用力压下灭火器上的鸭嘴阀灭火。如果是较大火灾，应按下车内的紧急火灾报警按钮和紧急制动按钮（阀），列车会停车，并拉出每节车厢之间的防火隔断门（阻火门）进

行隔离。此外列车还配备了应急梯（渡板）等应急用品。此外，每节车厢内有红点的玻璃窗均为紧急逃生窗，旁边板壁上配有紧急破窗锤，在列车突发情况时，列车工作人员会利用各种情况紧急疏散旅客。旅客们，增强应急意识，提高防灾避险能力，沉着应对突发事件，就能够避免或减轻灾害事件造成的损失。应急避险知识就介绍到这儿。

二、服务监督用语

欢迎对我们的工作给予监督。您在旅行中如对我们的服务有什么意见和建议，请向列车长提出，也可拨打全国铁路客服电话12306，也可登中国铁路客户服务中心12306网站发表您的意见。

三、应急用语【广播找人】

现在广播找人，乘坐本次列车去X的X旅客，听到广播后，请到X号车厢，有人找您。

【紧急寻医求助】

现在紧急求助，X号车厢有一位旅客临时发生疾病（突然晕厥、休克或分娩），情况危急，我们全体乘务人员代表旅客患者求助寻医，那位旅客是医务人员，请速到X号车厢协助救护，我们代表患者向您致以由衷的敬意！

【寻医答谢】

经过X医院X医生的诊断治疗和大家的帮助，X号车厢

旅客的病情已有所好转(转危为安)，我们全体乘务人员向X医生（和伸出援助之手的旅客们）表示由衷的感谢。

【临时停车】

列车现在是临时停车，请旅客们尽量减少在车内行走，带儿童旅行的旅客请注意看护好您的孩子，注意安全。

【列车长晚点致歉】

我是本次列车列车长，由于X（自然灾害、事故影响、设备故障等）原因，造成列车晚点，现在已经晚点X小时X分。因列车晚点给您带来不便，我代表铁路部门向您表示诚挚的歉意。

【晚点免费送餐】

由于列车晚点延误了您的旅行，我们深表歉意！现在为大家准备了免费食品，工作人员将按顺序送餐到位，请您稍加等候。

【重点旅客供餐】

由于X（暴雪、洪水、塌方、泥石流……）原因，造成本次列车受阻，开车时间暂时不能确定，铁路部门正在（与地方政府联系）积极采取措施进行抢修，并组织有关人员向我们列车运送食品和饮料。但是，由于道路堵塞，食品（救援物资）一时无法送达，列车上的食品只能暂时满足老人、儿童、孕妇等重点旅客，请旅客们给予谅解。我们将积极联系有关方面，尽快解决大家的饮食需要。

【恢复供餐】

在铁路部门的积极努力下（在地方政府的大力协助下），救援食品已安全送达，我们将把食品按顺序发放到您面前，请旅客们在座位上等候。

【电茶炉故障】

本次列车X号车厢电茶炉临时发生故障，随车技术人员正在抢修，在抢修期间，请您到邻近车厢取用开水，由此带来的不便敬请谅解。

【集便器故障】

X号车厢卫生间集便器临时出现故障，经随车技术人员鉴定需要到站修复。临近车厢的卫生间设备完好，可以提供使用，由此给您带来的不便敬请谅解，谢谢您的支持与合作。

【车门故障】

由于X号车厢车门自动控制系统临时发生故障，我们将通过人工方式开启车门，下车的旅客请不要拥堵在车门附近，避让出工作通道，谢谢您的合作。

【个别车厢空调故障】

现在X号车厢空调设备临时出现故障，系统不能正常工作，技术人员正在全力抢修。由于天气闷热（寒冷），给您的旅行带来不便，我们诚恳的向您致歉，并请您谅解，谢谢支持。

【全列空调故障】

由于X（线路设备、接触网、受电弓等）故障，造成全列车无电，空调不能正常工作，我们深表歉意，在此向您诚恳致歉。现在，列车拟开启X号、X号和X号车厢车门进行通风。为了安全，我们要在开启的车门处安装防护网，为了安全请旅客们不要靠近车门，注意安全。在此期间请旅客们要注意看管好自己的行李物品，照顾好随行的老人和儿童。

【线路中断列车停运】

由于X（暴雪、洪水、塌方、泥石流等）原因，前方线路发生故障，本次列车将在X车站停止运行，请您在X车站办理退票手续，由此带来的不便，铁路部门向您表示由衷的歉意。

【线路中断列车绕行】

由于X（暴雪、洪水、塌方、泥石流等）原因，造成路基塌陷（山体滑坡等），本次列车将绕道运行，列车将经由X……站到达终点站。有去往X……车站的旅客，由于线路中断本次列车不能前行，请您在本站下车后到车站售票厅办理退票或改签手续，由此给您带来的不便，敬请谅解。

【线路中断列车停留】

由于X（暴雪、洪水、塌方、泥石流等）原因，造成线路中断，本次列车需要暂时在此停留，目前铁路部门正在积极抢修，相关信息我们会及时向您通报。由于列车晚点，给您的旅行带来不便，铁路部门表示诚挚的歉意。感谢您的理

解与配合。（需要中止旅行的旅客，可在本站下车到售票处办理未乘区间的退款手续。）

【列车长时间受阻】

我们目前遇到了X年（多少年）未遇的特大灾害，情况十分严峻，我们所有乘务人员都将以旅客利益为最高目标，全心全意服务在大家身边。我们会及时通报救灾和列车开通工作进展情况，解决大家的饮食问题和临时困难，衷心希望旅客中的共产党员、共青团员、解放军战士、人民警察能和我们一起，帮助老、弱、病、残、孕等重点旅客。也请广大旅客保持镇定并一起遵守列车秩序，让我们团结一致，众志成城，共渡难关。

【恢复通车】

历经X小时的努力，我们终于一起战胜了X（冰雪、洪水、塌方、泥石流等）带来的困难，现在就要恢复通车了。我们向在此过程中参与工作和帮助过其他旅客的爱心人士表示由衷的感谢，各岗位乘务人员请各就各位，列车很快就要开车了。

【启动热备车】

本次列车发生设备故障不能继续运行，需要旅客们换乘另外一组列车，请协助整理好自己的随身物品，按先后顺序，排队下车转乘同一站台对面停留的列车（如在区间播：经由X号车门渡板到邻线对面列车，在渡板上行走时请听从工作

人员指挥，按顺序有序通行，注意安全，特别要注意不要抢行，严禁拥挤），按照原有车厢、座席对号入座。如果您的座位号与原有车厢发生变化时，请按列车工作人员指定的座位号就坐。如从高等级更换为低等级座席时，经列车和车站工作人员确认后到站退回差价，请给予理解和协助。

【火灾疏散】（车内疏散）

本次列车的X车厢出现火情，请乘坐在X号车厢的旅客，紧急疏散到邻近车厢，疏散时不要拥挤、保持车厢通畅。其它车厢的旅客请不要走动，让开通道，帮助疏散过来的老人、儿童和行动不便的旅客。我们列车工作人员正在全力组织灭火，险情很快就会排除。

（车下疏散）

本次列车的X号车厢出现火情，需要旅客们紧急疏散到车下。因X次列车工作人员较少，特请解放军战士、人民警察和志愿者们协助我们组织旅客紧急撤离。现在车门已经打开，请旅客们顺序排队，下车时请不要拥挤、不要慌忙抢下，特别要注意邻线随时有列车通过。下车后请停留在列车工作人员指定的地点，照顾好老人和儿童。

【疫情提示】

欢迎您乘坐X次列车旅行。列车是个公共场所，车厢人员密集，容易造成疾病传播后果（现在是X病情传播期，主

要症状是发热）。为了您和他人的健康，本次列车代表铁路部门提醒您，如有发热、流涕、咳嗽等感冒症状，请及时与列车乘务员联系妥善处理。希望得到您的支持与配合。

【疫情疏散】

现在紧急通知，列车X号车厢有位发热病人（X病疑似病人），列车对该旅客和密切接触者要立即实施隔离，现在立刻封闭X号车厢（X区域）。为避免增加病情传染机会，各车厢的旅客，请不要走动，不要向车站扔垃圾，谢谢您的配合与支持。

【晚点旅客不下车】（特定情况劝阻）

本次列车由于X（暴雪、洪水、塌方、泥石流、设备故障等）原因，晚点到达终点站X车站。20分钟后该趟列车即将担任高铁（X等）X车次继续运送旅客。由于列车晚点，部分旅客要求维护自己的权益而没有下车，对此我们予以充分理解，但占据列车影响下趟列车的开行是不理智的。根据《铁路运输安全保护条例》和铁道部、公安部《关于维护铁路运输秩序保障列车正常运行的通告》规定，任何单位和个人不得非法拦截列车、以拒绝下车等方式强占列车、车辆，阻断铁路运输。请旅客们顾全大局，先行离开，再以合法方式维护自己的利益。谢谢您的合作！

（更严重情况宣讲）

模拟列车篇3

关键词：气流噪声,表面脉动压力,大涡模拟,高速列车

随着列车速度的增加,铁路噪声也相应的增大,但是随着人们生活品质的改善,对环境舒适性要求也大大提高,这就需要采取合理的措施来控制铁路噪声。一般来讲,列车高速运行时的铁路噪声由两部分组成[1]: 1) 机械噪声,主要包括车轮噪声和轨道噪声; 2) 气流噪声。随着列车运行速度的逐步提高,机械噪声和气流噪声在列车总噪声水平中的贡献度会发生变化。在列车运行速度> 250 km / h时,气流噪声将超过机械噪声,变成最主要的噪声源。气流噪声主要是由列车高速运行时流场结构的变化引起的。列车高速运行时,由于列车外形曲率的变化, 列车表面会和空气发生明显的相互作用,致使车身附近的气流流动不平稳,气流发生分离,从而形成复杂的涡流流动[2]。受此涡流的影响,车身表面的脉动压力会出现剧烈的变化,最终会形成刺耳的气流噪声。

根据莱特希尔声学理论知识可知,气流噪声是由3种典型的声源组成,分别为: 单极子声源,偶极子声源和四极子声源[3]。单极子声源产生的原因是因为气流体积的变化。偶极子声源产生的原因是车身表面和流体相互的作用,致使气流扰动分离。四极子声源产生的原因是因为车身周围空气体积的应力张量的变化。仔细分析,可以看出3种噪声源所引起的噪声比重各有不同。如果把高速列车的车身看做刚性结构,则单极子声源噪声将为零。高速行驶的列车虽然速度相对较高,但仍然远低于音速,属于低马赫数。因为四极子声源与偶极子声源的强度之比正比于马赫数的平方,所以相比于偶极子声源产生的噪声, 四极子声源产生的噪声要小得多,几乎可以忽略不计[4]。此时可以得出一个结论,偶极子声源是组成高速列车气流噪声的主要噪声源。而偶极子声源主要是由于列车表面脉动压力的变化产生的,也就是说,车身表面脉动压力的变化是气流噪声的主要噪声源。因此通过研究车身表面脉动压力变化情况可以了解气流噪声特性和分布情况,为控制噪声提供基础。

国内学者在车辆气流噪声的研究方面起步较晚,大部分研究还是在试验的基础上定性分析为主,由于试验成本较高,近年来随着CFD技术的发展,学者们更多的通过建立准确的流体模型来模拟流场分布,分析流场性质,探讨最佳方案。在此基础上利用Fluent声学模块,采用大涡模拟( LES) 的方法模拟计算得到了高速列车表面脉动压力变化分布,得出一些关于高速列车气流噪声的有用特性和结论,为降低气流噪声提供依据和参考。

1大涡模拟( LES) 的基本理论

湍流是由许多不同尺度的旋涡所组成的,其中大尺度涡主要造成湍流的脉动与混合,还会造成各种变量的湍流扩散、能量交换和雷诺应力的产生,对平均流动影响比较大,而小尺度涡主要通过耗散脉动能量来影响各种变量[5]。基于上述物理基础,大涡模拟的基本思想就是采用滤波的方法把包括脉动运动在内的湍流分解成大尺度的涡和小尺度的涡两部分,然后大尺度的涡通过数值求解运动微分方程进行直接计算,而小尺度的涡采用亚格子模型,即在涡黏性的基础上通过引进一个湍流粘性系数来建立与大尺度涡的关系,然后对其进行数值模拟[6]。通过在波数空间或者物理空间过滤Navier - Stokes方程还可以计算得到LES的控制方程:

2模型建立与边界条件的设定

由于列车气流噪声计算对计算机硬件的要求较高,所以对列车表面进行了一定简化,将列车表面附属设备去除,车身简化为列车是由光滑曲面构成的集合体,从定性分析的角度去分析列车气流噪声的特性。把计算域划分为两个部分,靠近列车表面的小计算域和远离列车表面的大计算域。大计算域长度为车身的4倍,其中入口距车头的距离为车身长度的1. 5倍,出口距车尾的距离为车身长度的2. 5倍。模型及计算域如图1所示。

文中采用的是混合网格的方法,即使用结构网格和非结构网格联合进行划分。在列车表面采用三角形网格,附近的小计算域则采用非结构四面体网格。在远离车体的大计算域内,列车对气流流动影响随着车体距离的增大而减小,因此离列车越远的网格可以划分的越大,并以一定的增大因子均匀的过渡。此外,在离车体一定距离后,可以采用结构化网格。进而不仅能减少网格的数量,而且在保证计算精度的同时还可以减少计算时间[7]。网格数约为400万个。如图2所示。

气流噪声的数值模拟部分是通过流体力学软件Flu- ent计算实现的。模拟计算分为稳态仿真和瞬态仿真两部分。稳态仿真选用标准l湍流模型,瞬态仿真则采用大涡模拟实现计算[8]。边界条件的设置包括速度进口、压力出口和壁面,基本方法是列车设定车静止不动,气流以列车时速沿着列车前进的反向方向流动,同时地面以列车的时速与气流同向运动,以此模拟列车高速运行的实际环境。瞬态参数设置为: 实现脉动压力达到最高分析频率5 k Hz[9],根据奈奎斯特采样定律,计算时间步长设置为0. 000 1 s,采样时间设为0. 2 s。空气密度设为 ρ = 1. 225 kg / m3。

3列车表面静压力云图分析

图3是列车高速运行时速度达到300 km/h时车头稳态流场的表面静压力云图。

由图3可知,列车在高速前行过程中,车头正对来流方向,气流在车头最前端的区域开始受到阻碍[10],在该区域形成正压区,且压力梯度出现较大变化,同时在鼻尖处形成一个滞止点,也称为驻点[11],在整个流场中该处的压力最大。然后从鼻尖处气流被划分为3个部分,分别流向车顶、车体两侧及车底。在车头与车身过渡的区域,因为车头曲面存在曲率变化,气流绕流的速度逐步加快,造成该过渡区的压力急剧下降,出现高负压区。此后随着曲面变化逐渐平缓,负压绝对值迅速减小,在车身顶部及侧面只有很小的负压区。

图4为列车车身表面静压力云图。

从图4可以看出列车车顶及车体两侧表面静压力为负值,但由于绕流和车体曲率变化的影响,靠近车体头部和尾部的表面的静压力绝对值大于车体的中段车身。而且车身中段静压力几乎无变化,压力梯度较小。

图5为车尾表面静压力云图。

从图5可以看出尾车头部变截面处负压较大,和车头部静压力相似,由于尾部漩涡的影响,伴随着能量的耗散, 使得尾部最大负压值的绝对值也远小于列车头部的最大负压值。

4列车表面脉动压力分析

列车高速运行时,周围涡的分布、形成、脱落及破碎情况决定了列车脉动压力场的变化。在车身表面布置了10个具有代表性的监测点,如图6所示。从中选出3个更具代表性的点脉动压力时域图,如图7所示。

从图7可以看出,列车表面的脉动压力是随时间不断变化的力。而且列车头部和尾部脉动压力的变化明显高于中部车厢。列车头部和尾部压力变化大约在- 11 N / m2~ 15. 5 N / m2之间,中间车厢脉动压力变化范围在- 8 N/m2~ 12 N / m2之间。这表明列车表面脉动压力的分布与列车的表面流态有关,而表面流态又由列车结构所决定。由于列车头部和尾部结构存在较大的曲率变化,使气流发生分离,形成涡流,从而导致了车头和车尾两个区域的脉动压力变化范围大于中间车厢。

5高速列车气流噪声频谱分析

通过脉动压力的时域曲线很难看出列车频谱的结构特性[12]。此时需要将求得的列车时域脉动压力转化为频域脉动压力,这里可以通过在Fluent声学模块中将时域曲线进行快速傅里叶变换得到。图8为变换得到的3个监测点的脉动压力级频谱图。

从图8可以看出各监测点气流噪声的频带很宽,在低频时气流噪声幅值均较大,随着频率的升高,各点的幅值都持续下降。由此可知: 气流噪声的能量在低频时较大, 在高频时较小。虽然3个点处流体流速稍有差别,但是脉动压力级频谱图却很相似。脉动压力在数值上稍有差别, 不过变化趋势差别不是很大。

高速列车脉动压力噪声是一种宽广连续谱噪声[13], 为更直观表现列车表面脉动压力的频谱特性,图9给出了列车运行速度为300 km/h时,4,6,8点A计权脉动压力级的1 /3倍频程频谱。从图9可看出脉动压力的能量主要集中在300 Hz到1 100 Hz频段范围内。由于脉动压力是气流噪声主要噪声源,可以推断高速列车300 Hz到1 100 Hz频段的气流噪声幅值相对较高。

6结语

通过使用Fluent软件对一定速度下运行的高速列车气流噪声进行了数值模拟计算并对结果进行了系统的分析,得到了高速列车气流噪声的一些特性和有效结论。

1) 列车高速行驶,车头周围流场会产生强烈的空气扰流,引起较为复杂的涡流流动,此时车头处的脉动压力最大。

2) 各点处总脉动压力级点随着所在位置的曲率变化的增大而增大,减少车体的曲率变化,可有效降低声压级。

3) 列车表面脉动压力在高频区较少,在低频区较大, 并随频率的增加而减少。

模拟列车篇4

关键词：高速列车,隧道,数值模拟,空气动力学

引言

近年来, 高速列车得到了迅猛地发展[1]。随着列车运行速度的提高, 空气动力学问题已成为制约列车提速的重要因素, 引起了广泛的关注。高铁线路中隧道占有很大的长度比例, 如武广线隧道 (含明洞) 占线路长度的17.15%, 不同于列车在开阔的地面上行驶, 隧道的边壁大大限制了空气的侧向流动和上向流动, 同时考虑到空气的可压缩性, 当列车通过隧道, 隧道内的空气将产生相当大的压力瞬变, 形成列车隧道压力波[2]。这种压力波会对旅客、列车、隧道及周围环境等造成严重的影响。从20世纪60年代起, 国内外就开始对高速列车隧道的空气动力学问题进行研究[3,4,5]。在列车在进入隧道时的压力瞬变、列车活塞风等许多问题上取得了一定进展, 但都尚有其局限性。文章在特定隧道参数和具体列车速度下, 利用计算流体软件Fluent, 采用三维黏性、瞬态可压缩的数学模型, 研究了高速列车通过隧道的过程中隧道及列车表面的压力分布规律以及列车气动载荷的变化规律。

1 计算模型

1.1 数学模型

高速列车通过隧道引起的空气流动是三维、非稳态可压缩的湍流流动。由于模拟计算车速在200~500km/h间, 并且隧道内的空气受到隧道壁的限制, 空气流动需要当作可压缩处理。对粘性、可压缩的基本方程进行雷诺时均化[6], 并附加κ-ε方程湍流模型来求解列车通过隧道时的气动力。

1.2 几何模型

文章将采用三车编组模型进行模拟, 即整个模型由一节头车、一节中间车和一节尾车组成。忽略了转向架、受电弓等细小部件以提高计算效率。头车和尾车具有相同的外形, 列车模型皆由头车 (26.5m) +中间车 (25m) +尾车 (26.5m) 组成, 如图1所示, 列车长、宽、高分别为78m、3.38m、3.7m。

对于隧道几何外形, 根据文献调研结果, 给出了京沪线、武广线隧道单洞双线形式, 其轮廓如图2所示。隧道内轮廓采取单心圆, 半径为6.87m, 线间距为5m, 隧道截面积约为100m2, 隧道长200m。隧道模型中设定隧道内的线路为直线, 忽略隧道的坡度, 简化隧道的结构形式。

1.3 计算网格

建立计算区域时, 考虑到流场的充分发展及气流的绕流影响, 计算区域的尺寸取值应较大, 但计算区域越大, 需要的计算资源越多, 计算速度越慢;为了控制计算规模, 在保证计算精度的前提下, 经计算比较, 选定的计算区域如图3所示。整个计算域大小为:700m×120m×60m;其中每个外域:250m×120m×60m。初始时刻, 列车头部距隧道入口距离取为80m。

整个模型分为移动和固定部分, 见图4。两部分网格由滑动交界面连接移动部分包括列车外表面及列车行驶方向前后的流场;固定部分包括隧道壁、隧道口周围的开阔空间移动部分以列车速度移动固定部分保持不动。由于列车车头曲面造型复杂, 文章采用非结构网格划分整个流场区域, 最终网格划分情况如图5所示。

2 计算结果及分析

2.1 隧道及列车表面测点压力变化

为了研究车体表面和隧道壁面处压力波随时间的变化规律, 计算过程中需要在车体表面和隧道壁面选取若干压力测点。测点的布置如图6所示。在靠近隧道壁面的车体侧面布置6个测点, 车体另一侧面布置了3个测点, 分别与2、3、4号测点相对应位置。同时, 在隧道壁面分别布置了三个监测点9、10和11, 分别位于隧道入口处、隧道中点和出口处。

以时速为380km/h的高速列车通过长200m, 复线间距5m的双线隧道为例, 计算初始列车距离隧道入口80m, 完全通过隧道需用时4.13s。图7为仿真结束后测点1和测点10压力随时间变化曲线, 从图中可以看出, 压力值的变化趋势变现为升高-降低-升高-降低的这样一个过程, 具体原因分析如下。

列车鼻尖 (监测点1) 处的压力变化过程如图7 (a) 所示。t=0.75s时刻, 列车头部刚进入隧道形成压缩波, 此时, 鼻尖压力升高;此压缩波继续向前传播, 至隧道出口时, 压缩波转变为膨胀波向隧道内返回, 并在t=1.40s传至车头, 致使鼻尖压力下降;t=1.50s时, 列车尾部进入隧道产生的膨胀波传至车头, 鼻尖压力进一步降低;直至t=1.97s, 列车尾部产生的膨胀波已从隧道出口以压缩波的形式返回至车头, 鼻尖压力开始上升;同一时间段, 列车头部进入隧道产生的压缩波经洞口二次反射以压缩波形式到达车头, 鼻尖压力继续上升。

列车高速过隧道导致对隧道壁面和列车的空气压力变化, 虽都只选取了一个测点, 但能代表隧道, 列车其他位置的压力变化规律, 仅幅值大小和作用时间长短的不同。这种压力变化对列车的车体结构和车厢内部环境、隧道结构及照明灯具等附属设施均会带来不利影响。

2.2 运行速度对压力变化的影响

在复线间距为5m前提下, 分别进行了速度为200km/h, 300km/h, 380km/h, 500km/h的单车通过双线隧道的模拟仿真。为不同车速的列车进入隧道时, 列车鼻尖测点处的压力变化曲线。

从图8中可以看出, 各处的压力变化曲线在不同车速时的变化趋势几乎相同, 压力变化的最大值随车速的增大而增大。为了找出车速与列车表面压力以及隧道内压力变化幅值的关系, 以列车鼻尖和隧道中点处压力为例, 将计算得到的最大幅值记录在表1中, 由表1中数据生成拟合曲线, 得到压力幅值随速度变化的曲线如图9所示。

列车鼻尖测点压力拟合曲线的幂指数为1.94, 隧道壁中点压力拟合曲线的幂指数为2.27, 根据拟合关系式, 最大压力变化值几乎与列车速度的平方成正比, 这与当前国内外的试验及数值计算的结果相一致。

2.3 气动载荷的分析

列车在运行过程中各节车会受到侧向力、升力、阻力、侧滚力矩、摇头力矩、点头力矩这六个力 (矩) 的作用, 它们对列车的运行安全性、平稳性有很大影响。将列车的表面压力向车体中心简化, 如图10所示, 得到列车过隧道时所受的这六个气动力 (矩) 的变化规律, 图为计算得到的列车所受的侧力、侧滚和阻力。

3结束语

文章利用计算流体力学, 采用滑移网格技术对列车通过双线隧道的过程进行了仿真分析, 分析了隧道内、列车表面的压力和列车运行过程中受到的气动作用, 得出如下结论: (1) 列车通过隧道的过程中, 由于隧道空间的限制和空气的可压缩性, 列车表面和隧道壁会出现正负交替的压力突变; (2) 列车运行速度是影响隧道压力波大小的重要因素, 列车表面压力变化幅值与列车运行速度的平方成正比, 隧道壁面的压力变化幅值亦与列车运行速度的平方成正比; (3) 列车在隧道中受到的气动力也会发生改变, 其中侧滚, 侧力, 阻力和摇头都有较大的瞬变, 这对列车运行的安全性和乘客的舒适性都有一定的影响。

作者简介:黄宇明 (1990-) , 男, 硕士研究生。

参考文献

[1]钱立新.世界高速列车技术的最新进展[J].中国铁道科学, 2003, 24 (4) :1-11.

[2]梅元贵.高速铁路隧道空气动力学[M].北京市:科学出版社, 2009.

[3]Mei Y.A Generalized Numerical Simulation Method for Pressure Waves Generated by High-Speed Trains Passing through Tunnels[J].Advances in Structural Engineering, 2013, 16 (8) :1427-1436.

[4]Proverbio A.Numerical simulation of a train traveling in a tunnel[J].Degree Thesis, 2010.

[5]王英学, 高波.高速列车进出隧道空气动力学研究的新进展[J].中国铁道科学, 2003, 24 (2) :83-88.

[6]李万平.计算流体力学[M].武汉:华中科技大学出版社, 2004.

模拟列车篇5

探明安装在高速列车车顶集电装置的空气动力学现象,对于确保其稳定的受流性能和较低的气动噪声是非常重要的。低噪声风洞试验是解决这类问题的一种有效措施,至今已经开展了许多涉及到集电装置的风洞试验。尽管集电装置周围的流动状态受动车组附面层的影响,但是该影响在常规的风洞试验中并没有考虑,有时会导致风洞试验和实车测试结果的不同,在评估受电弓的气动力及气动噪声上产生明显误差。

本文提出了一种模拟新干线列车车顶上湍流发生的风洞试验方法。首先用热线风速计和3端口皮托管测试实车运行中受电弓周围的湍流情况。然后,通过在风洞开口试验段上游设计一组不同外形、不同布置的障碍物,并降低它们自身所产生的气动噪声来模拟风速分布。最后,对比评价障碍物的设置与否对受电弓模型上产生的气动噪声及作用于受电弓模型上的气动力的影响。以下详细介绍实车试验和风洞试验。

2 测量新干线列车车顶上的风向和风速

1999年,森川等人[1]用梳状皮托管测试了新干线列车车顶上的风速分布。那时,列车车顶仅能做到有限的平滑以降低气动噪声,但与最新一代新干线列车相比,仍然存在相当大的不平顺,如较大的受电弓罩以及车辆间的缝隙。而且没有测试实际运行列车受电弓周围的流场。本文通过在最新型的新干线列车车顶上安装热线风速仪来测量风速分布,通过安装在受电弓弓头两侧的3端口皮托管来测量作用于受电弓上的风速。新干线列车的实车测试情况见图1。

2.1 用热线风速仪测量风速

为了研究新干线列车车顶上形成的湍流附面层,采用热线风速仪来测量车顶上的风速分布,如图2所示,锥形传感器分别安装在梳状管道的前端,测量车顶以上100 mm、200 mm、300 mm和400 mm高度的风速。如图1所示,测量第7辆车车顶上集电装置在每个运行方向的迎风风速,传感器分别放置在第7辆车和第8辆车之间的缝隙并朝向第8辆车、第6辆车和第7辆车之间的缝隙并朝向第6辆车。试验过程中列车最高运行速度为300 km/h,对持续匀速运行8 s的采集数据进行评估。然后将每个传感器的车速与风速之间的关系都用线性插值法进行计算,并将其斜率定义为风速的无量纲值。图3给出了试验结果。前车附近风速快,且对后车周围风速有减缓作用。这一现象表明,前车周围的附面层比较薄,随着接近于动车组的后部而逐渐增厚。隧道内风速是隧道外风速的1.2倍～1.3倍。

2.2 使用3端口皮托管测量风速

如图1所示,使用安装在第7辆车受电弓弓头表面的3端口皮托管,迎风测量受电弓表面的风向和风速[2]。图4为安装在受电弓弓头两侧高结构强度的蛇形3端口皮托管, 测量时仅激活迎风侧的那个。因可将3端口皮托管升至合适的位置使得进入其内的流量几乎是二维的,且由接触损耗引起电弧的影响很轻微,故如图4所示,将其安装在主滑板的端部(主辅滑板之间的连接点上)。用安装在受电弓的底座内部的压力表测量每个端口的压力,输出结果传输到车内电脑上,同时记录列车的位置和速度。

首先,将受电弓用拉绳拉到半蹲位置,保持受电弓弓头上表面距离轨面4 800 mm(即列车车顶上方1 200 mm、接触网下方200 mm)。然后测得迎风方向和速度。同时,通过拉绳上的张力计测量作用在受电弓上的升力。图5(a)给出了受电弓升力和列车速度之间的关系,图5(b)给出了受电弓升力和由3端口皮托管测量的迎风速度之间的关系。当用升力与列车运行速度绘图时,它们的关系不太明确(尤其是在隧道内)。相反,当用升力和迎风速度作图时,它们之间关系非常清晰且与风洞试验结果吻合良好。如图6所示,隧道外运行时,作用在受电弓弓头上的迎风速度几乎等于列车运行速度。图5表明,在隧道内测量的受电弓升力取决于迎风速度而不是列车速度。

(转向节朝向背风侧工况)

其次,使用相同的3端口皮托管测量作用在集电装置上受电弓迎风的方向和速度。图6给出了迎风方向及迎风速度与列车速度的比值。各组数据是通过0.5 Hz低通滤波器处理后得出的。隧道外的速度比值几乎为1,这意味着迎风速度几乎等于列车速度。另一方面,隧道内的速度比值增大且随隧道内位置的改变而改变。转向节在迎风时风向稍微向上,逆风时风向稍微向下。但是,风向角能够稳定在±1°。在隧道内运行时,向上和向下的方向略有增加。尽管如此,在隧道的内部和外部,迎风方向仅相差约0.3°。

3 模拟高速列车车顶上流场的风洞试验方法

在高速列车研发过程中研究受电弓气动噪声和作用于其上的气动力时,风洞试验必须确保模拟流动条件尽可能地重现实际运行列车周围的流场。正如在第2节中的论述,虽然湍流附面层随实际高速动车组的长度增加而变厚,而风洞试验段则常会形成较薄附面层的流场。因此,提出一种能够模拟真实新干线列车车顶上湍流的风洞试验方法,并能将此方法用于评估缩比受电弓模型的气动噪声和气动力上。

在以前所开展的研究中[3],通过在风洞试验段上游设置尖劈、粗糙的障碍物来模拟沿地面形成的大气湍流附面层,然后开展列车/车辆在横风下的气动特性研究。除了评估空气动力噪声外,还有必要考虑到以下几个问题:

(1) 由于来流速度必须足够快才足以模拟高速列车湍流,要求尖劈、粗糙的障碍物必须有足够的结构强度;

(2) 障碍物所产生的气动噪声必须远小于测试模型的噪声;

(3) 当用于评估横风气动性能时,相当于缩短了模型与放置在上游的障碍物之间的距离,必须使用更大比例的模型,以确保模型的气动噪声远超过风洞或障碍物产生的背景噪声。

以下提出了一种有效模拟湍流附面层流的试验方法,用于评估气动噪声。

3.1 风速分布模拟

小型低噪声风洞的初步试验表明,通过调整障碍物的形状和布置,可以在风洞试验段内模拟类似风速分布的真实运行列车车顶上的湍流[4]。随后用更大比例的模型在日本铁道综合技术研究所的大型低噪声风洞中开展试验。图7为开口风洞试验段的安装图。风洞喷口处的横截面为宽3 m×高2.5 m。将1/3.15缩比的集电装置模型放置在宽5.5 m×长7 m的支撑台上。用于模拟湍流附面层的障碍物的形状,是在小型风洞试验结果的基础上确定的。尖劈采用等腰三角形,等边上的尖角用近似为半径10 mm圆弧进行圆滑处理。表面上粘贴4 mm厚的无纺布,以减少气动噪声。同时使用了高20 mm的L形扰流板。表1给出了在风洞试验和现场测试中障碍物的安装条件。

图8比较了风洞试验和实车测试的风速分布关系。图8中横坐标表示距列车车顶或支承台上表面的高度。对于风洞试验结果(表1中方案A～方案D),用高度乘以模型比例(1/3.15)的倒数,将其转换为全尺寸值。图8纵坐标是列车速度或来流速度(=150 km/h)的无量纲化比值。当使用大尖劈时(方案B),发现附面层厚度大于实车试验值,但支承台上表面风速相对较小。当使用小尖劈时(方案C),风速分布与新干线老式列车8号车车顶上一致(方案F)。最新型的新干线列车车顶上薄的附面层(方案H)可以通过使用高度为20 mm的L角形扰流板模拟(方案D)。

(图例参考表1)

3.2 气动噪声的评价

采用表1中方案C和方案D的试验方案,模拟真实列车运行湍流附面层,测试集电装置缩比模型的气动噪声。集电装置的模型缩比比例为1/3.15,放置在距离喷口下游4.5 m处,12.7 mm( in)的全方位麦克风被放置在模型一侧7.9 m处(换算全尺寸25 m处)。和前面所讨论的一样,在尖顶圆滑等边尖劈上表面覆盖无纺布。然而尖劈产生的气动噪声仍然过大。如图7所示,将宽3.5 m×高2.7 m的隔声板安装在喷口处全方位麦克风附近。图9给出了350 km/h 时气动噪声的记录比较结果。采取前面所介绍的对策后,障碍物及背景噪声比集电装置模型的气动噪声低7 dB以上,虽然信号的信噪比还较低,但整体而言方案可行。由于即使没有障碍(方案A)时支承台产生的湍流附面层也比模型的尺寸厚,对比试验结果可知,有/无障碍物在大型风洞试验中的气动噪声结果与小型风洞相比,差异不大[4]。

4 作用于受电弓上的气动力评估

基于前面所述的试验结果,针对缩比的集电装置模型(2.2节采用全尺寸)在第3节所描述的障碍物条件下在风洞中测试了气动力。受电弓模型装有相当于全尺寸的受电弓的连接机构,这样便可以采用与2.2节中相同的方式测量升力。表1中的方案A(无障碍物)、方案C(3个等腰三角形高1 000 mm×宽60 mm)、方案D(L形角高20 mm×宽1 593 mm)设置在喷口处。图8给出了支撑台产生的湍流附面层上的风速分布。真实地再现了评估方案D中集电装置入口处的附面层。

受电弓弓头的上表面高度调整到等效于实车升力测试工况下的高度,即距离轨面4 800 mm处(距列车车顶以上1 200 mm处)。配置前述3个障碍物,测试比模型的升力。图10给出了测试结果。绘制升力系数与雷诺数的关系图,以便能够与图5中全尺寸受电弓产生的升力进行比较。选择弓头长度(全尺寸时为0.9 m,缩比时为0.3 m)为特征长度来定义雷诺数,分别采用列车运行速度或风洞的来流速度为特征速度,测量不同速度下的升力。如图10所示,升力系数取决于雷诺数(特征长度固定的条件下,主要取决于速度)。由于升力系数对雷诺数的影响因素在风洞中和现场测试中表现出相同的趋势,所以针对缩比模型所进行的升力测量是有效的。

此外,还开展了风速分布对升力系数的影响研究。方案A(没有障碍)和方案D(L角形高20 mm×宽1 593 mm)的升力系数差异很小,这是因为在这2种方案之间的风速分布的差异也很小。与此相反,当转向节朝向迎风侧时,方案C(3个等腰三角形高1 000 mm×宽60 mm)的升力系数大幅下降。同样的趋势也出现在当转向节朝向背风侧时。然而,当转向节朝向迎风侧时,方案A和方案C的差异并不像转向节朝向背风侧时那样大。

当转向节朝向迎风侧时,在模拟真实运行列车车顶上湍流流场的方案D中,产生的升力系数最接近于实车测试值。但是,当转向节朝向背风侧时,实车试验中获得的升力系数大于风洞测试值。

从上述结果中可以看出,受电弓升力受风洞中支撑台上形成的附面层分布的影响。为了详细地确认这一点,对垂直方向上的受电弓弓头处折叠在里面的绝缘罩中心的风速分布进行了测量。在这项研究中,只讨论朝向迎风侧的转向节在不同障碍物之间升力系数结果差异较大的测量结果。图11中的横轴是风速对来流速度(=150 km/h)的无量纲值,纵轴表示换算为全尺寸值时距支撑台上表面的高度。在图例中的“y”表示轨道纵向轴线上距离受电弓模型中心的垂直距离。当尖劈放置在喷口处,绝缘罩的附面层厚度增加(受电弓周围的风速降低),垂直方向上的速度梯度与无障碍物的方案不同。风速分布的差异引起受电弓升力的差异。

因此,受电弓升力主要受附面层分布的影响。为了在风洞试验中准确评估升力,宜采用本文提出的风洞试验方法,尽可能真实地模拟列车车顶的风速分布。

(受电弓弓头位于上游的工况)

5 结束语

本文提出了一种用于模拟高速列车车顶湍流的风洞试验方法,同时研究了与真实运行新干线列车条件相似的作用在受电弓模型上的气动噪声和气动力,得出以下主要结论:

(1) 用热线风速仪测量了实际运行工况下新干线列车车顶上的风速分布。风速在前车附近普遍较快,后车周围放缓。隧道内风速是隧道外风速的1.2倍～1.3倍。

(2) 用安装在受电弓弓头表面上的3端口皮托管测量作用在受电弓上的风向和风速。试验表明,受电弓升力取决于列车运行速度,而不是迎风风速。转向节朝向迎风方向时风向稍微向上,转向节朝向背风方向时稍向下。

(3) 真实运行列车车顶湍流的风速分布可以通过调整障碍物的形状和布置在风洞试验段模拟,如在喷口处放置尖劈或L角形的扰流板。在障碍物和麦克风之间安装隔声板,可用来评估在实际列车相同的流动条件下,受电弓产生的气动噪声。

(4) 搭建了缩比尺寸的集电装置模型,并在风洞中用上述障碍物对其进行测试。结果表明,受电弓升力主要受附面层分布的影响。

参考文献

[1] Morikawa, T. and Iwainaka, A.. Airflow Effect on Current Collecting System by High-Speed Shinkansen Train Running in Tunnel[J] .RTRI Report, 2001,15(6): 27-32(in Japanese).

[2]Ikeda,M.,Mitsumoji,T.,and Yamashita,Y..Direction and Veloci-ty Characteristics of Air Flow around Pantograph of Running Train[J].RTRI Report,2011,25(6):11-16(in Japanese).

[3]Suzuki,M.,Tanemoto,K.,Saito,H.,and Imai,T..Method of Sim-ulating the Atmospheric Boundary Layer in Wind Tunnel Tests on Aer-odynamic Characteristics of Train/Vehicles under Cross Winds[J].RTRI Report,2003,17(11):47-52(in Japanese).

模拟列车篇6

1选题理由

LKJ设备按设备功能分, 主要包括模拟量通道、TAX2综合平台、机车信号、语音录音、数字量通道及其他设备。在对我段车载车间2011年10月至2012年4月期间LKJ设备故障跟踪统计后发现, 模拟量通道相关设备碎修占LKJ设备总故障62.22%, 月平均故障率达到6.25%。对比全路先进维修水平, 月平均故障率均保持为2.5%左右。因此, 我段车载车间模拟量通道相关设备检修质量有巨大提升空间。

2制订目标

通过对比全路先进维修水平, 结合路局设备质量控制要求, 提出攻关活动目标:在2012年5月至2013年2月LKJ模拟量通道相关设备月平均故障率降低到3.75%。

3现状调查

针对2011年10月至2012年4月期间发生的模拟量通道相关设备故障作调查, 根据故障发生频率绘制模拟量通道设备故障调查表, 如表1所示。

从表1速度传感器、模拟量入出板及监控记录板故障率累积

达到72.3%, 是造成模拟量通道故障率高的主要原因, 必须展开分析。

4原因分析

结合现场作业实际, 从人、机、料、法、环5个环节, 分别运用鱼刺、关联图, 对造成速度传感器、模拟量入出板、监控记录板的故障找出6条末端因素, 并对应分析, 到出模拟量通道故障率高的主因因素, 如表2所示。

由表2可以看出EDSC-2型速度传感器实验台测试设备老化、元件质量差、抗干扰能力差是造成模拟量通道故障率高的3个主因因素, 应重点采取措施整治。

5制定实施对策

在2012年5月至2013年2月期间, 采取以下措施整治。

(1) “EDSC-2型速度传感器实验台测试设备老化”因素。

利用废弃2通道速度接口盒, 制作接口盒至试验台连接线, 该线一端为14芯插头, 一端为7芯插头, 两插头A、B、C、D、E、F、G芯一一对应连接。接口盒7芯插座1、2通道 (A、B、C、D、E、F、G) 与接口盒14芯插座3、4通道 (H、I、J、K、L、M、N) 对应连接。

这样, 测试速度传感器1、2通道时可直接上实验台进行测试 (见图1) 。需测试3、4通道时, 速度传感器经过接口盒与连接线后, 和试验台14芯测试接口连接即可测试, 即:速度传感器3、4通道。通过改造, 接口盒的1、2通道进入试验台进行测试 (见图2) 。彻底解决四通道速度传感器地面测试问题。

(2) “抗干扰能力差”因素。

由于监控记录板数据总线 (D0—D15) 为三态双向信号, 为CPU和其他外围器件之间提供数据通道。CPU对16位宽度外设读写操作时, 是将16位数据一次读出或写入, 即将文件目录和文件内容一同记录, 当有外来高频脉冲干扰时, 易造成CPU读写错误而导致误运算, 反映到模拟量通道则表现为运算管压、速度值时产生较大误差 (如图3) 。

通过增加16v/250uf电容, 使脉冲宽度减小, 频率增加, 提高传输性能。通过调整电容, 数据总线即可支持8位又能确保16位数据传送 (最大16位) 可靠。在CPU对16位宽度外设进行读写操作时, 可一次将16位数据写入, 也可将低8位数据 (D0—D7) 或高8位数据 (D8—D15) 分别写入, 确保运算独立性。通过16位宽度外部设备与全部数据总线 (D0—D15) 联接, 8位宽度外部RAM则与高8位数据总线 (D8—D15) 联接, 这样所需传输周期数减少, 从而保证CPU与外部RAM数据传送正确, 避免模拟量参数运算误差大的情况, 从而保证各参数稳定性 (如图4, 5) 。

前后纪录波形, 可以看出脉冲宽度减小, 频率增加, 增强了运算的可靠性。经验证, 通过先期改造了10块监控记录插件, 分别上车试验, 有专人跟踪记录, 经过一个月的实验, 这些设备没有发生一起管压、速度抖动的故障, 可以认定, 该故障基本得到解决。

(3) 元件质量差因素。

模拟量入出板的故障多为压力抖动, 经过分析验证, 故障多发生在同一批次设备上, 如2008年6月出厂的模拟量入出板故障集中发生且故障现象相同, 同时在与兄弟单位车间交流得知, 在安康等车间也发生同批次设备故障高发情况。但在同样设计的其他批次插件调查中, 发现运行却很稳定。因此, 应该是该批次模拟量入出插件部分元器件质量、性能发生了变化。

由于监控板所采样的管压信号属直接采取, 为管压直流电平信号, 所以可以直接测量管压1信号直流电平, 测量后发现管压1电平比其它两路电平低很多, 这就说明芯片A13放大倍数不正常。由于A13是差分运放放大器, 它放大倍数R10/ (R35+R37) =R81/ (R69+R70) =1。据这个原理, 可以断定此路管压不正常的原因为部分阻值发生变化。因此, 测量这几个电阻阻值是否正常, 检测结果发现R10的阻值大了2K多, 更换一个新150K电阻, 再上机测试管压显示恢复正常。

摘要：本文通过分析列车LKJ模拟量通道相关设备质量检修环节, 运用QC理论和方法参与QC小组近一年的实施改进, 取得了较好安全和经济效益。

模拟列车篇7

随着城市轨道交通的日益发展,列车驾驶培训成为了急需解决的一大问题。列车驾驶模拟器以其经济、安全、互动性强等优点成为了司机培训的一大解决方案[1]。列车模拟器操控台作为人机界面,其上的按钮、指示灯与仪表等需要与模拟器主机进行数据交换,因此研究者需要设计一套I/O系统连接人机接口与模拟器主机。与传统的I/O板卡相比,分布式I/O具有体积小、成本低、易维护、开放性良好且支持热拔插I/O模块等优点[2]。

基于以上情况,本研究提出一种基于Modbus/TCP协议的分布式I/O设计方案,选用贝加莱公司的X20系统,以解决人机界面与模拟器主机数据交换的问题。

1 Modbus/TCP协议

1.1Modbus协议简介

Modbus[3]是一种开放式的通信协议,广泛适用于各种智能设备间的通信。Modbus/TCP协议是作为一种实际的自动化标准开发的,它主要具备以下优点:①开放性,无需认证费用;②广泛的设备支持性;③简单,开发成本低廉;④对硬件平台的要求低;⑤易于在任何操作系统下开发。因此,Modbus/TCP已经逐渐成为一种自动化控制的通信标准,广泛应用于各种网络监控系统中。

1.2 客户端/服务器模式

Modbus/TCP采用了客户端/服务器模式进行实时信息交换,其主要原因是通过封装独立的“事务”于一个连接中,该连接可被识别、管理和取消而无须请求客户和服务器采用特别的动作。这就使进程具有对网络性能变化的适应能力,而且容许安全设施(如防火墙和代理)方便地添加。

在列车模拟器中,Modbus客户端即仿真模拟器,根据列车状态计算所得的命令参数,发送一个Modbus请求,并等待响应。Modbus服务器即贝加莱X20系统在收到Modbus请求后,进行相关的I/O操作,并进行Modbus响应[4]。

1.3Modbus报文结构

Modbus协议定义了一个与基础通信层无关的简单协议数据单元(PDU),其中包括了一字节的功能码与多字节的数据码。特定总线或网络上的Modbus协议映射能够在应用数据单元(ADU)上引入一些附加域,包括附加地址域与校验域[5]。由于TCP/IP协议和以太网的链路层校验机制保证了数据包传输的正确性,在Modbus/TCP协议中不需要校验域。其格式如图1所示。当客户端向服务器发送报文时,功能码的作用是告知服务器执行哪种操作。本研究中用到两种功能码,分别是读输入寄存器(fc.0x04)与写多个寄存器(fc.0x10)。

2 系统设计

2.1 硬件配置

分布式I/O系统选用贝加莱X20系统,其不仅是一个I/O系统,更是一个完整的控制方案。其采用模块式结构,可根据不同的系统规模选用不同的CPU、输入/输出模块和其他特殊功能的模块,通过采用类似搭积木的方式拼成一套分布式I/O系统,其模块可热插拔,使用简单且易于维护。

笔者为上海轨道交通7号线研发了模拟器。7号线驾驶台上共有30个按钮开关、2个三位旋钮开关、20个指示灯(包括带灯按钮),以及一个司机控制器。为了适应以后其他线路的模拟器以及具体接线情况,笔者据此情况选取各功能模块;CPU选用CP0291模块,由于列车模拟器上的双针表是RS232接口,供电模块选用PS9500(拥有CAN和RS232接口各一个)。

模拟器各输入、输出模块如表1所示。

模拟器硬件结构框图如图2所示。

在完成硬件连线后,研究者需要先在B&A Automation Studio (AS) 平台中配置硬件模块后,才能进行软件编程。研究者选择CPU模块后,在X2X Link标签下添加各I/O模块,模块的顺序必须和实际硬件模块的拼装顺序完全吻合,否则系统无法识别[6]。

2.2 系统软件设计

软件设计是基于B&R Automation Studio (AS) 平台进行的。该平台运行于Windows下,支持梯形图LAD、B&R Automation Basic、Ansi C等编程语言。此外,为方便开发,AS平台还打包了许多能提供常用功能的函数库与功能块[7]。该系统使用了AsTCP库以及DVFrame两个库。其中,AsTCP库封装了TcpOpen ( ),TcpServer ( ),TcpSend ( ),TcpRecv ( )等函数,从而能够简单快速的进行网络编程的开发,而DVFrame库驱使帧驱动器和那些无法使用网络的外部设备交换数据,数据收发均以帧的形式进行。

2.2.1 网络编程

网络通讯程序主要是通过AS封装的AsTCP库进行开发。AsTCP封装的函数实现了原本要多个函数才能实现的功能,使用起来十分方便。AsTCP库将多个函数才能实现的功能封装成几个函数,其底层库为EthSocket,它是基于与UNIX BSD4.3兼容的套接字开发的。TCP/IP管理器与内部的软件目标相关联,并且使功能块与BSD套接字连接。当一个功能块被调用时,一个指令就被传送到TCP/IP管理器中。空闲时间必须足够长以保证功能块被正确地执行,一般为每10 ms设置1 ms的空闲时间。套接字由pNAD(贝加莱特定的网卡驱动器)来操作,pNAD遵循TCP/IP协议,每当收到一个新的TCP/IP包时,以太网驱动器产生一个中断,并发送以太网包或接收认可。

其软件设计结构如图3所示。

具体编程方法如下:

(1) 数据初始化,并且使用TcpOpen( )打开套接字并绑定;

(2) 使用TcpServer ( ) 函数开始一个服务器并监听,当有客户端发送连接请求时,接收并建立连接;

(3) 建立连接后,使用TcpSend ( ) 与TcpRecv ( ) 完成数据传输功能。

其主程序流程图如图4所示。

其中,数据读/写程序先接受客户端发来的Modbus请求,然后根据功能码判断进行相关操作,最后发送Modbus响应给客户端。

由于接收和发送的消息均为字节,而数字输入/输出均为比特,本研究需要在1 byte对应8 bit之间互相转换。需要注意的是,由于Modbus适应“big-Endian”表示地址与数据项,这表示当发送多个字节时,首先发送最高有效位。例如:

寄存器大小为16 bits; 值为0x1234;

发送的第1字节为 0x12,然后为0x34。

因此,在数据转换的时候,需要在前后两个字节对调之后,再进行转换。

2.2.2 串口编程

地铁列车模拟器操作台面板上的双针压力表为RS232接口,需要使用DVFrame库来编写串口程序。DVFrame库能驱使帧驱动器与外部设备交换数据,库中的函数块以帧的形式收发数据,帧驱动器只负责硬件部分的数据交换而不修改帧能数据的内容,因此这种特定的数据交换形式快速且简单。

具体编程方法如下:

(1) 使用FRM_xopen()函数初始化硬件接口。本研究使用了PS9500的RS232接口,而PS9500插在ST0插槽中,因此参数device设置为"SL0.IF4",参数mode设置为"RS232, 57600, N, 8, 1",分别表示为接口类型、波特率、奇偶校验类型、数据位数以及停止位个数。

(2) 整理数据。通过网络从模拟器主机中传来双针表的数据不能直接由串口输出,需要添加若干起始码和结束码,使得双针表能够正确地接受数据包。该双针表的起始码为0x10,0x02,结束码为0x10,0x03,起始码和结束码被添加到数据两头,封装成数据包。数据中如有0x10,则必须在其后再添加一个0x10到数据中,以区分起始码。

(3) 使用FRM_gbuf()获得一个发送字符,由于该字符由帧驱动器管理,该字符会在发送之后自动释放,用户无需担心字符的有效性。本研究把数据包赋给由FRM_gbuf()获得的字符,再用FRM_write()函数输出,帧驱动器就把数据从串口输出给了双针表。

3 网络验证

本研究在PC机上编写一个客户端网络测试程序,以验证分布式I/O系统。该程序基于WinSock类,Winsock类是Windows下使用最广泛的网络编程接口,同样是基于UNIX BSD4.3套接字。WinSock规定了如何使用API与Internet的协议簇CIPS,包括TCP/IP、XNS、DECNet、IPX/SPX,等等。WinSock能使应用程序和任何遵从Windows API的网络互连[8]。

使用VC进行网络编程时,既能使用API函数,也能使用MFC类。本研究直接使用API函数,具体流程如下:

socket()——创建本地套接字;

connect()——发送连接请求;

send()——组织Modbus帧并发送;

recv()——接受Modbus帧并输出在面板上;

closesocket()——关闭套接字。

PC端验证程序如图5所示。DI1连接司机控制器,用户根据其不同的输入判断档位,在司机控制台上按下前3个按钮,便在程序的DI2中相应的复选框中显示出来。用户选中DO1中的前两个输出量,司机控制器上的相应指示灯便亮起。

4 结束语

经过实际现场运行表明,本研究提出的分布式I/O系统运行稳定,性能良好,符合列车模拟器的实际运行要求。通过使用分布式I/O减轻了模拟器的重量并使之易于维护;通过采用基于工业控制广泛使用的Modbus/TCP协议,使得系统具有良好的兼容性。

随着对司机培训的要求越来越高,列车模拟器也在不断发展。视景从最初的基于视频回放的模拟器发展到现在基于虚拟现实技术的模拟器,功能上从部分任务训练模拟器发展到多功能模拟器[9]。

目前业界已开发出具有运动动感的全功能列车模拟器[10]。这些高仿真度的模拟器对I/O系统提出了更高的要求,在增加输入/输出数量的同时还要保证实时性与稳定性,这就需要专业人员对I/O系统做更深一步的研究和优化。

参考文献