摘要
近年来，我国高速列车技术取得了突飞猛进的进步。随着列车速度的提升，高速列车受到的气动载荷随之增大。我国疆域辽阔，气候类型多种多样，而且高速铁路主要分布于季风区，雷雨、暴风雨天气比较常见。高速列车在风雨环境下行驶时，雨滴在列车表面积聚形成水膜，水膜与列车周围流场相互作用，导致列车气动性能进一步恶化，严重时威胁列车运行安全性。鉴于此，本文对降雨环境及风雨环境下高速列车车身水膜分布及流动特性进行了研究，并分析了高速列车车身表面水膜对气动性能及行驶安全性的影响。 基于SSTk-ω湍流模型和Euler-Lagrange离散相模型，建立了合理的空气动力学模型，验证了降雨平面设置的合理性，并采用Lagrangian液膜模型模拟列车车身水膜分布及其流动特性。计算结果表明：降雨环境下，雨滴在列车表面聚集形成水膜，且随着降雨时间的增加，水膜厚度及覆盖范围扩大；头车流线型区域顶面剪切应力较大，与之对应的水膜流动速度也大；相较于无雨环境，降雨强度为500mm/h时，列车表面平均摩擦系数增加10.74%；头车阻力系数随降雨强度的增强而增大，随车速的增大而减小。 建立了风雨环境下高速列车空气动力学模型，并利用风-雨双向耦合方法对横风和雨滴进行迭代模拟。基于此，研究了不同车速、不同横风风速和不同降雨强度下高速列车车身水膜分布及气动性能。计算结果表明：雨滴先在高速列车顶面与迎风面积聚形成水膜，且随着降雨持续时间的增加，列车顶面水膜逐渐流向背风面；列车表面平均水膜厚度随降雨强度的增强而增大；风雨环境下，高速列车迎风面剪切应力及表面摩擦系数均大于背风面；车速、横风风速一定时，随着降雨强度的增强，头车气动力及气动力矩系数随之增大；相较于无雨环境，降雨强度为500mm/h时，头车升力系数增大14.57%，点头力矩系数增大9.95%。 基于高速列车多体系统动力学理论，建立了高速列车头车动力学模型。将风雨环境下高速列车受到的气动载荷施加到高速列车头车多体动力学模型上，分析了不同降雨强度、不同横风风速及不同车速下高速列车动力学性能的变化。计算结果表明：随着车速、横风风速及降雨强度的增大，高速列车运行安全性指标随之增大；相较于无雨环境，降雨强度为500mm/h时，头车脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力及轮轨垂向力分别增长3.08%、4.24%、62.16%、2.28%。 基于DPM-VOF耦合方法，研究了降雨环境下高速列车车身水膜分布。计算结果表明：当水膜厚度低于欧拉液膜模型计算阈值时，车身水膜以欧拉液膜模型建模，水膜厚度超过液膜模型计算阈值时向VOF过渡，并以VOF多相流的次相液相建模；水膜过渡为VOF液相区域的剪切应力较大，与之对应的表面摩擦系数及水膜流动速度都较大；相较于无雨环境，降雨强度为500mm/h时，头车气动阻力增大13.57%。
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