一种适用于高原环境的列车交变气动载荷数值模拟方法

本发明涉及列车气动载荷数值模拟，特别涉及一种适用于高原环境的列车交变气动载荷数值模拟方法。

背景技术：

1、随着铁路运输的迅速发展，列车在高原地区的运营需求日益增加。高原地区通常具有高海拔、大坡度和高地热等特征，这些环境因素对列车的气动特性和载荷分布产生了重要影响。现有对列车交变气动载荷的研究通常依赖于两种主要的试验方式：实车试验和试验室模型试验。虽然这两种方法可以提供较为真实的实验数据，但存在以下问题：

2、1）实车试验的局限性：高原环境的列车试验通常需要在实际铁路线路上进行，然而由于高原铁路建设周期长、建设条件艰苦，许多高原地区的铁路线路尚未完成建设或正在建设中。因此，无法通过实车试验对列车在高原环境中的气动载荷进行直接测量和验证。此外，实车试验需要大量的设备投入，且实验过程受制于天气、地理环境等不确定因素，极大地增加了实验的难度与成本。例如现有技术中公开了一种高速动车组气动载荷谱编制方法及装置，利用空气动力学试验的试验数据建立气动载荷数据库。但高原地区线路条件恶劣，隧道和环境参数多变，实车试验受限于调度、运营等问题，无法长时间进行，也不能在所有特征隧道进行试验，测试成本高昂且测试结果相对较少。

3、2）试验室模型试验的复杂性与局限性：通过试验室模型试验来模拟列车在高原环境下的气动载荷，然而试验室模型试验平台的搭建通常需要复杂的实验设备和高度精确的模拟条件，这些试验平台的建设和维护成本较高，且实验结果的精确度受到平台功能的限制。尤其是在模拟高原环境时，空气密度、温度和风速等条件的变化都可能影响试验结果的准确性，现有的试验平台难以全面模拟高原环境的气动特征。例如现有技术中公开了一种列车车体交变气动载荷试验装置及试验方法，该方案主要通过活塞驱动机驱动活塞在管道内滑动，通过压缩空气给予模拟车体受到的压力变化，模拟列车高速通过隧道时的车内压力波动。然而，该试验方法存在一定的局限性：首先，该方案主要模拟的是列车所受的气动载荷的单一情况，无法充分考虑高原环境中坡度变化带来的间接性气动压力变化（如压力上升或下降）。其次，该方法未能考虑高原地区温度变化对空气密度和气动特性可能造成的影响。此外，该方案未能有效模拟列车不同编组位置所承受的气动载荷差异，导致试验结果无法全面反映列车在复杂高原环境中的实际气动载荷分布。因此，该方案在高原环境下的列车气动载荷分析中存在一定的局限性，无法满足实际应用的需求。

4、综上所述，依赖实车试验和试验室模型试验的方法在高原环境下的气动载荷研究中存在着较大的限制，既无法充分考虑高原特有的环境因素，也难以在有限的条件下获得全面的气动载荷数据。因此，亟需一种新的数值模拟方法，能够在不依赖于复杂试验条件的情况下，准确模拟高原环境下列车的气动载荷，从而为列车的设计、优化和安全运营提供科学依据。

技术实现思路

1、本发明的目的是：针对上述背景技术中存在的不足，提供一种适用于高原环境的，能够充分考虑坡度变化、海拔变化和温度变化等因素的，精准计算高原环境下列车交变气动载荷情况的数值模拟方法，从而为高原地区列车的设计、测试和优化提供科学依据，提升列车的安全性和可靠性。

2、为了达到上述目的，本发明提供了一种适用于高原环境的列车交变气动载荷数值模拟方法，包括如下步骤：

3、s1，建立列车交变气动载荷数值模拟的数值仿真模型；

4、s2，构建坡度修正模型模拟坡度变化；

5、s3，构建海拔修正模型模拟海拔变化，从而模拟气压、空气密度、环境温度随海拔变化而变化；

6、s4，构建温度修正模型模拟隧道内温度变化；

7、s5，基于坡度修正模型、海拔修正模型和温度修正模型对数值仿真模型进行综合修正；

8、s6，采用动态气动载荷计算方法，基于隧道压力波一维数学模型，模拟列车穿过隧道时的交变气动载荷，得到交变气动载荷数据。

9、进一步地，s1中的数值仿真模型包括列车、空气域和隧道。

10、进一步地，s2中构建坡度修正模型时，在数值仿真模型中建立笛卡尔坐标系，通过改变笛卡尔坐标系中x轴与z轴实现坡度控制，根据隧道坡度和隧道长度建立z轴高度的场函数为：

11、。

12、进一步地，s3中通过海拔修正模型对气压进行修正时，计算域内气压随海拔的变化通过场函数进行改变：

13、

14、其中，是某海拔下的气压值，是海拔，是海平面气压值，是大气标高。

15、进一步地，s4中计算隧道内不同长度区域的温度，考虑隧道入口和出口与外界环境有能量交换，越靠近隧道洞口，温度与外界环境越接近，公式为：

16、

17、其中，为隧道内距离隧道入口长度位置的温度，为靠近隧道入口处的温度，，、、、分别为距离隧道入口的预设距离。

18、进一步地，s5中将坡度修正模型、海拔修正模型和温度修正模型引入隧道压力波一维数学模型中，实现在隧道压力波计算过程中对影响因素的直接强耦合，以进行隧道压力波计算。

19、进一步地，s6中同步设置列车的行驶速度、加速度或减速度。

20、本发明的上述方案有如下的有益效果：

21、本发明提供的适用于高原环境的列车交变气动载荷数值模拟方法，通过引入坡度变化、海拔变化（影响空气密度和海拔温度）和隧道温度变化等因素的综合修正，并考虑这些因素之间的相互关联性，更加适用于高原环境的列车交变气动载荷的分析，且具有较强的普适性，适用于各种高原地区，能够为高原地区列车的设计、测试和优化提供科学依据，提升列车的安全性和可靠性，同时通过数值模拟代替了传统的高成本、高难度的实车或试验室试验，减少了高原环境下的试验成本，提升了列车研发效率；

22、本发明的其它有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

1.一种适用于高原环境的列车交变气动载荷数值模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种适用于高原环境的列车交变气动载荷数值模拟方法，其特征在于，s1中的数值仿真模型包括列车、空气域和隧道。

3.根据权利要求1所述的一种适用于高原环境的列车交变气动载荷数值模拟方法，其特征在于，s2中构建坡度修正模型时，在数值仿真模型中建立笛卡尔坐标系，通过改变笛卡尔坐标系中x轴与z轴实现坡度控制，根据隧道坡度和隧道长度建立z轴高度的场函数为：

4.根据权利要求1所述的一种适用于高原环境的列车交变气动载荷数值模拟方法，其特征在于，s3中通过海拔修正模型对气压进行修正时，计算域内气压随海拔的变化通过场函数进行改变：

5.根据权利要求1所述的一种适用于高原环境的列车交变气动载荷数值模拟方法，其特征在于，s4中计算隧道内不同长度区域的温度，考虑隧道入口和出口与外界环境有能量交换，越靠近隧道洞口，温度与外界环境越接近，公式为：

6.根据权利要求1所述的一种适用于高原环境的列车交变气动载荷数值模拟方法，其特征在于，s5中将坡度修正模型、海拔修正模型和温度修正模型引入隧道压力波一维数学模型中，实现在隧道压力波计算过程中对影响因素的直接强耦合，以进行隧道压力波计算。

7.根据权利要求1所述的一种适用于高原环境的列车交变气动载荷数值模拟方法，其特征在于，s6中同步设置列车的行驶速度、加速度或减速度。