Особенности аэродинамики подвагонного пространства высокоскоростного подвижного состава тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.07, кандидат наук Полякова Екатерина Яновна

• Полякова Екатерина Яновна
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Полякова Екатерина Яновна

Введение

1. Обзор отечественных и зарубежных исследований по аэродинамике высокоскоростных поездов и анализ их применения

1.1. Обзор отечественных исследований и теоретический аспект аэродинамики подвижного состава

1.2. Обзор исследований по аэродинамике подвагонного пространства

1.3. Использование композитных материалов для кузовных элементов подвижного состава

2. Постановка задач исследования

3. Разработка математической двухфазной модели для исследования аэродинамических процессов в подвагонном пространстве высокоскоротсного подвижного состава

3.1. Методика численного моделирования гидрогазодинамики

3.2. Модели турбулентности

3.3. Дискретизация пространства

3.4. Реализующие программные комплексы

3.5. Сравнение численного моделирования аэродинамического воздействия в нишах ходовых частей с результатами зарубежных исследований

3.6. Разработка математической модели взаимодействия высокоскоростного состава и окружающей среды

3.7. Экспериментальное исследование взаимодействия высокоскоростного подвижного состава и окружающей среды

3.8. Разработка математической модели подвагонного пространства исследуемой модели

4. Разработка математической модели подхвата частицы балластного слоя потоком, сгенерированным высокоскоростным подвижным составом

4.1. Экспериментальное исследование подъема частицы балластного слоя

4.2. Разработка численной модели участка пути

5. Инерционные показатели частицы балласта и расчетная модель повреждения фальшборта

5.1. Описание характерных повреждений элементов подвагонного пространства

5.2. Динамические расчеты инертности массы щебня

5.3.Особенность механизма динамического нагружения композитной пластины

5.4. Моделирование воздействий на композитные элементы корпуса подвижного состава

5.5. Моделирование динамического взаимодействия в объемной постановке задачи

5.6. Моделирование композитной структуры балочными объемными элементами

5.7. Исследование механизма неупругого динамического взаимодействия витающей частицы с композитной структурой «сэндвич» - панели послойного представления

5.8. Исследование повреждаемости датчиков контроля технического состояния оборудования подвижного состава твердыми витающими частицами

6. Роль аэродинамических процессов в обледенении состава и способы борьбы с ним

7. Заключение

Библиографический список

141

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Особенности аэродинамики подвагонного пространства высокоскоростного подвижного состава»

Актуальность проблемы исследования.

Одним из приоритетных направлений развития современного железнодорожного транспорта является создание сети высокоскоростного железнодорожного сообщения, обеспечивающего оптимальное для пассажиров соотношение скорости, безопасности, комфорта и стоимости проезда. Увеличение скорости движения поездов влечет за собой необходимость решения широкого круга задач, в том числе связанных с анализом процессов, возникающих в результате аэродинамического взаимодействия частиц балласта и кусков льда (в холодное время года) с воздушными потоками, генерируемыми проходящим высокоскоростным подвижным составом, поскольку частицы балласта, подхваченные указанными воздушными потоками, обладающие достаточно высокой кинетической энергией и движущиеся по достаточно сложной траектории, несмотря на свои малые размеры представляют серьезную опасность как для напольных устройств СЦБ и узлов подвижного состава, так и для пешеходов, пассажиров и работников железнодорожного транспорта.

Существенное влияние на величину скорости частиц балласта и льда оказывает картина распределения воздушных потоков в подвагонном пространстве, что в свою очередь делает необходимым точный и адекватный аэродинамический расчет поля скоростей воздуха с учетом расположения подвагонного оборудования для последующей оптимизации компоновки последнего в отношении как сопротивления движению, так и минимизации энергии потоков, способных вызвать смещение частиц балласта.

Изучение подобных аэродинамических процессов поможет спрогнозировать зоны наиболее вероятные зоны появления повреждений кузова и подвагонного оборудования, а также актуализировать действующие регламенты безопасности.

Объектом исследования в диссертационной работе является движение воздушных масс и траекторий потоков в подвагонном пространстве высокоскоростного подвижного состава. Предмет исследования - влияние движения воздушных масс на повреждения элементов и накопление льда в подвагонном пространстве высокоскоростного подвижного состава.

Целью диссертационной работы является решение научной задачи исследования процессов движения воздушных масс в подвагонном пространстве высокоскоростного подвижного состава, механизма увлечения частиц воздушным потоком и взаимодействия их с кузовом, подвагонным оборудованием и ходовыми частями.

Поставленная цель обусловила решение ряда взаимосвязанных задач:

1. Создать твердотельные модели исследуемых объектов: элементов подвижного состава и железнодорожной инфраструктуры.

2. Разработать расчетную модель движения воздушных масс в подвагонном пространстве движущегося высокоскоростного состава

3. Предложить численную модель процесса захвата частицы и ее последующего вовлечения в воздушный поток, создаваемый высокоскоростным подвижным составом, с использованием результатов физического эксперимента.

4. Определить наиболее вероятные зону, характер и форму повреждения элементов поверхности кузовных элементов высокоскоростного подвижного состава вследствие воздействия рикошета балластных частиц.

5. Выявить причины и механизм образования наледи на элементах подвагонного пространства.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана уточненная компьютерная модель взаимодействия воздушной среды и ходовых частей подвижного состава с учетом вращения колесных пар и наличия пристеночного слоя.

2. Впервые создана численная модель, описывающая процесс подхвата частицы балластного слоя и вовлечения ее в воздушный поток, создаваемый высокоскоростным подвижным составом, подтвержденная физическим экспериментом и численным исследованием.

3. Изучены особенности структуры распределения турбулентных воздушных потоков в области подвагонного пространства высокоскоростного подвижного состава, оказывающих наибольшее влияние на процессы подхвата частиц верхнего строения пути и обледенения конструктивных элементов ходовых частей.

4. Выполнено исследование напряженно-деформированного состояния элемента корпуса подвижного состава при соударении частицы щебня, учитывающее структурные особенности и упругие свойства композитного материала при различных значениях скорости частицы и угла контакта.

5. Разработана компьютерная модель образования и движения конвекционных воздушных потоков вокруг ходовых частей высокоскоростного состава, позволяющая при включении тормозов установить качественную картину распределения температур на поверхностях ходовой части для разработки способов защиты от льдообразования.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость работы заключается в создании цифровых моделей динамики воздушных потоков с твердыми витающими включениями элементов балластного слоя в подвагонном пространстве высокоскоростного подвижного состава.

Практическая значимость работы заключается в следующем: 1. Проведенные расчеты напряженно-деформированного состояния композитной пластины вследствие воздействия частиц позволяют проектировать защитные элементы нижней части кузовов высокоскоростного подвижного состава.

2. Полученные в результате аэродинамических расчетов характеристики воздушной среды в области тормозов позволяют спрогнозировать применение защитных средств при обледенении ходовых частей.

Положения, выносимые на защиту:

1. Цифровая модель взаимодействия воздушной среды и ходовых частей вагона высокоскоростного состава, методика её верификации/настройки путем сопоставления полученных результатов с результатами зарубежных коллег.

2. Усовершенствованная математическая модель, описывающая процесс подхвата частицы балластного слоя и вовлечения ее в воздушный поток, создаваемый высокоскоростным подвижным составом, подтвержденная численным динамическим анализом в программном комплексе SolidWorks, а также натурным экспериментом.

3. Результаты динамических расчетов прочности и напряженно-деформированного состояния элемента корпуса подвижного состава при рикошете частицы щебня, учитывающий структурные особенности композитного материала и упругих свойств связующих, при различных значениях скорости частицы и угла рикошета.

4. Разработанная в программном комплексе SolidWorks, модуле Flow Simulation модель образования и движения конвекционных воздушных потоков вокруг ходовых частей высокоскоростного состава, позволяющая при включении тормозов установить качественную картину распределения температур на поверхностях ходовой части для разработки способов защиты от льдообразования.

Степень достоверности

Достоверность результатов численного аэродинамического расчета подтверждается удовлетворительной сходимостью с данными эксперимента по получению кривой скорости воздушных потоков по длине высокоскоростного подвижного состава при его движении вдоль платформы станции «Фарфоровская» посредством статистического анализа.

Апробация работы

Основные положения работы докладывались и обсуждались на XII Международной научно-технической конференции «Подвижной состав XXI века: идет, требования, проекты», 2018 год (ПГУПС, Санкт-Петербург); на XIII Международной научно-технической конференции «Подвижной состав XXI века: идет, требования, проекты», 2019 год (ПГУПС, Санкт-Петербург); «Неделя науки» (ПГУПС, 2019, 2020 гг.)

Публикации

Основные положения диссертации опубликованы в 8 печатных работах, из них 4 - в изданиях, включенных в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов диссертационных работ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа включает в себя введение, шесть глав, заключение, и изложена на 150 страницах машинописного текста, содержит 17 таблиц, 75 рисунков. Список использованных источников насчитывает 84 наименования.

1. ОБЗОР ОТЕЧЕСТВЕННЫХ И ЗАРУБЕЖНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО АЭРОДИНАМИКЕ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ПОЕЗДОВ И АНАЛИЗ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

1.1. Обзор отечественных исследований и теоретический аспект

аэродинамики подвижного состава

Аэродинамика - наука, изучающая движение воздушных масс и их воздействие на тела, находящиеся в воздушном потоке.

Аэродинамика подвижного состава представляет собой раздел классической аэродинамики с особенностью осуществления движения вблизи экрана, железнодорожной инфраструктуры, иногда с учетом рельефа местности.

Первыми отечественными аэродинамическими исследованиями подвижного состава занимался В. И. Лопушинский [1]. В дальнейшем изучали данный отдел следующие ученые: Астахов П. Н. [2], Абрамович Г. Н. [3], Челноков И.И. [4],а также коллективы научных центров (МИИТ, ВНИИЖТ [5],[6], [7], ЛИИЖТ [8] и т.д.). Одним из первых ученых, обобщившим заграничные и отечественные труды по рассматриваемому разделу аэродинамики, был Н. А. Чурков [8], написавший монографию по систематизации полученных знаний и разработке методики конструирования подвижного состава, минимизирующей воздействие воздушной среды на железнодорожный поезд. Однако предложенные им методы в настоящее время не подходят для высокоскоростного пассажирского подвижного состава, ввиду отсутствия исследований аэродинамики подвагонного пространства.

Поезд, при рассмотрении с точки зрения аэродинамики, - тонкое тело большого удлинения, плохообтекаемое [8]. Характеризуется внешней аэродинамикой, которая определяется скоростью, длиной, составностью,

состоянием экстерьера (форма, шероховатость стенок), климатическими условиями и рельефом местности [8].

Одна из важнейших аэродинамических характеристик подвижного состава -сопротивление движению, которое так же зависит от вида поезда, длины, типа вагонов в составе, последовательности их расположения и транспортного состояния (груженый или порожний). Данные зависимости справедливы более для грузового подвижного состава, в случае с пассажирским установлено, что наиболее важный параметр при изучении сопротивления движения - форма лобового вагона, наличие острых кромок и открытых пространств по длине состава, а также шероховатость стенок, ниже приводится более подробное объяснение завяленному.

При движении подвижной состав подвержен не только механическому сопротивлению, но также и аэродинамическому вследствие физических свойств воздуха: плотности, вязкости. Физика этого явления объясняется законами гидродинамики движения тела в потоке несжимаемой жидкости.

Пусть тело с некоторой площадью миделя движется в несжимаемой жидкости. Перед телом возникает некое уплотнение, повторяющее профиль передней стенки тела со скруглением углов, и повышается давление р1:

Р1=Ро+Рдин (1.1)

где р0 — атмосферное давление, р0 = 0,1 МПа; рдин — динамическая составляющая давления, МПа:

_ V2 (1.2)

Рдин Р • 2

где р — плотность жидкости, кг/м3; V — скорость движения, м/с.

За телом наблюдается разряжение р2<р0, что тормозит движение, а также стремится завлечь тело внутрь. При этом формула аэродинамического сопротивления тела будет иметь вид:

^лоб = (Р1-Р2)Р (1.3)

где F— площадь поперечного сечения тела, м2.

Гидравлическому трению подвергнуты все поверхности тела. Более всего на гидравлическое трение влияют скорость движения тела и шероховатость поверхности.

Формула гидравлического сопротивления имеет вид:

^г = ^лоб + ^тр (1.4)

Основываться на общих положениях аэродинамики возможно в случае принятии адаптированной схемы взаимодействия состава и окружающей среды (рисунок 1.1.1).

Носовой обтекатель первого вагона/локомотива подвержен воздействию динамическому давлению (скоростной напор) воздуха, что формирует интенсивную турбулентную диффузию повышенного давления; образование вихрей за составом создает разрежение в хвосте поезда; повышенная турбулентность воздуха наблюдается в межвагонных промежутках, а также в подкузовном пространстве, т.к. колесные пары, раскручивая поток, работают наподобие вентиляторов. Турбулентность потока зависит, как было описано выше, от множества факторов, поэтому оценивать аэродинамическое сопротивление на практике достаточно сложно. Однако, приближенно оценить значение аэродинамическое сопротивление движению состава К5 [2] можно получить следующим образом, Н:

V2

^ 5 = Сх • р • ^ • —

(1.5)

Рисунок 1.1.1- Схема движения подвижного состава в воздушном пространстве с

направлением потоков и распределением сил

Удельное аэродинамическое сопротивление движению рассчитывается как, Н/кН:

р-К2 (1.6)

к с — Су • Рг • „ 5 х г 2 т^0

где ¥т— поперечное сечение локомотива или головного вагона, м2; т — число колесных пар; д0 — нагрузка от колесной пары вагона на рельсы, кН; Сх — коэффициент формы, может быть получен эмпирически с помощью обдува объекта в аэродинамической трубе или численным моделированием.

Коэффициент формы Сх определяет реакцию среды на движение в ней тела. Самый малый Сх имеет тело с формой «капли» жидкости (рисунок 1.1.2), значение коэффициента не более 0,05.

Рисунок 1.1.2- Схема обтекания тела с формой «капли»

Натурные исследования [25] по аэродинамическому сопротивлению реальных поездов с локомотивами, имеющими различную конфигурацию головной части, показали, что у более совершенных обтекаемых форм кабины машиниста коэффициент Сх головной части первого вагона грузового состава возрастает.

Коэффициент лобового сопротивления одиночного локомотива на 20% больше величины Сх для локомотива в составе поезда. Снизить аэродинамическое сопротивление среды возможно при синхронном использовании более совершенных головных и хвостовых обтекателей, ограничении всех открытых пространств.

Отечественными учеными был предложен способ расчета полного аэродинамического сопротивления вагона с учетом сопротивления отдельных составных частей: крыша, боковые стенки, донная поверхность, междувагонные промежутки, подвагонное пространство, колеса, головная и хвостовая часть вагона, выступающие части (токосъем и пр.) [25]. С помощью полуэмпирической теории

Прандтля [45] о переносе количества движения и вихрей определялись коэффициенты боковых стенок и крыши. Аэродинамический коэффициент донной поверхности рассчитывался на основе логарифмического закона распределения скоростей для пластин с равномерной шероховатостью Прандтля-Шлихтинга [60]. По опытным данным Викхарда производился учет междувагонных промежутков [60]. Аэродинамическое сопротивление подвагонного пространство оценивалось согласно теории турбулентного течения для вращающегося диска [60].

В европейских стандартах полное аэродинамическое сопротивление рассчитывается как сумма нормальных сил к поверхности состава и касательных сил, то есть сумма лобового сопротивления и сопротивления трению [63]. Лобовое сопротивление появляется ввиду разности давлений между носовой и хвостовой частью состава. Гидравлическое трение - это сумма поперечных сил, действующих вдоль стенок вагона. Оно появляется ввиду наличия градиента скорости воздуха в пограничном слое состава [64]. Таким образом, полное аэродинамическое сопротивление представлено следующим выражением [64]:

1 — ,л c = -ps(cdp+-i), а7)

где Cdp - коэффициент сопротивления давлению; - - коэффициент трения; d - гидравлический диаметр поезда, м; I - длина состава, м; S - площадь поперечного сечения, м2; р - плотность воздуха, кг/м3.

Коэффициенты уравнения получают с помощью натурных испытаний

(механическую составляющую сопротивления получают при использовании

специальных стендов, аэродинамическую - при использовании аэродинамической

трубы).

Однако более перспективным является проведение подобных исследований с помощью технологий численного моделирования Computational Fluid Dynamics -CFD анализ с применением твердотельного трехмерного моделирования объектов в несколько упрощенной форме. Метод заключается в разработке численной

модели испытуемого объекта, и практически реализуется делением расчетной области пространства на ячейки, где моделируется поток. В каждом конечном объеме модели численно решается система нелинейных уравнений Навье-Стокса, определяющие параметры потока: траекторию, скорость, давление, плотность, температуру с учетом действия внешних заданных условий. Подобную практику применяют многие отечественные и зарубежные проектные организации, использующие эмпирические данные с целью уточнения моделей «численных» экспериментов. Подход позволяет расширить поле информационных потоков, отражающих свойства исследуемого объекта без увеличения соответствующих затрат на оборудование и производство эксперимента.

Определенные допущения характерны для обоих методов: не учитываются масштабы времени, рельеф местности и пр. [10].

При реализации численного моделирования аэродинамики объекта существуют определенные сложности: выбор модели турбулентности, соотношение габаритов и геометрической точности разрабатываемого объекта, поскольку эти параметры напрямую связаны с расчетной сеткой необходимого качества метода конечных объемов. В связи с этим авторами исследования [11] был предложен метод поэтапного рассмотрения аэродинамического сопротивления элементов и узлов токоприемника для выявления минимального влияния друг на друга. В дальнейшем авторы применяют метод суперпозиции для определения аэродинамических сил, действующих на модель токоприемника.

Данная методика представляет интерес, поскольку позволяет сократить расчетное время и трудоемкость расчета моделей изменяемой геометрии ввиду параллельного использования различных методик. Кроме того, подход позволяет получить оптимальные сочетания параметров конфигурации поперечных сечений частей объекта, а также определить требуемые характеристики жесткости системы для повышения долговечности конструкций.

За последнее время был выполнен ряд работ на тему оптимизации аэродинамического сопротивления подвижного состава. Можно сделать вывод, что потоки воздуха, возмущаемые поездом, значительно зависят от геометрии подвижного состава: от формы головной и хвостовой части, открытых промежутков кузова, острых кромок и шероховатости поверхностей корпусных элементов [12, 13, 14, 75, 76].

В статьях [15, 16] исследована механика образования срывных потоков, образующихся за поездами моделей ICE и TGV. Установлено, что конфигурация потоков и дальность их распространения во многом зависят от формы объектов.

Представленные на рисунке 1.1.3 векторное представление градиентного распространения скорости воздушных потоков вокруг поезда TGV [15] и относительно состава ICE [16], рассчитанные методом RANS [17] (Reynolds averaged Navier-Stoks). Полюса роторов образования завихрений наблюдаются на значительном расстоянии от поездов, что обуславливает долговременное существование возмущенных потоков.

м* ■ .....

^ЙЙ! .

- ч \ | / - - ( ; •

А ,и .и ¿"1 А .ь •¡¿"С

наиб, скорость - 26 м/с

ЛЯ

Рисунок 1.1.3 - Вихри, образующиеся за поездом

Изучалось явление «спутных потоков» для определения закономерностей и характеристик возмущенной среды [19]. В исследовании скоростных

характеристик воздушных потоков на высоте 1м от УГР (уровень головок рельс) от проходящего состава было обнаружено резкое изменение зависимости на дистанции 350-400 м от поверхности подвижного состава. В исследовании [16] установлено, что на высотной отметке в районе половины высоты кузова резкого изменения значений не наблюдается. В результате было определено, что вихри в основном образуются ближе к верхнему строению пути (рисунок 1.1.4). Из эксперимента и результатов расчета установлено, что регулярные колебания вихрей возникают при числах Струхаля: 0,11-0,14. Применение уточненной модели [16] показывает, что величины скоростей непосредственно за поездом имеют колебания с некоторым значением стандартного отклонения. С помощью Вейвлет-анализа турбулентных вихрей предположен рост скорости при двух числах Струхаля - 0,03 (подсос воздуха образовавшейся пустотой) и 0,5 (связано с нестабильностью увлечённого потока) (рисунок 1.1.4). На рисунке показаны секущие плоскости миделя, расположенные на равном расстоянии за габаритом хвостового вагона, отображающие эволюцию изменения вихревого потока возмущенных воздушных масс во времени.

Рисунок 1.1.4 - Расчёты колебаний вихрей за поездом ICE

При исследовании скоростей воздуха от проходящего состава наблюдается также значительное боковое распространение воздушных потоков [16] (рисунок

1.1.5). Ось Х представляет собой время, отнесённое к скорости поезда и к длине одного вагона.

Рисунок 1.1.5 - Измерения скоростей потока (м/c) для модели поезда ICE в масштабе 1/25 (у - расстояние от боковой стены вагона; h - высота)

Для получения некоторых экспериментальных данных, с целью экономии временных и материальных ресурсов применяют специальное оборудование -аэродинамические трубы. При проведении испытаний в аэродинамических трубах создаются следующие условия:

• Для общих аэродинамических исследований поток воздушных масс устанавливается ламинарным.

• Для исследования аэродинамического сопротивления относительно рельефа местности поток следует заменить на турбулентный.

• Скорость потока должна быть стабильной, обеспечивая плавность изменения значений в заданном интервале.

Аэродинамические испытания базируются на законах аэродинамического подобия, которые позволяют сопоставить полученные аэродинамические данные численной модели и объекта-оригинала. Наиболее значимыми критериями подобия являются число Рейнольдса и число Эйлера.

Число Рейнольдса характеризует отношение сил инерции к силам вязкости:

(1.9)

V

Число Эйлера характеризует отношение сил давления к силам инерции:

Ар (1.10)

(1.10)

где I - характерный линейный размер, м;

V - характерная скорость, м/с;

V- кинематический коэффициент вязкости;

^ интервал времени, с;

Ар - разность давлений, Па;

р- плотность воздуха, кг/м3;

д- ускорение свободного падения, м/с2.

Таким образом, для определения характеристик динамики движения воздушных масс в коридоре движения высокоскоростного поезда в основном следует изучить изменение этих двух параметров.

1.2. Обзор исследований по аэродинамике подвагонного

пространства

В подвагонном пространстве размещены несущие элементы кузова, ходовая часть, тормозное оборудование, электрооборудование, устройства безопасности. На «Сапсане» устанавливаются два типа тележек: моторная тележка с тяговым приводом (рисунок 1.2.1) и немоторная тележка вагона без привода (рисунок 1.2.2).

1 — рама тележки; 2 — клещевой механизм дискового тормоза; 3 — рессорное подвешивание 1-й ступени; 4 — пневматическое рессорное подвешивание 2-й

ступени; 5 — гаситель поперечных колебаний; 6 — демпфер виляния; 7 — тяговый электродвигатель (ТЭД); 8 — опора пружины качания; 9 — форсунка песочницы; 10 — путеочиститель (только на головных вагонах); 11 — зубчатая муфта поперечной компенсации; 12 — тяговый редуктор; 13 — колесная пара; 14 — буксовый узел; 15 — гаситель вертикальных колебаний 1-й ступени; 16 — гаситель вертикальных колебаний 2-й ступени;

Рисунок 1.2.1 - Общий вид тележки

Тележка без тягового привода имеет напрессованные тормозные диски на оси колесной пары по 3 штуки для лучшего распределения тормозного момента вдоль оси. Диски выполнены по вентилируемой схеме, на рисунках можно наблюдать вентиляционные каналы в них.

10 3 9 6 4 5 11

1 — рама тележки; 2 — клещевой механизм; 3 — рессорное подвешивание 1-й ступени; 4 — пневматическое рессорное подвешивание 2-й ступени; 5 — гаситель поперечных колебаний; 6 — демпфер виляния; 7 — опора пружины качания; 8 — колесная пара; 9 — букса колесной пары; 10 — гаситель вертикальных колебаний 1-й ступени; 11 — гаситель вертикальных колебаний 2-й ступени.

Рисунок 1.2.2 - Общий вид тележки с тормозными дисками

Исследования по аэродинамическому сопротивлению состава [24, 25], показывают, что ходовые части в значительной степени повышают воздушное сопротивление вагонов, а также определяют зависимости траекторий воздушных потоков, которые влияют на работу оборудования, установленного на донной части кузова. Воздушное сопротивление сопровождается турбулентными вихревыми процессами, способствующими подъему и увлечению твердых включений, приобретающих значительную кинетическую энергию, чем и представляют опасность. Из практики эксплуатации высокоскоростных поездов известны случаи повреждения ударного характера корпусных элементов днища и боковых стенок

кузова, устройств и приборов безопасности движения, установленных в подвагонном пространстве, а также нанесении ущерба верхнему строению пути.

В работе [68] исследуются аэродинамические и динамические силы, действующие на частицы балласта во время движения поезда. В результате установлено, что для подъема щебня необходима как аэродинамическая, так и динамическая составляющая. С этой целью проводились полевые испытания с помощью геофона и акселерометра (рисунок 1.2.3) по замеру колебаний железнодорожного полотна, также замерялось давление и скорость потока, сгенерированного высокоскоростным поездом. Разрабатывалась аналитическая модель для попытки определения механизма подъема частицы.

Рисунок 1.2.3 - Места установки геофонов и акселерометров на внешней стороне

рельса или в балласте

Однако исследование показало наличие неопределенности в формировании вертикальной составляющей скорости, воздействующей на частицу балласта, что значительно снижает качество разработанной модели. В результате остается неясным - к чему приближается модель: к большой начальной скорости или малой начальной скорости плюс подъемная сила.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Полякова Екатерина Яновна, 2021 год

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1 Лопушинский В.И. Сопротивление паровозов и вагонов в движении и действии паровой машины паровоза на основании динамометрических и индикаторных опытов, проведенных в 1877-1879 гг. на Моршанско-Сызраньской ж.д.// Инженер.-1882.-Т. 3-4.

2 Астахов П.Н. Сопротивление движению железнодорожного подвижного состава // Астахов П.Н./ Труды ЦНИИ МПС.-Вып. 311. - М.: Транспорт, 1966. - 178 с.

3 Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. // Абрамович Г.Н. / Учеб. руководство: Для втузов. 5-е изд., перераб. и доп. — М.: Наука. Гл. ред. физмат. лит, 1991 г. —600 с.

4 Аэродинамика тел при движении в тоннелях (стволах шахт): ют о НИР/ЛИИЖТ; Руководитель И.И. Челноков.- N ГР 75046741. -Л., '5.-98 с.

5 Романенко Г.А., Сюзюмова Е.И. Исследования аэродинамического сопротивления скоростных поездов // Некоторые вопросы экспериментальной аэродинамики. - М.: МГУ. - 1973. - Вып. 24. - С. 110-118.

6 Романенко Г.А., Сюзюмова Е.И. Худяков Г.Е. Аэродинамика скоростных поездов. Пятый Всесоюзный съезд по теоретической и прикладной механике. Аннотации докладов. Каз. ССР. - Алма-Ата: Наука, 1981. - С. 56-57.

7 Лазаренко Ю.М., Капустин А.Н. Аэродинамическое воздействие высокоскоростного электропоезда „Сапсан" на пассажиров на платформах и на встречные поезда при скрещении//Вестник ВНИИЖТ № 4, 2012, с.11-14

8 Н. А. Чурков аэродинамика железнодорожного поезда.-М.:Желдориздат, 2007.-332 с.

9 D. Soper The aerodynamics of a container freight train / David Soper // University of Birmingham Research Archive. -2014. -371 p.

10 Mohammad, A. R. Numerical calculations of aerodynamic performance for ATM train at crosswind conditions / Ali Rezvani Mohammad, Masoud Mohebbi // Wind and Structures. - 2014. - vol. 18. - p. 529-548

11 О. А. Сидоров, А. Н. Смердин, А. Е. Чепурко Применение CFD-метода для определения аэродинамических сил токоприемника и его аэродинамического устройства

12 G. Vino, S. Watkins, P Mousley, J. Watmuff, S. Prasad. Flow structures in the near wake of the Ahmed model. Journal of Fluids and Structures 20, 673-695, 2005

13 D. Sims-Williams, R. Dominy, J Howell J. An investigation into large scale unsteady structures in the wake of real and idealised hatchback car models, SAE Congress, Detroit, Paper 2001-01-1041, 2001

14 T. Nouzawa, K. Hiasa, T. Nakamura, A. Kawamoto, H. Sato Unsteady wake analysis of the aerodynamic drag of a notchback model with critical afterbody geometry. SAE Congress, Detroit, Paper 929202, 1992

15 N. Paradot, C. Talcotte, A Willaime, L Guccia, J-L Bouhadana. Methodology for computing the flow around a high speed train for drag estimation and validation using wind tunnel experiments. World Congress on Rail Research, Tokyo. 1999.

16 C. J. Baker, S. J. Dalley, T. Johnson, A. Quinn, N. G. Wright. The slipstream and wake of a high speed train. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers F Journal of Rail and Rapid Transit, 215, 83-99, 2001

17 FLUENT. Unsteady flow behind a high speed train by C Heine and G Matschke, FLUENT web site; http: //www.fluent.com/about/news/newsletters/02v 11i1/a8.htm

18 B. Schulte-Werning, C. Heine, G. Matschke. Unsteady wake characteristics of high speed trains. PAMM Proceedings Applied Maths and Mechanics 2, 332-333. 2003

19 Baker C. 2014, A review of train aerodynamics Part 2 - Applications The Aeronautical Journal, vol 118, no.1201.

20 CEN (2009) Railway Applications - Aerodynamics Part 4 Requirements and test procedures for aerodynamics on open track, BS EN 14067-4:2005+A1:2009

21 Baker C. J., Jordan S.J. идр. (2012) Transient aerodynamic pressures and forces on trackside and overhead structures due to passing trains. Part 1 Model scale experiments, Journal of Rail and Rapid Transit, 10.1177/0954409712464859

22 Sanz-Andres A., Laveron, Cuerva A., Baker C. (2004). Vehicle-induced loads on pedestrian barriers, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 92,403-426, 10.1016/j.jweia.2003.12.004

23 RAPIDE (2001) Railway aerodynamics of passing interaction with dynamic effects. Synthesis report, Aerodynamics Workshop, Cologne

24 Девнин С. И. Аэрогидромеханика плохообтекаемых конструкций.-Л.: Судостроение, 1983.-320 с.

25 Сюзюмова Е. М., Романенко Г.А. Оценка количественных и качественных характеристик воздушного сопротивления скоростного поезда//Вестник ВНИИЖТа.-1978.-№4.-С. 31-34

26 H. B. Kwon, C. S. Park. An experimental study on the relationship between ballast flying phenomenon and strong wind under high speed train. World Congress on Rail Research Montreal 2006, Paper T3.3.2.3

27 A. Quinn, M. Hayward. Full scale aerodynamic measurements underneath a high speed train. Proceedings of the BBAA VI, Milano, Italy, July 20-24, 2008

28 A. Ido, S. Saitou, K. Nakade, S. Iikura. Study on under-floor flow to reduce ballast flying phenomena, World Congress on Rail Research, Seoul, Paper number S2.3.4.2, 2008

29 H.-J. Kaltenbach, P.-E. Gautier, G. Agirre, A. Orellano, K. Schroeder-Bodenstein, M. Testa, Th. Tielkes. Assessment of the aerodynamic loads on the trackbed causing ballast projection: results from the DEUFRAKO project Aerodynamics in Open Air (AOA),World Congress on Rail Research, Seoul, paper number S2.3.4.1, 2008

30 Гарбарук А.В. Моделирование турбулентности в расчетах сложных течений: учебное пособие / А.В. Гарбарук, М.Х. Стрелец, М.Л. Шур - СПб: Изд-во Политехн. унта, 2012. - 88 с.

31 Дубинский С. И. Диссертация Численное моделирование ветровых воздействий на высотные здания и комплексы [Текст]: дисс...канд. тех. наук: 05.13.18: защищена 29.06.2010 / Дубинский Сергей Иванович.-Москва, 2010.-198 с.

32 А.В. Сентябов, А.А. Гаврилов, А.А. Дектерев Исследование моделей турбулентности для расчета закрученных течений / А.В. Сентябов, А.А. Гаврилов , А.А. Дектерев // Теплофизика и аэромеханика, 2011, том 18, № 1.- с. 81-93.

33 Wilcox D. C. Formulation of the ^-«Turbulence Model Revisited AIAAJ Journal Vol 46, 11, November 2008.

34 Florian R. Menter Review of the shear-stress transport turbulence model experience from an industrial perspective International Journal of Computational Fluid Dynamics Volume 23, 2009 - Issue 4: RANS CFD Modelling into a Second Century

35 В. М. Ковеня, Схемы расщепления в методе конечных объемов / В. М. Ковеня // Ж. вычисл. матем. и матем. физ.,-2001,- т. 41,№ 1,- с. 100- 113.

36 ANSYS FLUENT 12.0 UDF Manual

37 Инженерная компания Технополис Вычислительная гидродинамика [https: //www.tpolis. com/ansys/files/ansys_gidrodinamic. pdf]: Электрон. журнал: -Инженерная компания Технополис.-Киев,- Режим доступа: https://www.tpolis.com/ansys/files/ansys gidrodinamic.pdf, свободный

38 Kuang-Hua Chang Ph. d. Motion Simulation and Mechanism Design with SolidWorks motion 2016

39 J. Wang and etc. Study of Snow Accumulation on a High-Speed Train's Bogies Based on Discrete Phase Model, Journal of Applied Fluid Mechanics, Vol. 10, No. 6, pp. 1729-1745, 2017.

40 Клячко Л. С., Одельский Э. Х., Хрусталев Б. М. Пневматический транспорт сыпучих материалов.-Мн.: Наука и техника, 1983.- 216 с., ил.

41 Алямовский А.А. Инженерные расчеты и SolidWorksSimulation. М.: ДМК Пресс, 2010. 464 с.

42 АлямовскийА.А. SolidWorksSimulation. Как решать практические задачи. — СПб.: БХВ-Петербург, 2012. 448 с.

43 Конструирование и расчет машин химических производств: Учебник для машиностроительных ВУЗов по специальности «Химическое машиностроение и аппаратостроение» / Ю.И. Гусев, И. Н. Карасев, Э. Э. Кольман-Иванов и др.-М.: Машиностроение, 1985.- 408 с.

44 Алексеенко С. В., Приходько А. А. Численное моделирование обледенения цилиндра и профиля. Обзор моделей и результаты расчетов // Ученые записки ЦАГИ.-2013.-том XLIV. - № 6.- с. 25-27.

45 Prandtl L. Schlichting H. Das Widerstandsgesetz rauher Platten, Werf, Reederei, Hafen I, 1934, 81 s.

46 Теория удара в задачах и примерах : учеб, пособие /М. В. Лейбович; науч. ред. Е. Л. Маркова]. - Хабаровск :Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2016. - 236 с.

47 Segletis, S. B. A model for rod ricochet / S. B. Segletis //Int. J. Impact Eng.-2006.-V.32, №9.

48 ГОСТ 21631-76 Листы из алюминия и алюминиевых сплавов. Технические условия.-М.: Стандартинформ, 2008.

49 Скрипняк Н.В. Динамика разрушения алюминий-магниевого сплава АМг6/ Скрипняк Н.В. // Современные проблемы науки и образования. - 2013. -№ 6.

50 Сутягин В. М.Основные свойства полимеров: учебное пособие / В. М. Сутягин, О. С. Кукурина., В. Г. Бондалетов; Национальный исследовательский Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010 - 96 с.

51 В. П. Дорожкин, Е. М. Галимова Химия и физика полимеров: учебное пособие / В. П. Дорожкин, Е. М. Галимова. - 2-ое изд.-Нижнекамск: Нижнекамский химико-технологический институт (филиал) ФГБОУ ВПО «КНИТУ», 2013.- 240 с.

52 Владимиров В.Н , Трунин Ю.В. Феноменологический подход к определению долговечности композитов Ц Физика прочности комп. материалов: Материалы Всес. семинара. Л., 1978. С. 99-106.

53 Е. Ю. Макарова, Ю. В. Соколкин, А. А. Чекалкин Структурно-феноменологические модели прогнозирования упругих свойств высокопористых композитов // Е. Ю. Макарова, Ю. В. Соколкин, А. А. Чекалкин/ Вест.Сам.гос.тех.ун-та Сер. Физ.-мат. Науки.-2010.-№5(21).-с 276-279.

54 Сиротенко Л. Д. Структурно-феноменологическое прогнозирование долговечности и разрушения композиционных материалов и конструкций: дис...док. тех.наук: 05.16.06: защищена 1998.- Пермь.-283 с.

55 Арутюнян А.Р. Арутюнян Р. А. Старение и разрушение сжимаемых упруго-вязких сред // Арутюнян А.Р. Арутюнян Р. А./ Вестник Санкт-Петербургского университета. Серия 1.Математика,Механика, Астрономия.- Т.4 962), вып. 2.-2017.- 8 с.

56 А.Н. Бобрышев, П.В. Воронов, Э.Р. Галимов, А. В. Лахно, И. А. Абдуллин Кинетические модели релаксации напряжений в композитах // Вестник Казанского технологического университета.-2014.-4с/

57 Алямовский А.А., SolidWorks. Компьютерное моделирование в инженерной практике / Алямовский А. А., Собачкин Е.В., Одинцов А.И., Харитонович Н.Б., Пономарев // СПб.: БХВ-Петербург, 2008. 1040с.

58 Торба А. «Сапсан» освободили от наледи // Гудок.-вып. № 223.-2010.-10.12.-1 полоса.

59 ГОСТ Р 54264-2010 Воздушный транспорт. Система технического обслуживания и ремонта авиационной техники. Методы и процедуры противообледенительной обработки самолетов. Общие требования.

60 Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя [Текст]. - пер. с нем. М., «Иностранная литература», 1956 г., 528 с.

61 Вейнберг Б. П. Снег, иней, град, лед и ледники. - Одесса: Изд-во М. Шпенцерна, 1909.- 127 с.; 2-ое изд. - Л. ОНТИ, 1936.-232 с.

62 В. В. Кравец Аэродинамика частично перекрытого межвагонного пространства скоростного поезда / В. В. Кравец, Е. В. Кравец // Наука и прогресс транспорта. Вестник Днепропетровского национального университета железнодорожного транспорта. - 2005. - 9с.

63 CSN EN 14067-1 Railway applications - Aerodynamics - Part 1: Symbols and units. - European committee for standardization. - 2003.

64 Paul Derkowski High-speed Rail Aerodynamic Assessment and Mitigation Report: technical report / Transportation Technology Center, Inc; Paul Derkowski (Arup), Steve Clark (Arup), Richard Sturt (Arup), Alexander Keylin (TTCI), Chris Baker (Birmingham University), Alan Vardy (Dundee Tunnel Research), Nicholas Wilson (TTCI). Washington, 2015. 258 p. D0T/FRA/0RD-15/40.

65 Messinger B.L. Equilibrium temperature on an unheated icing surface as a function of airspeed // Journal of aeronautical Sciences. - 1953.-V.20.- № 1.-p. 29-42

66 Зыонг Де Тай. Обтекание планера гражданского самолета в условиях начальной стадии обледенения : автореферат дис. ... кандидата физико-математических наук : 01.02.05 / Зыонг Де Тай; [Место защиты: Центр. аэрогидродинам. ин-т им. проф. Н.Е. Жуковского]. - Жуковский, 2018. - 27 с.

67 Борьба со снегом и гололедом на транспорте: Материалы II Международ. симпозиума. - М.: транспорт, 1986. - 216 с.

68 A D Quinn A full-scale experimental and modelling study of ballast flight under high-speed trains /A D Quinn, M Hayward, C J BakeK, F Schmid, J A Priest, and W Powrie // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit 2010 224: 61.DOI: 10.1243/09544097JRRT294.

69 Солтанов С. Х. Экологические последствия применения противообледенительных жидкостей «octafloeg» и «maxflight 04» при обработке воздушных судов гражданской авиации в осенне-зимний период / Солтанов С. Х // Международный научно-исследовательский журнал.-вып. № 6.- 2016.- 4 с.

70 Соболев А. А. Движение частиц в воздушном потоке / А. А. Соболев, П. А. Мельников, А. О. Тютюнник // Вектор науки ТГУ.-вып. №3(17).-2011.- 5 с.

71 Антипов Б.В. Научные основы разработки системы защиты от растительности железнодорожного пути и других объектов производственной структуры: дисс. д-ра тех. наук. ВНИИЖТ, Москва, 2014.

72 Патент РФ № 2469145 С1 10.12.2012. Способ укрепления балластной призмы железнодорожного пути // Патент России № 2469145. 2012. / Шаула Я. И., Хрулев А. В., Мичурин О. А. [и др.].

73 ГОСТ Р 55050-2012 Железнодорожный подвижной состав. Нормы допустимого воздействия на железнодорожный путь и методы испытаний.-Москва: Стандартинформ, 2019 - 20 с.

74 Киселев А. А. Влияние эквивалентной конусности колесных пар на напряженно-деформированное состояние рельсов: автореферат дис. ... кандидата технических наук: 05.22.06 / Киселев Артем Александрович; [Место защиты: Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I]. - Санкт-Петербург, 2020. - 24 с.

75 Дубинский С.И., Каплунов С.М. Верификация расчета аэродинамических нагрузок от прохождения скоростного состава на конструкции инфраструктуры РЖД / Дубинский С.И., Каплунов С.М. // Труды Международной

конференции «Живучесть и конструкционное материаловедение». -ИМАШ РАН, 22-24 октября 2012.- С.120-128.

76 Каплунов С.М. Диагностика состояния конструкций и сооружений инфраструктуры РЖД с учетом интенсивных аэродинамических нагрузок от скоростных составов / Каплунов С. М., Вальес Н.Г., Фурсов В.Ю., Белостоцкий А.М., Дубинский С.И. // Сборник трудов электронного научного периодического издания института проблем управления им. В .А. Трапезникова РАН. Вып. «Управление большими системами».- Вып. 38.- М., ИПУ РАН, 2012. - С. 170-182.

77 Shibo Wang The effect of bogies on high-speed train slipstream and wake / Shibo Wang a, David Burton , Astrid Herbst b , John Sheridan a , Mark C. Thompson // Journal of Fluids and Structures.-2018.-19 p.

78 Onder Asim Harmonised method to validate the impact resistance performance of composite passenger railway carbodies: thesis., dr of philosophy. -School of mechanical and systems engineering newcastle university.-2017.- 252 p.

79 Onder A, O'Neill C, Robinson M. Flying Ballast Resistance for Composite Materials in Railway Vehicle Carbody Shells. Transport Research Procedia 2016; 14:595-604. doi:10.1016/j.trpro.2016.05.301.

80 Грицкевич, М. С. Применение пристенных функций для расчета гидродинамики и конвективного теплообмена в рамках гибридных RANS-LES подходов / М. С. Грицкевич, А. В. Гарбарук // Тепловые процессы в технике. -2015. - Т. 7. - № 4. - С. 146-151.

81 А. Д. Гиргидов Механика жидкости и газа (гидравлика): Учебник для ВУЗов, 2-ое изд., испр. и доп. Спб.:Изд-во СПбГУ,- 2003.-545 с.

82 Карасев, В. А. Теория вероятностей и математическая статистика. Математическая статистика : Практикум / В. А. Карасев, Г. Д. Левшина. -Москва: Издательский Дом МИСиС, 2016. - 120 с. - ISBN 9785906846013.

83 Поляков, Б. О. Разработка методики исследования аэродинамических особенностей подвагонного пространства в составе высокоскоростного электропоезда / Б. О. Поляков, Е. Я. Ватулина, Ю. П. Бороненко // Транспорт: проблемы, идеи, перспективы : сборник трудов ЬХХХ Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Санкт-Петербург, 20-27 апреля 2020 года / Федеральное агентство железнодорожного транспорта, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I». -Санкт-Петербург: Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, 2020. - С. 47-50.

84 Полякова Е. Я., Поляков Б. О., Дубинский С. И. К вопросу об обледенении железнодорожного подвижного состава в условиях эксплуатации северного широтного хода // Известия Петербургского университета путей сообщения. - СПб.: ПГУПС, 2021. - Т. 7.- Вып. 1. - 7 с.