列车风作用下侧向人员人体气动特性数值计算方法技术

列车风作用下侧向人员人体气动特性数值计算方法，包括：于不同的计算工况下建立列车计算模型、人体计算模型和线路计算模型；对列车计算模型进行计算区域、计算区域边界和时间步长确定；根据确定的列车计算模型和人体计算模型，依据动网格技术确定计算模型空间体单元；依据连续性方程、动量方程和湍流模型方程计算得到不同列车速度下，不同工况下人体模型的气动力数据和相应列车风速度。本发明专利技术能够尽可能真实模拟人体的外部形状，计算所得的结果与实验结果相比具有较好的一致性，并能够依靠计算机来完成整个建模和计算过程，其计算结果精确，与实验结果比较偏差较小，可用于各种列车风作用下的侧向人员人体气动特性的数值模拟计算。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于列车风对站台上及道旁人员空气动力作用的影响的评估技术， 具体的涉及列车风作用下人体气动特性及列车周围三维流场数值模拟计算方法。
技术介绍
列车是在地面上高速运行的长大物体，有其独特的空气动力问题需要研究解 决。由于空气的粘性作用，列车在地面高速运行时将带动列车周围空气随之运 动，形成一种特殊的非定常流动，通常称为列车风。列车风以空气流动和压力 变化的形式表现出列车对周围环境及道旁人员安全的影响。列车风的作用随着 离开列车侧面距离的增加而减少，为保障站台上旅客和路边作业人员安全，必 须保证人体与列车侧壁之间有一定距离，这一距离即为人体安全退避距离。列车安全退避距离主要有两方面研究内容， 一是列车风作用下人体受力情况及列车风速度及压力分布；二是制定判别人体安全性的标准。现有技术中，对 列车风的研究各国采用的研究方法、研究手段不尽相同，大致可分为三种采用实车试验研究方法，测量全尺寸人体模型受到的气动力，同时测量轨侧列车风风速和风压的分布规律；采用水洞等模拟试验方法，测量列车通过时轨侧园 柱体(模拟人体)的压力分布；用势流理论计算方法，求解列车周围速度场和 压力场以及轨侧圆柱体在列车通过时的压力系数变化规律。日本在高速铁路研 究初期对列车风进行过一些理论计算和风洞试验，但主要是依赖于实车试验的 测量结果。他们采用人体模型和二维超声风速仪测试列车以170km/h速度通过 时，人体模型的受力情况以及站台上不同距离的列车风风速。同样法国和前苏 联也采用全尺寸人体模型，测量处于列车风中的人体的受力情况。英国通过实 车试验方法测量了高速列车通过时，线路侧向不同距离列车风风速及风向，还 将残疾人轮椅置于距站台边缘不同距离位置，观测轮椅的受力及运动情况。德 国除进行实车试验外，还通过水槽模拟试验，当拖动列车模型运动时，测量列4车侧向圆柱体(模拟人体)的受力情况，同时采用基于势流理论的数值模拟计 算方法，计算了列车侧向圆柱体的气动力。我国高速铁路虽起步较晚，但经近十年的努力，在高速铁路基础研究方面 取得了一系列成果。我国在八五期间就开展了列车安全退避距离的研究， 以下简要介绍这方面的研究工作情况。 一是实车试验。其采用全尺寸人体模型分别在铁科院环行线(列车最高运行速度180km/h，人体模型放置在线路旁)、 广深线(列车最高运行速度170km/h，人体模型置于路堤及路堑上)及沪宁线(列 车最高运行速度160km/h，人体模型置于站台上)测量人体在列车风中受到的气 动力，试验列车为DF11牵引的准高速列车，并采用三维超声风速仪测量列车风 风速。二是模拟试验。在北京大学力学系的拖槽中分别对流线型和传统钝型列 车进行列车绕流特性模拟试验。三是数值计算。采用势流理论(即将空气作为 无粘、无旋流体处理)计算了列车头部列车风速度及压力分布，并采用集总参 数法(将非定常、不均匀流场中圆柱体受力问题转化成定常、均匀问题处理) 计算了短圆柱体在列车风中的受力情况。在上述研究工作基础上，参考国外标 准采用类比法提出了我国人体允许承受的气动力值和风速值(建议值)对站台 而言，人体允许承受的最大气动力值为100N;对线路作业而言，人体允许承受 的最大气动力值为130N;站台旅客和线路作业人员允许承受的列车风风速为14 m/s。根据上述研究结果，九五期间制订的时速200公里新建铁路线桥隧站 设计暂行规定中提出了 200km新建线路有列车通过的站台人体安全退避距离 为距站台边缘2m，线路作业人员安全距离为距轨侧3m。但是，人体在列车风中受力计算是一个非常复杂的流场计算问题，其复杂 性表现在以下几方面1.列车与人体模型(包括站台、地面)之间有相对运动， 不能采用传统的数值风洞方法进行计算；2.列车风作用于人体气动力问题是一 个三维、非定常流场中复杂形状物体受力问题；3.相对于列车来说人体尺度较 小，给计算区域网格划分带来很大困难。受到上述因素的影响，德国、法国以及我国的研究工作者，在计算列车风 中人体受力情况时，作了很大简化不考虑列车与人体模型之间的相对运动， 以准稳态过程代替瞬态过程，并且是以线化理论(面元法)求解流场，而对人 体的模拟则是以规则的圆柱体或椭圆柱体来近似模拟。这些简化措施与真实情 况相比有较大差距，因此，其计算结果与试验结果偏差较大。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于三维、描述列车及人体模型周围空气流动的控制方程，用滑移网格(Sliding Mesh)技术模拟列车计算模型与人体计算模型之间的 相对运动的，其能够尽可能 真实模拟人体的外部形状，计算所得的结果与实验结果相比具有较好的一致性， 并能够依靠计算机来完成整个建模和计算过程。 本专利技术所采用的技术方案如下，其特征在于所述计算 方法包括于不同的计算工况下建立列车计算模型、人体计算模型和线路计算模型；对列车计算模型进行计算区域、计算区域边界和时间步长确定；根据确定的列车计算模型和人体计算模型，依据动网格技术，以物面为三角形网格，空间用四面体网格建立确定计算模型空间体单元；依据连续性方程、动量方程和湍流模型方程计算得到不同列车速度下，不同工况下人体模型的气动力数据和相应列车风速度。 具体的讲，所述列车计算模型的建立包括简化列车底部结构，并縮短列车长度，以裙板代替转向架，省略列车的受电弓。一具体实施方式中，所述人体计算模型的建立包括人体计算模型取人体着冬装时的尺寸，并设定人体模型高1.8m，着装后肩 宽0.56m，前后尺寸为0.36m。另一具体实施方式中，所述线路计算模型包括有站台和无站台两种模型， 其中无站台时，人体模型置于地面；有站台时，站台边缘距轨道中心线O. 185m， 站台高度距轨面1. lm。再一具体实施方式中，所述列车计算模型的计算区域边界的确定方法包括确定计算区域边界应为未受扰动的流体边界，计算区域边界包括进、出口截面 上速度为零；列车表面为运动边界条件，其速度为列车运行速度。又一具体实施方式中，所述连续性方程、动量方程和湍流模型方程包括连续性方程x方向动量方程Y方向动量方程 Z方向动量方程 湍流动能/t方程湍流动能耗散率e方程，+ Av(p^ - ，gm剩=- C2w)其中，^为速度矢量，、v、 w为各坐标方向的速度分量，P为空气密度， /V和《#分别为有效粘性系数和有效压力，其值与湍流动能A和湍流动能耗散率 ^有关。所述依据连续性方程、动量方程和湍流模型方程计算是指采用大型商用流 场数值计算软件FLUENT6.0模拟列车计算模型与人体计算模型之间的相对运动对模型空间体单元进行计算。所述不同的计算工况是指有无站台、不同列车运行速度、不同人体计算模型 的侧向距离条件下的计算工况。本专利技术基于列车运行过程中描述列车及人体模型周围空气流动的控制方程 包括连续性方程、动量方程及湍流模型方程，通过建立列车计算模型、人体计 算模型和线路计算模型，采用沿列车计算模型纵向网格剖面和人体计算模型网 格剖面所得到的计算网格，进行计算机计算，得到不同列车速度下，不同工况 下人体模型的气动力数据和相应列车风速度。大型商用流场数值计算软件FLUENT6.0采用目前应用最广泛又较成熟的有 限体积法和非结构网格分别对方程和区域进行离散，可模拟从不可压縮到高度 可压縮范围内的复杂流动本文档来自技高网...

【技术保护点】
列车风作用下侧向人员人体气动特性数值计算方法，其特征在于所述计算方法包括：　于不同的计算工况下建立列车计算模型、人体计算模型和线路计算模型；对列车计算模型进行计算区域、计算区域边界和时间步长确定；　根据确定的列车计算模型和人体计 算模型，依据动网格技术，以物面为三角形网格，空间用四面体网格建立确定计算模型空间体单元；　依据连续性方程、动量方程和湍流模型方程计算得到不同列车速度下，不同工况下人体模型的气动力数据和相应列车风速度。

【技术特征摘要】
1.列车风作用下侧向人员人体气动特性数值计算方法，其特征在于所述计算方法包括于不同的计算工况下建立列车计算模型、人体计算模型和线路计算模型；对列车计算模型进行计算区域、计算区域边界和时间步长确定；根据确定的列车计算模型和人体计算模型，依据动网格技术，以物面为三角形网格，空间用四面体网格建立确定计算模型空间体单元；依据连续性方程、动量方程和湍流模型方程计算得到不同列车速度下，不同工况下人体模型的气动力数据和相应列车风速度。2. 根据权利要求1所述的列车风作用下侧向人员人体气动特性数值计算方 法，其特征在于所述列车计算模型的建立包括-简化列车底部结构，并縮短列车长度，以裙板代替转向架，省略列车的受 电弓。3. 根据权利要求1所述的列车风作用下侧向人员人体气动特性数值计算方 法，其特征在于所述人体计算模型的建立包括人体计算模型取人体着冬装时的尺寸，并设定人体模型高1.8m，着装后肩 宽0.56m，前后尺寸为0.36m。4. 根据权利要求1所述的列车风作用下恻向人员人体气动特性数值计算方 法，其特征在于所述线路计算模型包括有站台和无站台两种模型，其中无站台 时，人体模型置于地面；有站台时，站台边缘距轨道中心线0. 185m，站台高度 距轨面1. lm。5. 根据权利要求1所述的列车风作用下侧向人员人体气动特性数值计...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁习锋，许平，杨志刚，姚松，刘堂红，杨明智，李燕飞，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：43[]