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高速列车关键热物理基础问题研究

时间:2016/6/6 16:24:59

高速列车关键热物理基础问题研究

                           国家自然基金重点项目(51236003)

一、 立项依据

高速列车需和大气交换的热量与速度的平方成正比,例如一列16辆编组、时速为350 km的高速列车,其功率可达18400 kW,正常运行时需要和大气交换的热量为2200 kW,然而,换热器及其防护装置集成到高速列车后随列车高速移动时会产生比较突出的换热器介质流动与列车空气动力学耦合问题,空气流经换热器时会产生非常复杂的流动现象,使风机所推动的流动阻力增加、列车换气困难、换热器换热能力下降。由于列车牵引功率和制动功率以运行速度的平方增加,轮轨蠕滑量也以指数规律增长,高速的后果是制动盘和摩擦片、轮轨形成的摩擦副温度升高。已有的研究表明制动副的热点温度可达2000°C,轮轨摩擦副的温度即使在正常牵引工况也很高,但不超过500°C,而在制动过程这一温度会急剧上升到1500°C。摩擦副温度的升高,不但改变摩擦副的摩擦特性,还改变摩擦副的磨削量,同时交变热应力幅值和频率的急剧上升会使摩擦副材料产生裂纹,摩擦副温度随时间的变化还会引起摩擦副材料特性的变化。由于摩擦热使轮轨接触区的温度增加50 K,就会导致热应力水平与轮轨接触机械应力水平相当,虽然制动摩擦副的热应力水平在温升50 K时比轮轨摩擦副的要小,但远远超过作用在摩擦副上的正应力。由于摩擦热产生的热应力是一交变应力,当列车运行速度提高后,其频率、幅值急剧增长,对高速列车运行功能、安全行、成本带来非常严重威胁。上述现象均以工程热物理学科所研究的传热现象及过程密切相关。同时,这些传热过程又与列车空气动力学、固体力学、摩擦学、材料学等学科深度交叉,呈现出其与常规传热现象不同的独特性:高速移动、高速滚动的传热面、被传输热源产生的特殊性(固体蠕变、摩擦耦合)和高速移动特。考虑到我国高速列车运行速度和国际上高速列车的发展趋势,在常规传热学研究对这些问题很少涉及的现状下,非常有必要对时速200—450 km的高速列车涉及的这些与其它学科深度交叉的工程热物理基础问题从学科交叉的角度出发进行深入、系统的研究。

高速列车关键热物理基础问题研究

                         图1 立项依据示意图

二、研究内容

   1高速移动阵列缝隙弱抽吸、弱射流的流动换热特性研究

1)高速移动阵列缝隙弱射流、弱抽吸的流动特性(缝隙口局部阻力系数、缝隙口附近流场、抽吸或射流阻力系数增加量等)和列车运行速度的关系实验和数值模拟研究;

2)高速移动阵列缝隙弱射流、弱抽吸的换热特性(构成缝隙壁面表面传热系数的特性,缝隙几何结构对其表面传热系数的影响等,这里缝隙几何结构指板翅和管翅换热器有不同的肋侧结构)和列车运行速度的关系实验和数值模拟研究;

3)百叶窗形成的高速移动阵列缝隙弱射流、弱抽吸的流动特性(主要确定弱抽吸、弱射流的流动阻力损失)实验和数值模拟研究;

4)外掠阵列缝隙弱抽吸、弱射流的流动特性实验和数值模拟研究;

5)寻求抑制高速移动阵列缝隙弱抽吸、弱射流阻力损失的有效措施。

高速列车关键热物理基础问题研究高速列车关键热物理基础问题研究

2 高速气流外掠阵列缝隙抽吸涡特性的研究

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3 高速气流外掠阵列缝隙射流涡特性的研究

2移动面限制滚动类部件表面阻力系数、传热特性及其强化

1)用实验及数值方法研究描述有移动表面限制的滚动类部件所引起流动相似性的特征速度和特征长度;

2)滚动圆盘(车轮)表面传热系数的实验和数值模拟研究;

3)装在滚动车轮轴上的圆盘外表面传热系数的实验和数值模拟研究;

4)强化圆盘内部通道表面传热的实验和数值模拟研究;

5)圆盘表面附近流动特性的实验和数值模拟研究;

6)圆盘内部通道流动的数值模拟研究;

7)摩擦系数与温度关系的实验研究。

   高速列车关键热物理基础问题研究 高速列车关键热物理基础问题研究高速列车关键热物理基础问题研究

          图4 轮轨表及制动盘表面传热特性研究   

3 高速列车轮轨摩擦热的传递机理研究

1)高速列车车轮通过时钢轨表面的局部非稳态换热特性实验与数值模拟研究;

2)车轮踏面上接触斑附近局部非稳态换热特性数值模拟研究;

3)建立摩擦热传输的流/固体力学、传热学、摩擦学耦合模型;

4)发展耦合模型的数值方法;

5)用耦合模型研究:摩擦热向钢轨和轮对的传递比率及其规律,接触斑内车轮的变形量和钢轨的变形量及其随时间的变化关系,摩擦热在车轮中的传递规律,摩擦热在钢轨中的传递规律;

6)用耦合模型研究轮轨摩擦热传递规律的关键特征参数(比如列车速度、轨道半径、车辆横向移动量、车辆轴重、车轮和钢轨材料、轮轨摩擦特性);

   高速列车关键热物理基础问题研究

                      图5 高速列车轮轨摩擦热的传递机理研究-1

高速列车关键热物理基础问题研究

6 高速列车轮轨摩擦热的传递机理研究-2

高速列车关键热物理基础问题研究

7 高速列车轮轨摩擦热的传递机理研究-3

高速列车关键热物理基础问题研究

8 高速列车轮轨摩擦热的传递机理研究-1

二、 预期成果创新

1)获得高速移动换热、换气装置与大气的耦合特性,为高速移动换热换气装置设计及高速列车空气阻力计算提供理论依据;

2)获得移动面限制高速滚动复杂部件所引起流动的流动结构和传热特性,为摩擦热的控制提供理论依据;

3)获得高速移动摩擦热的流/固体力学、传热学、摩擦学耦合模型,增进对多学科深度交叉复杂物理现象的认识和描述获得高速移动摩擦热传输机理及与摩擦副主要特征耦合原理,为进一步提高高速列车运行可靠性、安全性和降低运行成本从固体力学、摩擦学、材料学等方面出发的研究奠定理论基础;

四、已获得的成果

[1] Y. Wu, M. G. Wu, Y. H. Zhang, L. B. Wang, Experimental study of the heat and mass transfer of a rolling wheel, Heat Mass Transfer, 50(2): 151–159,2014.

[2] M. Wang, Y. H. Zhang, J. Bai, L. B. Wang, Experimental study of convective heat transfer on the surface of rail when train passes over it, Journal of Rail and Rapid Transit, DOI:10.1177/0954409713504567, 2013.

[3] W. H. Zhou, L. C. Wang,  L. B. Wang, A method to measure the dynamic characteristics of micro humidity sensors, IEEE Transactions on Instrumentation & Measurement, DOI:10.1109/TIM.2014.2320834, 2014.

[4] T. P. Wang, L. B. Wang, Optimization of low-emissivity film’s number and position for a double hollow glazing by a transparent heat transfer model, Building and Environment, 81:72–83, 2014.

[5] 金星, 张永恒, 王良璧,王秋旺,高速列车制动盘表面对流传热特性的实验研究,科学通报,60: 1–8, 2015.

       Wang L B, et al. Experimental study on the convective heat transfer characteristics of the brake disc surface of a high-speed train (in Chinese). Chin Sci Bull, 60: 1–8, 2015.

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[9] P. Guo, X. Wu, L. B. Wang, New solutions of elastic waves in an elastic rod under finite deformation,Journal of Applied Mathematics,Article ID 495125,2014.

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[24] P. Guo, L. B. Wang, M. Su, A finite volume method to simulate compressible strong rotated flow-fluid in vortex tube, ASCHT15, June 21, Busan, Korea, 2015.

[25] 金星,王良璧,高速列车制动盘表面对流换热系数的实验研究,工程热物理学会传热传质会议,西安,2014(11).

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[27]X. J. Ma, C. P. Zhao, L. B. Wang, Q. W. Wang, Characteristics of equivalent thermal conductivity of mid hollow metal with insulation materials, Heat Mass Transfer, accepted, 2015.

[28]Z. D. Duan, Y. P. Wu. Thermal stress analysis of wheel/rail sliding contact based on 3-D transient thermo-mechanical coupling model, Advances in Engineering Software, accepted, 2015.

[29]Z. D. Duan, Y. P. Wu. The influence of friction heat transmission on wheel/rail contact specialty, Applied Thermal Engineering, accepted, 2015.

[30]刘振,吴亚平. 不同对流换热系数下轮轨滑动摩擦热的分析. 兰州交通大学学报,2015.

[31]刘洋,任娟娟,吴亚平. 离缝对桥上纵连板式无砟道岔受力与限位性能的影响. 兰州交通大学学报,2015.

[32]刘洋,吴亚平,魏云鹏等.考虑变摩擦系数的轮轨系统滑动接触热弹塑性应力分析,中国铁道科学, 2015.

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