随着高速铁路的快速发展,高速列车运行速度得到显著提升,随之而来的列车空气动力学问题也越来越显著。横风下高速列车气动特性及运行安全性问题是其中一个重要方面。迄今为止,中国高速铁路里程突破2.2万公里,其运行线路均建立在复杂的地形地貌上,高速列车运行环境对列车气动性能及安全性影响突出。本文针对高速列车复杂的运行环境,结合计算流体力学及多体系统动力学理论,对横风下高速列车在不同轨道基础形式及不同运行环境下的气动特性和安全性进行研究,主要包含以下几个方面:(1)建立高速列车空气动力学模型,基于三维、定常、不可压缩Navier-Stokes方程,开展列车空气动力学数值仿真方法验证;对比了不同两方程湍流模型(k-?和k-ω)对列车气动力的影响;同时研究了列车不同缩比尺寸模型对计算结果的影响。研究结果表明:SST k-ω模型得到的数值模拟结果最接近实验值,缩比模型尺寸对计算结果影响较小。(2)研究了在风速20m/s下列车以速度250km/h通过不同轨道基础形式的气动性能及运行安全性。轨道基础形式包括平地、路堤(2.5m、5m、7.5m、10m)、桥梁(10m、15m、20m、25m)。研究结果表明:随路堤高度增大,列车气动载荷与安全性变化剧烈;随桥梁高度增大,列车气动载荷与安全性变化缓慢。(3)建立列车通过不同地貌(丘陵、沙漠及山地)的空气动力学模型;研究了不同地貌下的列车气动性能及安全性。研究结果表明:地貌对列车气动性能差异较大,主要由不同地貌大幅改变列车周围风场造成。当横风风速为20m/s时,列车以250km/h运行速度通过上述地貌的动力学指标均在规范允许范围内。(4)建立列车通过峡谷的空气动力学模型,研究了不同风速(15m/s、20m/s、25m/s)下列车通过峡谷的气动性能及安全性。研究结果表明:列车在横风下通过峡谷时与无风环境下通过峡谷列车表面压力及气动载荷规律发生较大改变,受横风影响下,列车通过峡谷时气动载荷急剧增大。风速为25m/s时,列车以250km/h运行通过峡谷的安全性指标超出限定值。