火车侧壁风速、风压.doc

1参考系选择：让火车固定不动，气流以70m/s的速度吹过火车。坐标系定义：x：距离火车头部的流向距离y：距离火车壁面的法向距离2将火车侧壁看成平板，问题化简为求平板扰流边界层的边界层厚度和边界层内各法向高度上的流向速度U。平板层流边界层厚度的理论公式：其中 x为距离火车头部的距离；=1E-5；U=250km/h=70m/s；经计算在各个流向位置的边界层厚度用下表表示。其中x为流向位置，为对应的边界层厚度，Rex为当地雷诺数。x(m)(m)Rex10.002027.00E+0620.002851.40E+0730.003502.10E+07可知，在距离头部3米以内的距离，层流边界层的厚度很小，不超过4mm.。因此层流边界层的情况可以在工程实际中忽略不计。3在距离头部3米以后，当地雷诺数超过2E+07后，边界层发生转捩，演化为湍流边界层，湍流边界层相比于层流边界层而言，其厚度迅速增加。平板湍流边界层厚度的理论公式：，其中，且=1E-5；U=70m/s；计算得到距离头部3米之后的湍流边界层厚度沿流向的变化，见下表。x(m)(m)x(m)(m)40.047954582540.384677860.066328949560.3960340680.083493777580.407309473100.099811852600.418507376120.115485408620.429630859140.130642519640.440682795160.145371109660.45166586180.159735013680.46258255200.173782529700.473435204220.187551379720.484226009240.201071774740.494957024260.214368414760.505630182280.227461836780.516247306300.240369367800.526810116320.253105801820.537320237340.265683907840.547779209360.27811481860.55818849380.290408279880.568549463400.302572957900.578863443420.314616538920.589131681440.326545917940.599355367460.338367296960.609535638480.350086292980.619673575500.3617080041000.629770214520.3732370871020.639826544湍流边界层中某一流向位置x上，边界层内速度u(y)沿法向的分布可以用下列公式表达：；例如，如果要求在距离火车头部x=100m位置上，离开火车壁面0.5m处的流向速度，则可以如下计算：，计算后得到，在x=100m，y=0.5m的位置上，u=67.7m/s根据上式和每个x位置对应的边界层厚度，即可求在边界层内部各y高度上的速度。而在边界层外部，流速均等于自由来流的速度，即70m/s。4边界层的压强：在边界层内压强计算可以使用伯努力方程：其中，为自由来流的压强，一般认为是标准大气压，即1E5pa，为空气密度，取值1.225Kg/m3，为所求高度处的速度，为所求高度处的压强，=67.7m/s，代入上式：例如如果要计算在x=100m，y=0.5m的位置上的压强，根据上述已经求出，则=100193.98pa。同理，可求出边界层内部某一位置上的压强。5参考系转换：现在令火车运动，气流固定，则在x=100m，y=0.5m的位置上由于火车运动带起的空气运动速度为：u空气= U-u=70m/s-67.7m/s=2.3m/su空气即为由火车运动引起的气流运动速度，在边界层内从火车壁面向外延伸，速度从70m/s迅速减少到零，在边界层外，可以忽略火车运动引起的气流速度。上述结果均基于附着流动的假设，即假设火车侧壁平直光滑，没有过多的凸起物。如果考虑到火车侧壁并不光滑，则流动不再附着与表面薄薄的一层边界层，可能会出现分离流动并卷起漩涡结构，那么估算在x=100m的位置上，火车引起的气流将在y=1.2m