強側(cè)風作用下客車車體氣動外形優(yōu)化

張潔，梁習鋒，劉堂紅，逯林鋒

(中南大學 交通運輸工程學院，軌道交通安全教育部重點實驗室，湖南 長沙，410075)

在強側(cè)風作用下，列車受到了較大的氣動橫向力和升力，有可能導致列車脫軌傾覆，直接影響著列車的安全[1-4]。對于一些特殊的風環(huán)境如特大橋梁、高架橋、路堤等路段，列車的繞流流場改變更加突出，氣動力增大，導致列車脫軌、翻車的可能性大大增加[5-7]。在我國，亞歐大陸橋重要通道的蘭新線(甘肅蘭州—新疆烏魯木齊)穿越新疆大風戈壁地區(qū)，自然條件十分惡劣，其150 km風區(qū)瞬時最大風速達64 m/s，約為12級風的 2倍[8]。自通車以來，屢次發(fā)生列車被吹翻的重大事故[9]。在大風季節(jié)，由于風力過大，迫使客車經(jīng)常停開，大批旅客被滯留，給旅客出行帶來極大不便，嚴重制約了西部經(jīng)濟的發(fā)展。為加強客車在強側(cè)風下作用下的運行安全穩(wěn)定性，優(yōu)化客車車體氣動外形是很有必要的[10-14]。在此，本文作者主要研究不同截面車體在不同風速、風向和車速下的氣動性能，從而得到氣動外形較好的截面形狀車體。

1 數(shù)值計算理論基礎

采用穩(wěn)態(tài)、三維不可壓N-S方程和工程上常用的k-ε雙方程湍流模型，基于控制方程[15](質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、湍流動能方程和湍流耗散率方程)，運用大型流體數(shù)值計算軟件Fluent對強側(cè)風作用下客車車體的氣動性能進行模擬分析。

2 數(shù)值計算模型

2.1 模型的簡化與假設

(1) 客車是近地運行的龐大細長物體，為了在相同條件下比較不同橫斷面車體氣動性能，排除不同車頭形狀對車體的影響，客車車體長度取足夠長。

(2) 在自然環(huán)境下，客車所受到的強側(cè)風是隨時間和空間變化的，但研究客車的橫向穩(wěn)定性時，通常只關(guān)注客車受到的最大橫向力和傾覆力矩，因此，計算時，在速度入口加入均勻來流，其值為最大橫風風速[10-11]。

(3) 簡化車體表面結(jié)構(gòu)。車燈、把手、受電弓等突出物細部結(jié)構(gòu)以及轉(zhuǎn)向架，這些結(jié)構(gòu)所占空間相對于車體總體積來說較小。在考慮車體氣動性能時，可以忽略細部結(jié)構(gòu)的影響，同時將轉(zhuǎn)向架與車體合并為一體。

(4) 空氣為不可壓縮流體。強側(cè)風速度一般不會大于65 m/s，馬赫數(shù)小于0.3，因此，空氣可視為不可壓縮流動。

2.2 幾何模型

為了分析不同截面形狀車體的氣動性能，設計了多種截面進行比較。這里選用3種典型截面車體進行分析，其車體橫截面形狀如圖1所示。

2.3 計算區(qū)域

為排除頭尾車形狀對車體的影響，計算時假設車體足夠長。取中間1節(jié)車體進行研究，長度為25 m，計算區(qū)域如圖2所示。

2.4 計算網(wǎng)格

對中間車體進行重點模擬分析。針對車體近壁層采用附面層網(wǎng)格進行網(wǎng)格細化，對遠離研究車體的網(wǎng)格進行稀疏網(wǎng)格劃分，密網(wǎng)格和稀疏網(wǎng)格之間以一定的增長因子均勻過渡，這樣，既保證了計算精度，又減少了網(wǎng)格總數(shù)，加快了計算的收斂速度。車體表面單元為四邊形網(wǎng)格，體單元為結(jié)構(gòu)六面體網(wǎng)格。計算模型總網(wǎng)格數(shù)約為212萬，車體表面網(wǎng)格如圖3所示。

2.5 邊界條件

圖2中，面ABFE為速度入口邊界，給定來流速度；面CDHG為壓力出口邊界；面AEHD和BFGC為對稱邊界；底面ABCD給定與車速相反的滑移邊界；車體表面、域的頂面(EFGH)按光滑壁面處理，給定無滑移邊界。

圖1 3種橫斷面形狀圖Fig.1 Three cross-sections

圖2 計算區(qū)域Fig.2 Calculation zone

圖3 車體表面網(wǎng)格Fig.3 Mesh of car surface

3 數(shù)值模擬計算結(jié)果與分析

3.1 列車氣動性能參數(shù)定義

在強側(cè)風作用下，列車的橫向力、升力、傾覆力矩是評價列車氣動性能的重要因素。為了分析方便，引入列車空氣橫向力系數(shù)Cy、升力系數(shù)Cz和傾覆力矩系數(shù)mx等無量綱參數(shù)[11]，其表達式為：

式中：q表示動壓，vt為列車運行速度；vw為橫風風速；Fy為橫向力；Sy為參考面積，這里取客車側(cè)向投影面積。

對應升力系數(shù)為升力，Sz為客車水平投影面積)；傾覆力矩系數(shù)(ly為風壓中心參考高度，這里取2 m)。

3.2 不同橫風風速下車體氣動性能分析

對于不同橫風風速下車體的氣動性能分析，選取風向角為90°，風速分別為20.7，24.4，28.4，32.6，40.0和50.0 m/s共6種工況進行分析，列車處于靜止狀態(tài)。表1所示為3種不同橫斷面車體在不同橫風風速下部分工況的橫向力、升力、傾覆力矩以及其系數(shù)計算結(jié)果；圖4和圖5所示分別為3種不同截面車體的傾覆力矩與傾覆力矩系數(shù)隨橫風風速的變化曲線。分析表1可知：

(1) 在不同風速橫風下，截面 1的橫向力最大，截面3的最小，截面2的橫向力介于二者的橫向力之間；截面2的升力最大，截面1與截面3的升力接近；截面2的傾覆力矩最大，截面3的最小。綜合對以上3種不同橫斷面車體的分析，在相同風向角、不同風速工況下，截面3的氣動性能較好。

表1 不同橫風風速下3種橫斷面車體橫向力、升力、傾覆力矩及其系數(shù)Table 1 Calculation results of aerodynamic forces and coefficients under different wind speeds

圖4 傾覆力矩隨橫風風速變化曲線Fig.4 Variation of overturning moment acting on car with wind speed

圖5 傾覆力矩系數(shù)隨橫風風速變化曲線Fig.5 Variation of overturning moment coefficient acting on car with wind speed

(2) 在不同橫風風速下，截面 1的橫向力系數(shù)比截面2和截面3的大，截面3的橫向力系數(shù)最小；截面2的升力系數(shù)最大，截面1和截面3的升力系數(shù)較接近；截面1和截面2的傾覆力矩系數(shù)較接近，截面3的最小。

(3) 在不同橫風風速下，3種橫斷面車體的橫向力、升力、傾覆力矩均隨著橫風風速的增大而增大。而隨著橫風風速的變化，3種橫斷面車體的橫向力系數(shù)、升力系數(shù)、傾覆力矩系數(shù)基本不變。

圖6 橫剖面壓力分布Fig.6 Pressure distribution of cross-section

圖7 橫剖面速度矢量分布Fig.7 Vector distribution of cross-section

圖8 橫剖面流線圖Fig.8 Stream trace of cross-section

圖6～8所示分別為截面3在橫風風速為32.6 m/s時橫剖面的壓力分布、速度矢量圖和流線圖。從圖6～8可知：在車體的迎風面產(chǎn)生了正壓，背風側(cè)產(chǎn)生了負壓。車體的頂部和底部均為負壓，同時在車體頂面與迎風面過渡處及底面的中間位置處分別形成了一個強負壓區(qū)。車體頂面拐點處，流速明顯加大。在車輛的背風側(cè)有旋渦產(chǎn)生，因此，車輛受到較大的橫向力。

3.3 不同風向角下車體氣動性能分析

表2所示為3種橫斷面車體在風速為32.6 m/s、列車處于靜止、不同風向角(橫風風向與客車行駛反方向之間的夾角)下部分工況的橫向力、升力、傾覆力矩及其系數(shù)計算結(jié)果；圖9和圖10所示為3種橫斷面車體在風速為32.6 m/s、不同風向角下的傾覆力矩和傾覆力矩系數(shù)隨風向角的變化曲線。

表2 不同風向角下3種橫斷面車體橫向力、升力、傾覆力矩及其系數(shù)Table 2 Calculation results of aerodynamic forces and coefficients under different yaw angles

分析表2、圖9和圖10可見：

(1) 在不同風向角下，截面 1的橫向力最大，截面3的最小；截面2的升力最大，當風向角為15°，30°，45°和60°時，截面3的升力比截面1的略大，但當角度為75°和90°時，截面3的升力比截面1的小；截面2的傾覆力矩最大，截面3的最小。綜合以上不同橫斷面車體在不同風向角下的氣動性能分析，截面3氣動性能較好。

圖9 傾覆力矩隨風向角變化曲線Fig.9 Variation of overturning moment acting on car with yaw angle

圖10 傾覆力矩系數(shù)隨風向角變化曲線Fig.10 Variation of overturning moment coefficient acting on car with yaw angle

(2) 在不同風向角下，截面 1的橫向力系數(shù)比截面2和截面3的大，截面3的橫向力系數(shù)最小；截面2的升力系數(shù)最大，截面1和截面3的升力系數(shù)較接近；截面1和截面2的傾覆力矩系數(shù)較接近，均比截面3的大。

(3) 在不同風向角下，3種橫斷面車體的橫向力、升力、傾覆力矩及其系數(shù)均隨著風向角的增大而增大；當風向角增加到 75°后，橫向力、升力、傾覆力矩的增長率變小。

表3 不同車速下3種橫斷面車體橫向力、升力、傾覆力矩及其系數(shù)Table 3 Calculation results of aerodynamic forces and coefficients under different vehicle speeds

3.4 不同車速下車體氣動性能分析

表3所示為橫風風速為32.6 m/s時，3種不同橫斷面車體在不同車速下的橫向力、升力、傾覆力矩以及其系數(shù)計算結(jié)果；圖11和圖12所示為3種橫斷面車體在橫風風速為32.6 m/s、不同車速下的傾覆力矩和傾覆力矩系數(shù)隨車速的變化曲線。從表3、圖11和圖12可見：

(1) 在不同車速下，截面1的橫向力最大，截面3的最小；截面2的升力最大，截面1的最小，截面3的升力介于二者升力之間；截面2的傾覆力矩最大，截面3的最小。可見，不同車速下截面3的氣動性能最好。

圖11 傾覆力矩隨車速變化曲線Fig.11 Variation of overturning moment acting on car with vehicle speed

圖12 傾覆力矩系數(shù)隨車速變化曲線Fig.12 Variation of overturning moment coefficient acting on car with vehicle speed

(2) 在不同車速下，截面1的橫向力系數(shù)最大，截面3的最小；截面2的升力系數(shù)最大，截面3的次之，截面1的最小；截面1的傾覆力矩系數(shù)最大，截面3的最小。

(3) 在不同車速下，3種橫斷面車體的橫向力、升力、傾覆力矩隨車速的增大變化不大；而3種橫斷面車體的橫向力系數(shù)、升力系數(shù)、傾覆力矩系數(shù)隨車速的增大而減小。

4 結(jié)論

(1) 客車車體截面形狀與列車橫向穩(wěn)定性有直接的聯(lián)系，采用數(shù)值模擬方法對車體截面在不同風速、風向和車速下的氣動性能進行優(yōu)化研究，十分方便、快捷、有效，在很大程度上克服了實車試驗準備周期長、耗資大等缺點。

(2) 車體高度對列車的橫向力、橫向力系數(shù)、傾覆力矩以及傾覆力矩系數(shù)影響較大，車體越高，橫向穩(wěn)定性越差。

(3) 車體橫向穩(wěn)定性受橫風風速、風向影響，隨著風速、風向角的增大，列車橫向穩(wěn)定性逐漸降低。

(4) 在不同車速下，3種橫截面車體的氣動力隨車速變化不大，但氣動力系數(shù)隨車速增加而減小。

(5) 在強側(cè)風作用下，截面3的氣動性能比截面1和截面2的好。

[1]高廣軍,田紅旗,姚松,等. 蘭新線強橫風對車輛傾覆穩(wěn)定性計算[J]. 鐵道學報,2004,26(4): 36-40.GAO Guang-jun,TIAN Hong-qi,YAO Song,et al. Effect of strong cross-wind on the stability of trains running on the Lanzhou—Xinjiang railway[J]. Journal of the China Railway Society,2004,26(4): 36-40.

[2]白虎志,李棟梁,董安祥,等. 青藏鐵路沿線的大風特征及風壓研究[J]. 冰川凍土,2005,27(1): 111-116.BAI Hu-zhi,LI Dong-liang,DONG An-xiang,et al. Strong wind and wind pressure along the Qinghai—Tibet railway[J]. Journal of Glaciology and Geocryology,2005,27(1): 111-116.

[3]陸冠東. 列車在強側(cè)向風力作用下的傾覆力矩[J]. 鐵道車輛,2008,46(9): 9-10.LU Guan-dong. Overturning moment of the train under strong cross wind[J]. Railway Car,2008,46(9): 9-10.

[4]任尊松,徐宇工,王璐雷,等. 強側(cè)風對高速列車運行安全性影響研究[J]. 鐵道學報,2006,28(6): 46-50.REN Zun-song,XU Yu-gong,WANG Lu-lei,et al. Study on the running safety of high-speed trains under strong cross winds[J].Journal of the China Railway Society,2006,28(6): 46-50.

[5]高廣軍,苗秀娟. 強橫風下青藏線客車在不同高度橋梁上的氣動性能分析[J]. 中南大學學報: 自然科學版,2010,41(1):376-380.GAO Guang-jun,MIAO Xiu-juan. Aerodynamic performance of passenger train on different height of bridge of Qinghai-Tibet railway line under strong cross wind[J]. Journal of Central South University: Science and Technology,2010,41(1): 376-380.

[6]Suzuki M,Tanemoto K,Tatsuo M. Aerodynamics characteristics of train/vehicles under cross winds[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,2003,91(1):209-218.

[7]Raghu S,Kim S D,Setoguchi T. Aerodynamics of high-speed railway train[J]. Progress in Aerospace Sciences,2002,38:469-514.

[8]田紅旗. 中國列車空氣動力學研究進展[J]. 交通運輸工程學報,2006,6(1): 1-9.TIAN Hong-qi. Study evolvement of train aerodynamics in China[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering,2006,6(1): 1-9.

[9]熊小慧,梁習鋒,高廣軍,等. 蘭州—新疆線強側(cè)風作用下車輛的氣動特性[J]. 中南大學學報: 自然科學版,2006,37(6):1183-1188.XIONG Xiao-hui,LIANG Xi-feng,GAO Guang-jun,et al. Train aerodynamic characteristics in strong cross-wind on Lanzhou—Xinjiang rail way line[J]. Journal of Central South University:Science and Technology,2006,37(6): 1183-1188.

[10]李紅霞,楊弘,李德才. 高速列車車體斷面優(yōu)化數(shù)值分析[J].鐵道車輛,2007,45(2): 8-10.LI Hong-xia,YANG Hong,LI De-cai. Analysis of optimized values of the cross-section of the car bodies of high speed trains[J]. Railway Car,2007,45(2): 8-10.

[11]梁習鋒,熊小慧,易仕和. 強側(cè)風作用下棚車氣動外形優(yōu)化[J]. 國防科技大學學報,2006,28(2): 26-30.LIANG Xi-feng,XIONG Xiao-hui,YI Shi-he. Optimization research on aerodynamic figure of the box car under crosswinds[J]. Journal of National University of Defense Technology,2006,28(2): 26-30.

[12]楊明智,袁先旭,魯寨軍,等. 強側(cè)風下青藏線列車氣動性能風洞試驗研究[J]. 實驗流體力學,2008,22(1): 76-79.YANG Ming-zhi,YUAN Xian-xu,LU Zhai-jun,et al.Experimental study on aerodynamic characteristics of train running on Qinghai-Tibet railway under cross winds[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics,2008,22(1): 76-79.

[13]Tanemoto K,Suzuki M,Fuji H. Wind tunnel experiments on aerodynamic characteristics of vehicle crosswind[J]. Railway Research Review,2006,63(8): 28-31.

[14]祝志文,陳偉芳,陳政清. 橫風中雙層客車車輛的風載荷研究[J]. 國防科技大學學報,2001,23(5): 118-121.ZHU Zhi-wen,CHEN Wen-fang,CHEN Zheng-qing. A survey on wind loads for double-dect vehicle in cross-wind[J]. Journal of National University of Defense Technology,2001,23(5):118-121.

[15]王福軍. 計算流體力學分析[M]. 北京: 清華大學出版社,2004: 7-12.WANG Fu-jun. Computational fluid dynamics analysis[M].Beijing: Tsinghua University Press,2004: 7-12.