列車交會時周圍的流場特性分析與模擬

趙慶賢 葛秀坤 邵 輝 丁香香

（常州大學環境與安全工程學院，213164，常州∥第一作者，講師）

從1997年4月1日到2007年4月18日，中國鐵路已經完成6次全面大提速，為人們的生活出行帶來極大方便。然而，列車的提速也帶來了很多的安全問題［1］，如：列車高速經過時會產生強烈的列車風，威脅著沿線周邊建筑及人身的安全；列車提速使其受到的阻力及力矩發生很大變化，其脫軌、傾覆的可能性不斷增大。為了保障列車安全高速地運行，必須了解列車行駛時其周圍流場的特性。目前，國內外學者針對高速列車的側風效應引起的安全性問題［2－3］、進入隧道時的力場變化規律［4－5］、抗傾覆問題、列車交會以及本身的結構本質安全化問題等重大問題進行了較多的研究［6－8］。本文作者利用數值計算方法對列車交會時其周圍流場變化及其誘發的安全隱患進行了分析研究。

1 列車周圍流場的仿真計算

1.1 選擇控制方程

列車在快速運行時，其周圍會形成復雜的高雷諾數三維湍流繞流場，本文采用連續性方程、流體運動方程和標準k－ε兩方程模型（非直接數值模擬方法）作為控制方程對其進行求解。

連續性方程：

式中：

ρ——密度；

t——時間；

ui——x，y，z三個方向上的速度分量；

μ——動力黏度；

fi——三個方向上的質量力；

σij——x，y，z三個方向上的法向應力（下標i，j可取x，y，z以表示不同空間坐標）；

Gb——不可壓縮流體（Gb＝0）。

根據Launder等的推薦值以及試驗驗證，模型常數 C1ε＝1.44，C2ε＝1.92，C3ε＝0.09，σk＝1.0，σε＝1.3。

用有限體積法離散控制方程，擴散項用二階中心差分格式離散，對流項用一階迎風格式離散。用分離式解法對離散后的控制方程組求解，使用SIMPLE（壓力耦合方程的半隱方法）耦合壓力一速度場，對壓力采用迭代法修正。

1.2 建立幾何模型

考慮到CRH（China Railway High－speed）系列高速動車組列車的款型、列車中間部分形體的一致性和周圍流場的相似性，在不影響研究內容的前提下，采用CRH2C型動車組1∶1模型，如圖1（a）所示，選取中間2節和首尾2節共4節車廂進行模擬。其主要技術參數為：最高運營速度250～300 km／h；適應軌距1 435mm；編組重量345t；編組長度204.9m；首節車輛長度25 700mm；中間車輛長度25 000mm；車輛寬度3 380mm；車輛高度3 700 mm；轉向架軸重≤14t，輪徑860／790mm，固定軸距2 500mm；緊急制動距離≤1 800m（制動初速度200km／h）；雙線最小線間距5m。

動車組列車繞流流域是一個復雜的外部湍流繞流問題，流域邊界應該遠離列車無窮遠。但考慮到仿真計算的要求，并根據以上技術參數和一般的建模原則，單列車時計算域的幾何尺寸取為1 100m×30m×30m，兩列車時取為1100m×35m×30 m，列車模型前端流場區域的縱向長度約為4倍列車模型長度，尾流區域的縱向長度約為6倍的列車模型長度，計算域高度取4倍的車高。采用六面體網格，在列車近壁面區域生成邊界層網格，加密尾流、列車表面等流場變化較大區域的網格［9，10］。網格模型如圖1所示。

圖1 CRH2型動車組列車及其網格模型

1.3 模擬計算

根據2007年中國鐵路第6次大面積提速后動車組列車的運營情況，分別選取列車速度為200、230、260、300、330、350、360、400、430、460km／h，使用FLUENT軟件進行模擬計算。列車繞流流動按三維、粘性流動考慮。入口邊界為速度進口；出口為壓力出口邊界；由于在列車表面存在附面層效應的影響，故列車表面設定為有摩擦的墻邊界；計算區域的外圍邊界設定為無摩擦的墻邊界。

在模擬計算的過程中，通過設置參考值采用阻力系數、升力系數和力矩系數（一個無量綱數）來監測解的收斂性。因為常規的殘差收斂只是數值上的收斂，還不能完全代表物理上的穩定值；另外，殘差是否收斂與設置的殘差收斂標準直接相關，因此，只是根據殘差收斂來判斷結果的穩定性是不可靠的。在經過一定次數的初步迭代，初始狀態計算值比較大的波動已經趨于和緩，設置力監視器來監視車體的受力情況，如果力的監測結果（曲線）還沒有達到穩定狀態，即使是殘差收斂也不滿足要求，還需要重新修改殘差收斂標準繼續計算，直到受力達到穩定狀態時，才可以認為計算收斂。由于阻力、升力和力矩系數是全局變量，即使從這一次迭代計算到下一次迭代計算中某些點上的值還有變化，他們也會收斂。

2 計算結果分析

2.1 列車同向交會時的情況

兩列列車在最小線間距處同向相遇時，列車阻力和升力相比單車時都有一定程度的增加，但變化不是很大；此時變化最明顯的是側向力和沿x方向（行駛方向）的轉矩。為分析方便，在車身部位距離車底面1m處垂直于車身方向取一條參考線，通過其上的壓力分布可以了解列車周圍流域內壓力的變化規律。通過仿真計算，得出參考線上的壓力分布，其分布圖如圖2所示（只選取部分模擬結果）。

圖2 兩車同向交會時列車兩側壓力變化規律

從圖2可以看出，列車運行時其周圍會形成一個低壓帶。并且隨著列車速度的增加，兩側的壓力差（壓力梯度）增大，具體如圖3所示。若不設置安全防護設施，列車高速行駛帶來的負壓列車風會將兩側小型物體和行人吸入車道，造成意外事故。另外，隨著列車速度的不斷增加，壓力差增大，這種危險性會越大，對周圍造成的影響會越嚴重，所以，沿線的安全防護顯得越發重要，其防護距離也應當隨著車速的增加而有所增大，具體可根據風洞試驗或模擬計算等確定。

圖3 列車兩側壓力梯度隨列車運行速度的變化規律

另外，從圖2可以看出，兩列列車相遇時其內側壓力相比外側來講比較低，內外兩側會形成較大的壓力差，此時列車所受的側向力主要就是由其形成。并且，列車兩側壓力差值隨著列車運行速度的加快而增大，其變化規律如圖3所示。這種壓力差會對列車形成一個傾覆力矩，與單列列車相同速度行駛時的轉矩值相比可以看出，兩列列車相遇時列車傾覆力矩增加，具體如圖4所示。同時會使得列車內外兩側的壁面切應力沿x方向（行駛方向）的分量值不同，這從車身的切向力分布的分散性可以看出，具體如圖5（a）所示，與單列列車時（圖5（b））有明顯的區別，列車車身內外側切向力明顯不同。

圖4 兩列列車同向相遇時車體所受力矩

根據邊界層理論，逆向壓力梯度越大，邊界層分離得就越嚴重，分離點就是壁面切應力消失的點。圖5表示時速350km時列車壁面切應力沿x方向（行駛方向）的分量分布，其值是否為負值反映了列車表面是否有逆向流動產生。從圖5中可以看出，車尾存在一定的負值，表明存在氣流旋渦，正是這種逆流（順時針旋渦）的存在使得x方向的切應力分量為負。由圖6可知，隨著列車速度的增加，列車表面所受壁面切應力在x方向分量逐漸增大，頭部切向力為正值，尾部切向力有負值，車身部分為正值，各部分的數值都隨著車速的增加而增大。當然，其值并不大，說明該型動車的流線型設計還是比較好的，列車行駛時由邊界層分離或旋渦脫落等造成的安全隱患較小。

圖5 時速350km時列車表面切向力沿x方向（行駛方向）分量

圖6 列車表面的切向力隨車速的變化（時速350km）

2.2 列車反向交會時的情況

圖7是時速250km的兩列列車反向相遇時的模擬情況，圖7（a）為列車相遇過程中不同時刻兩列列車的相對位置；圖7（b）為不同時刻兩列列車在3個方向上所受的力。

從阻力上看，隨著兩列車的靠近，兩車的阻力逐漸增大，當兩車頭相遇時由于車頭的阻力突然增加使得列車的阻力達到第一個極值點，之后阻力減小，當兩車的車尾離開時由于車尾的突然負壓導致列車阻力到達第二個極值點。由于兩車對開，所以其阻力正好一個正一個負，具有對稱性，如圖7（b）所示。

從升力上看，在相遇過程中先有增加后又減小，當兩車并列瞬間升力值最大。

圖7 不同時刻兩列列車的相對位置和對應的受力特征

從側向力看，隨著兩列列車的靠近，兩列列車之間的橫向力不斷增大，直到兩列列車相遇（即t＝t0＋0.7s時）達到第一個極值點；之后兩列列車橫向力值減小，直到兩列列車并列，此時力最小；接著又開始反向增大，直到兩列列車開始離開，達到第二個極值點，全部分開后其值開始不斷減少。可以看出，列車從開始交會到完全離開的整個過程中其側向力不僅大小發生變化，而且還有一次方向的轉換，所以，在相遇的過程中列車受力情況比較復雜，這就給列車的安全運行提出了更高的要求。

另外，對不同時速條件下的情況進行了模擬，其結果顯示：隨著列車時速的增加，列車所受的阻力、升力和側向力都不斷增大，在列車提速中應給予考慮。

3 結語

隨著列車的全面大提速、出行人員的增加以及人們對旅行速度的要求，兩列列車在最小線間距處交會時，不宜再通過停車讓車的方式解決問題，因此，分析清楚交會時列車的受力特點對列車運行安全非常重要。經過對兩列列車交會時各種情況的模擬分析，得出如下結論：①兩列列車同向相遇時其內側壓力較低，內外兩側會形成較大的壓力差，使得列車的側向力矩增加；②在兩列列車反向相遇過程中，車頭相遇和車尾離開時，兩列列車的阻力達到兩個極大值點。在相遇過程中升力先增加后減小，兩列列車并列瞬間升力值最大。從開始交會到完全離開的整個過程中側向力不僅大小發生變化，而且還有一次方向的轉換。總之，兩列列車交會過程中，列車周圍的流場特性比較復雜，存在的安全隱患也較多，在列車提速過程中應給予足夠重視，制定相關的安全技術和管理措施。

［1］ 陳菁菁.城市軌道交通重大運營事故和災害分析［J］.城市軌道交通研究，2010（5）：41.

［2］ Khier W，Breuer M，Durst F.Flow structure around trains under side wind conditions：a numerical study［J］.Computers＆ Fluids，2000（29）：179.

［3］ 郗艷紅，毛軍，張念.強風中高速列車安全性研究［J］.中國安全科學學報，2010，20（5）：39.

［4］ Chang－Hoon Shin，Warn－Gyu Park.Numerical study of flow characteristics of the high speed train entering into a tunnel［J］.Mechanics Research Communications，2003（30）：287.

［5］ Mok J K，Yoo J.Numerical study on high speed train and tunnel hood interaction［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2001（89）：17.

［6］ 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.

［7］ 畢海權，雷波，張衛華.TR磁浮列車湍流外流場數值計算［J］.西南交通大學學報，2005，40（1）：5.

［8］ 舒信偉，谷傳綱，梁習鋒，等.具有流線型頭部的高速磁浮列車氣動性能數值模擬［J］.上海交通大學學報，2006，40（6）：1034.