高速列車同向并行運(yùn)動(dòng)時(shí)線間距仿真研究

王 進(jìn)，高敦升，李 斌

（南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 高速列車系統(tǒng)集成國家工程實(shí)驗(yàn)室（南方），青島 266111）

線間距是指相鄰兩股道線路中心線之間的最短距離。線間距的大小直接影響到鐵路建設(shè)的成本，而高速列車（車速達(dá)250 km/h～300 km/h時(shí)）空氣阻力占總阻力的75%以上[1]。合理的線間距，既可以減少線路的建設(shè)成本，又使得列車保持合適的氣動(dòng)阻力，減少能耗。

目前復(fù)線上運(yùn)行的列車全部是相向而行，在區(qū)間影響線間距的主要因素是列車交會(huì)時(shí)產(chǎn)生的會(huì)車壓力波。但現(xiàn)有的復(fù)線運(yùn)行模式，無法滿足春運(yùn)等客流量高峰期間的需求量。在單方向運(yùn)輸需求大的情況下，將現(xiàn)有的鐵路線路，由單車道增加到兩車道會(huì)解決春運(yùn)等高峰期一票難求的現(xiàn)象，同時(shí)也能滿足未來鐵路運(yùn)輸越來越大的需求量，而且由于在某些特殊情況下，也有可能出現(xiàn)兩車并行運(yùn)行的狀況。故需要考慮兩列高速列車同向并行運(yùn)動(dòng)時(shí)線間距對車體氣動(dòng)阻力的影響。現(xiàn)今國內(nèi)外在高速列車交會(huì)時(shí)對線間距距離的計(jì)算已經(jīng)有很多[2～6]，但還沒有關(guān)于高速列車同向并行運(yùn)行時(shí)對線間距的仿真計(jì)算。本文將采用數(shù)值模擬計(jì)算的方法，對速度在100 km/h～400 km/h區(qū)間內(nèi)，不同線間距對兩列高速列車同向并行運(yùn)行時(shí)氣動(dòng)阻力的影響進(jìn)行仿真計(jì)算，并得出結(jié)論。

1 列車計(jì)算幾何模型

本文以國內(nèi)某新型動(dòng)車組外型為參考，采用1∶1實(shí)車比例模型，考慮到計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，編組方式為3節(jié)聯(lián)掛，即：頭車+中間車+尾車。其基本形狀如圖1。

圖1 全車模型

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 計(jì)算域場和網(wǎng)格劃分

考慮空氣繞流和流場的充分發(fā)展，此次計(jì)算兩列列車同向運(yùn)行，中間位置是中截面幾何對稱，因此采用對稱計(jì)算域如圖2。列車前方長度約為150 000mm，后方約為250 000mm，上方約為40 000mm，外側(cè)為15 000mm，內(nèi)側(cè)分別為1 500mm、2 000mm、2 500mm和 3 000mm。

圖2 計(jì)算域示意圖

全域場網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，車體和制動(dòng)風(fēng)翼表面為三角形網(wǎng)格，為更好地模擬附面層效應(yīng)，在緊靠車體和風(fēng)翼表面空間上采用多層三棱柱五面體網(wǎng)格，在空間其他位置采用四面體網(wǎng)格，如圖3。在保證計(jì)算精度的前提下，節(jié)省了網(wǎng)格數(shù)目并提高了計(jì)算速度。本次計(jì)算所有網(wǎng)格數(shù)目控制在2 000 000左右。

圖3 網(wǎng)格劃分

2.2 控制方程與湍流模型

在運(yùn)行速度小于300 km/h時(shí)，采用的是不可壓縮流計(jì)算方式，大于300 km/h時(shí)，按照可壓縮流計(jì)算。湍流模型選用帶旋流修正的k-e（Realizable k-e）兩方程模型，此模型對于旋轉(zhuǎn)流動(dòng)、強(qiáng)逆壓梯度的邊界層流動(dòng)、流動(dòng)分離和二次流都有著很好的表現(xiàn)。具體公式如下：

Gk、Gb分別是由層流速度梯度和浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，YM是在可壓縮湍流中，過渡擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng)，C1，C2，C3是常量，σk和σε是k方程和e方程的湍流Prandtl數(shù)，Sk和Sε是自定義的值。

在本文中，重要常數(shù)的取值為C1ε=1.44，C2=1.9，σk=1.0，σε=1.2。

3 計(jì)算結(jié)果分析

本文計(jì)算的線間距分別為3 m、4 m、5 m、6 m，車速為100 km/h、200 km/h、250 km/h、300 km/h、350 km/h、400 km/h。由圖4可以看出，雙車同向運(yùn)行且線間距相同時(shí)，隨運(yùn)行速度的增大，氣動(dòng)阻力大幅增加。當(dāng)運(yùn)行速度相同時(shí)，隨著線間距的增大，車體氣動(dòng)阻力不同程度的減小。

圖4 不同線間距下車體氣動(dòng)阻力比較

車體的氣動(dòng)阻力主要由粘性阻力和壓差阻力組成。由圖5可以看出，氣動(dòng)粘性阻力隨運(yùn)行速度的增加而增大，但相同速度不同線間距下，車身氣動(dòng)粘性阻力幾乎相等。這也說明了線間距變化對車身的氣動(dòng)粘性阻力影響很小。

圖5 不同線間距下車體氣動(dòng)粘性阻力比較

由圖6可以看出，相同線間距下，氣動(dòng)壓差阻力隨著運(yùn)行速度增加而增大，而當(dāng)速度相同時(shí)，隨線間距減小，氣動(dòng)壓差阻力同步減少，并且速度在100 km/h～250 km/h之間時(shí)，線間距每減少1 m，壓差阻力的變化值比速度大于300 km/h時(shí)的壓差阻力變化值要大。這也說明了當(dāng)速度在100 km/h～250 km/h之間時(shí)，線間距的變化對車體壓差阻力影響較大，而當(dāng)速度大于300 km/h時(shí)，線間距對車體壓差阻力的影響較小。

圖6 不同線間距下車體氣動(dòng)壓差阻力比較

壓差阻力主要是由氣流在車尾區(qū)域產(chǎn)生氣體分離現(xiàn)象導(dǎo)致的，由圖7可以看出，速度為200 km/h時(shí)，線間距為3 m和6 m時(shí)，車體尾部氣體分離程度加深，導(dǎo)致車體頭尾部壓力分布變化明顯，這也導(dǎo)致3 m時(shí)的壓差阻力大于6 m的情況。而從圖8可以看出，當(dāng)速度為400 km/h，線間距3 m和6 m時(shí)的車體頭尾部壓力分布基本一致，這也說明了線間距的變化對400 km/h時(shí)的車體上壓力分布影響很小。

圖7 200km/h車體周圍壓力云圖

4 結(jié)束語

本文仿真計(jì)算了在不同線間距、運(yùn)行速度下3節(jié)編組形式的新型動(dòng)車組的氣動(dòng)阻力。通過比較分析發(fā)現(xiàn)，氣動(dòng)壓差阻力對總氣動(dòng)阻力的變化值起主要影響作用，而氣動(dòng)粘性阻力影響很小。當(dāng)列車同向并行運(yùn)動(dòng)速度超過300 km/h時(shí)，可以不考慮6 m以下線間距變化對氣動(dòng)阻力的影響，而當(dāng)速度低于300 km/h時(shí)，在6 m以下線間距，列車受到的氣動(dòng)阻力隨線間距增大而明顯減小。未來需要更進(jìn)一步研究氣動(dòng)阻力、能耗和建設(shè)成本等綜合因素，找到解決問題最優(yōu)的方式。

圖8 400km/h車體周圍壓力云圖

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