路堤高度影響列車側(cè)風(fēng)運(yùn)行氣動(dòng)特性模擬

羅建斌，張 貝，胡愛(ài)軍，姜 峰

（1.廣西科技大學(xué)汽車與交通學(xué)院，廣西柳州545006；2.河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南洛陽(yáng)471023；3.河南理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，河南焦作454000）

0 引言

隨著現(xiàn)代列車速度的大幅提高，其空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題更加嚴(yán)重。在風(fēng)口區(qū)運(yùn)行的列車因遭受自然界大風(fēng)襲擊而使得列車運(yùn)行工況更加惡化［1］。2007年2月28日，國(guó)內(nèi)5807次列車在吐魯番三十里風(fēng)區(qū)遭遇13級(jí)超強(qiáng)大風(fēng)，列車脫軌，11節(jié)車廂被狂風(fēng)推翻。據(jù)2000年的統(tǒng)計(jì)，在過(guò)去的120年中日本出現(xiàn)的側(cè)風(fēng)翻車事故多達(dá)29起［2］。在路堤、高架橋、丘陵等特殊風(fēng)環(huán)境下，繞流列車所受的氣動(dòng)力和力矩明顯增大，列車側(cè)翻可能性大大增加［3－4］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)平地風(fēng)環(huán)境下的列車氣動(dòng)特性研究較多，但對(duì)于路堤環(huán)境下的列車氣動(dòng)特性研究較少。國(guó)內(nèi)西南交通大學(xué)譚深根等人對(duì)側(cè)風(fēng)作用下路堤上運(yùn)行的高速列車進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得到了風(fēng)速、車速與氣動(dòng)力之間的變化關(guān)系，但沒(méi)有去研究路堤結(jié)構(gòu)本身對(duì)列車氣動(dòng)特性影響［5］。相對(duì)于理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，計(jì)算流體力學(xué)方法具有多工況模擬、計(jì)算成本低、流場(chǎng)信息可詳細(xì)顯示等優(yōu)點(diǎn)。采用該方法對(duì)路堤高度變化影響列車側(cè)風(fēng)運(yùn)行氣動(dòng)特性開(kāi)展研究，其分析結(jié)果將對(duì)高鐵建設(shè)以及列車運(yùn)行具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 計(jì)算模型

在數(shù)值研究中，列車運(yùn)行速度、側(cè)風(fēng)速度、合成速度分別為55.56 m／s、20.00 m／s、59.05 m／s，且假設(shè)側(cè)風(fēng)方向垂直于車體縱向?qū)ΨQ面。流動(dòng)雷諾數(shù)（以車高作為特征長(zhǎng)度）Re＝1.458e＋7，馬赫數(shù)Ma＝0.163。因此，整個(gè)流動(dòng)系統(tǒng)被簡(jiǎn)化為不可壓、黏性、等熵、三維湍流定常流。在數(shù)值模擬中選用可實(shí)現(xiàn)k-ε湍流模型，控制方程包括動(dòng)量方程、連續(xù)性方程、湍動(dòng)耗散率ε方程和湍動(dòng)能k方程［6］。

為了節(jié)省計(jì)算成本，數(shù)值模擬時(shí)忽略受電弓、轉(zhuǎn)向架和風(fēng)擋等復(fù)雜結(jié)構(gòu)將列車計(jì)算模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。考慮到計(jì)算區(qū)域的局限性，僅考慮3節(jié)（頭車、中間車和尾車）連掛建立高速列車實(shí)體模型［7］。本文采用的路堤模型是參考相關(guān)文獻(xiàn)建立的［8］，單線路堤橫截面形狀及主要尺寸如圖1所示。在流動(dòng)計(jì)算時(shí)，固定路堤橫截面底部長(zhǎng)度為27.5 m，綜合考慮6種不同的路堤高度h，h分別為2.5 m、4.2 m、4.9 m、6.0 m、9.8 m、15.4 m。

計(jì)算區(qū)域采用長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，整個(gè)計(jì)算區(qū)域全部采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行離散。為了滿足湍流模型的壁面函數(shù)要求，列車車體、路堤以及地面均添加有第一層網(wǎng)格厚度為2 mm，增長(zhǎng)率為1.2的邊界層網(wǎng)格，車體表面y＋為30～200。設(shè)置兩個(gè)速度入口、兩個(gè)壓力出口面，并將底面和路堤表面設(shè)置為移動(dòng)壁面，而車體設(shè)為無(wú)滑移壁面，頂面設(shè)為對(duì)稱邊界。流場(chǎng)計(jì)算方法采用基于壓力的分離式求解法，其壓力速度耦合處理采用SIMPLEC算法［9－11］。

圖1 路堤橫截面（單位：mm）

2 計(jì)算結(jié)果分析

在計(jì)算分析時(shí)，以列車最大橫截面積作為參考面積，以列車最大高度作為特征長(zhǎng)度，以當(dāng)?shù)卮髿鈮鹤鳛閰⒖級(jí)毫Γ粤熊囘\(yùn)行速度作為當(dāng)?shù)貐⒖妓俣取?/p>

2.1 列車氣動(dòng)六分力系數(shù)

隨路堤高度增加，高速列車阻力系數(shù)、側(cè)向力系數(shù)和升力系數(shù)的變化如圖2所示。對(duì)于阻力系數(shù)曲線，隨著路堤高度增加，頭車和尾車上的阻力系數(shù)逐漸增加。從側(cè)向力系數(shù)變化曲線可以看出：隨著路堤高度增加，頭車側(cè)向力系數(shù)明顯增加。隨著路堤高度增加，路堤傾角隨之增加，氣流隨路堤斜坡的加速效應(yīng)越明顯，從而頭車受到的側(cè)向力顯著增加。從升力系數(shù)變化曲線上可以看出：作用在頭車上的升力隨路堤高度變化較小。作用在中間車上的負(fù)升力隨著路堤高度增加而增加。尾車的升力系數(shù)對(duì)路堤高度變化非常敏感，變化幅度較大。

圖2 不同路堤高度下列車氣動(dòng)力系數(shù)

列車側(cè)翻力矩系數(shù)、俯仰力矩系數(shù)和偏航力矩系數(shù)隨路堤高度變化如圖3所示。從氣動(dòng)力矩系數(shù)變化曲線可以得出：在整車中，頭車上受到的側(cè)翻力矩最大，其安全性最差，隨著路堤高度增加，頭車上受到的側(cè)翻力矩增加。尾車處于劇烈的尾渦區(qū)而受到逆橫向側(cè)風(fēng)方向的側(cè)翻力矩，且隨路堤高度增加而增加。相同路堤高度時(shí)，頭車受到的偏航力矩均比中間車和尾車的要大。

圖3 不同路堤高度下列車氣動(dòng)力矩系數(shù)

2.2 h＝4.9 m單獨(dú)分析

選取路堤高度h＝4.9 m路況的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行單獨(dú)分析。流場(chǎng)橫向截面x＝－31 m、x＝0 m、x＝31 m的壓力等值線如圖4所示，通過(guò)查看車體周圍的流場(chǎng)壓力分布，有助于分析車體所受側(cè)向力和升力變化的機(jī)理。在頭車、中間車和尾車迎風(fēng)側(cè)由于氣流的直接沖刷出現(xiàn)明顯的正壓區(qū)，而背風(fēng)側(cè)的負(fù)壓區(qū)則隨著氣流發(fā)展逐漸遠(yuǎn)離車體。因此，頭車、中間車和尾車所受到的側(cè)向力依次減小。流場(chǎng)橫向截面x＝－31m、x＝0 m、x＝31 m的流場(chǎng)流線如圖5所示。由圖5可以觀察車體迎、背風(fēng)側(cè)流場(chǎng)的漩渦分布情況。隨著流動(dòng)的發(fā)展，背風(fēng)側(cè)車體的漩渦逐漸遠(yuǎn)離車體，且尺度越來(lái)越大。

圖4 h＝4.9 m時(shí)橫向截面流場(chǎng)壓力分布

圖5 h＝4.9 m時(shí)橫向截面流場(chǎng)流線分布

圖6 流場(chǎng)測(cè)點(diǎn)分布

圖6表示過(guò)車體橫向?qū)ΨQ截面流場(chǎng)的監(jiān)控點(diǎn)，折線a1b1c1d1e1、a2b2c2d2e2距離壁面邊界線等距為1 m。通過(guò)分析流場(chǎng)監(jiān)控點(diǎn)的速度和靜壓變化，可以分析繞流路堤的加速效應(yīng)。沿折線a1b1c1d1e1、a2b2c2d2e2的流場(chǎng)測(cè)點(diǎn)速度和靜壓系數(shù)變化分別如圖7和圖8所示。從圖7中可以明顯地看出氣流繞流路堤斜坡后的加速效應(yīng)。對(duì)于車體迎風(fēng)側(cè)，處于平地的a1b1段流場(chǎng)速度變化緩慢，但在斜坡b1c1段流場(chǎng)速度變化劇烈，在c1d1段加速效果更加顯著，加速后的d1點(diǎn)速度是a1點(diǎn)速度的1.11倍，近列車車體的d1e1段流場(chǎng)速度開(kāi)始急劇下降。對(duì)于車體背風(fēng)側(cè)，由于車體與地面之間的夾縫效應(yīng)，近列車車體的e2d2段流場(chǎng)速度開(kāi)始急劇增加，隨著氣流遠(yuǎn)離車體，流場(chǎng)速度逐漸減小。從圖8中可以看出：車體迎風(fēng)側(cè)流場(chǎng)測(cè)點(diǎn)的靜壓變化正好與速度變化呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)。而車體背風(fēng)側(cè)處于漩渦區(qū)域的e2c2段流場(chǎng)測(cè)點(diǎn)呈現(xiàn)出明顯的負(fù)壓，且隨著流動(dòng)發(fā)展負(fù)壓絕對(duì)值先增加后減小，在b2a2段流場(chǎng)測(cè)點(diǎn)的靜壓又基本趨于穩(wěn)定。

2.3 h＝2.5 m、h＝4.2 m、h＝9.8 m比較分析

圖9和圖10分別為3種路堤高度h＝2.5 m、h＝4.2 m、h＝9.8 m下通過(guò)車體橫向?qū)ΨQ截面x＝0 m流場(chǎng)的壓力等值線和流場(chǎng)流線。由壓力等值線可以看出（見(jiàn)圖9）：車體左右兩側(cè)的壓差隨著路堤高度的變化相差很小，因此，3種路堤高度下車體所受側(cè)向力基本相等。3種路堤高度下車體上部壓力均大于下部壓力，車體承受負(fù)升力作用，且隨著路堤高度增加，上下壓差也明顯增加，因此負(fù)升力絕對(duì)值也隨之增加。由流場(chǎng)流線圖可以看出（見(jiàn)圖10）：3種路堤高度下，在車體背風(fēng)側(cè)出現(xiàn)的漩渦尺度基本相當(dāng)，因此，中間車體受到的側(cè)向力基本保持不變。

圖7 流場(chǎng)測(cè)點(diǎn)速度

圖8 流場(chǎng)測(cè)點(diǎn)靜壓

圖9 不同路堤高度下橫向?qū)ΨQ截面流場(chǎng)壓力等值線

圖10 不同路堤高度下橫向?qū)ΨQ截面流場(chǎng)流線

圖11表示不同路堤高度h＝2.5 m、h＝4.2 m、h＝9.8 m下，過(guò)車體橫向?qū)ΨQ截線x＝0 m處的靜壓系數(shù)（流體靜壓與動(dòng)壓之比）比較。由沿y方向的靜壓分布可以看出反映升力變化的車體上下壓差。隨著路堤高度增加，中間車體負(fù)壓的絕對(duì)值也相應(yīng)增加。圖12表示不同路堤高度時(shí)過(guò)車體縱向?qū)ΨQ截線y＝0 m的靜壓系數(shù)比較。由沿x方向的靜壓分布可以看出：車體截線上下壓差即升力變化。路堤高度h＝2.5 m、h＝4.2 m兩者壓力積分面積基本相當(dāng)，因此，整車升力基本相等。而路堤高度h＝9.8 m時(shí)，其壓力積分面積遠(yuǎn)大于路堤高度h＝2.5 m、h＝4.2 m，因此，整車升力明顯大于后兩者。

圖11 不同路堤高度下截線x＝0 m的靜壓系數(shù)

圖12 不同路堤高度下截線y＝0 m的靜壓系數(shù)

圖13表示不同路堤高度h＝2.5 m、h＝4.2 m、h＝9.8 m時(shí)過(guò)鼻尖點(diǎn)水平截線z＝1.05 m的靜壓系數(shù)比較。由沿x方向、y方向的靜壓分布分別反映出車體截線左右壓差以及車體截線前后壓差。由沿x方向靜壓變化曲線圖可以看出：隨著路堤高度增加車體左右壓差也相應(yīng)增加，因此，整車側(cè)向力隨之增加。由沿y方向靜壓變化曲線圖可以看出：隨著路堤高度增加車體前后壓差的積分面積相應(yīng)增加，因此，整車阻力隨之增加。

圖13 不同路堤高度下截線z＝1.05 m的靜壓系數(shù)

3 結(jié)論

在環(huán)境側(cè)風(fēng)下，在路堤上行駛的高速列車空氣動(dòng)力特性將受到路堤結(jié)構(gòu)尺寸的影響。假定列車運(yùn)行速度和側(cè)風(fēng)風(fēng)速一定的情況下，對(duì)路堤高度變化時(shí)列車空氣動(dòng)力特性變化規(guī)律進(jìn)行模擬。通過(guò)合理選擇計(jì)算區(qū)域、網(wǎng)格劃分、選擇合適的湍流模型來(lái)保證計(jì)算可靠性和計(jì)算精度。路堤高度變化時(shí)，行駛在路堤上的高速列車?yán)@流流場(chǎng)發(fā)生顯著變化，因此導(dǎo)致列車受到的氣動(dòng)六分力發(fā)生相應(yīng)變化。數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)高鐵建設(shè)和高速列車空氣動(dòng)力學(xué)具有一定的理論和工程指導(dǎo)意義。

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