強風局部地貌下高速列車非定常氣動性能

牛紀強，周丹，李志偉

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強風局部地貌下高速列車非定常氣動性能

牛紀強，周丹，李志偉

(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)

基于三維、非定常、可壓縮雷諾時均方程和標準-雙方程湍流模型，采用滑移網格方法，對列車通過隧道進入風區后，風?車?橋?地形耦合作用下高速列車氣動性能進行模擬。模擬線路周圍的復雜地形地貌，針對8節編組的和諧號高速列車以350 km/h速度在強側風復雜地貌下的運行進行研究。研究結果表明：地形顯著改變沿線風速分布情況，并通過改變風速來影響列車氣動性能；列車在駛出隧道突入風區時氣動力急劇增加。此后，列車沿風區線路運行時，所受側向力變化明顯，其中頭車側向力變化最小，尾車最大；與側向力相比列車升力變化不明顯，頭車升力變化最大，尾車升力變化最小。通過對沿線風速的監測，可知地形對沿線風速改變顯著。

高速列車；隧道；橋；地形地貌；風速；氣動性能

惡劣風是導致列車脫軌的主要氣象災害之一，輕則導致路網中斷，重則致使列車傾覆，社會影響極大；高速列車速度高、自重輕，抗傾覆能力低，安全問題更為突出。對于一些特殊的風環境，如特大橋梁、高架橋、路堤、丘陵及山區的風口區域，列車的繞流流場改變更為突出，氣動力顯著增大，導致列車脫軌、翻車的可能性大大增加[1]。研究表明車輛受到的橫向氣動力隨著車速和風速的增大而增大，當列車從隧道突入到強橫風環境中時，即車輛在突變載荷作用下更容易發生傾覆事故[2]。大風導致的鐵路行車事故在世界各國時有發生，如日本1986年山陰正線余部橋事故；1994年2月JR北海道根室正線和道南線事故；1997年6月JR西日本湖西線事故，1998年3月JR九舟祝肥線事故等[3?4]。國內外學者對列車在強風環境下的運行安全進行了大量研究[5?13]。由于風?車?橋?地形耦合作用下列車氣動性能模擬工作量巨大，對計算機要求很高，建模有一定困難。目前，很少有涉及強風環境下耦合局部地貌對高速列車氣動性能影響的文獻。本文作者采用滑移網格方法，模擬8節編組的高速列車通過隧道進入風區的運行過程。并對高速列車運行在強側風復雜地貌下的氣動性能進行研究。

1 數學模型

橫風作用下列車外部流場的分析目前國內外比較通用的是合成風方法，即將列車視為靜止，將橫風風速與列車前進速度進行矢量合成(即合成風)。本文采用的滑移網格技術可以模擬列車在軌面上的運動，實現了列車速度和橫風的完全分離，是一種更直接和更真實的數值模擬方法[14]。

列車以350 km/h速度通過隧道進入風區時，其位置時刻在變化，屬于瞬態問題；雖然馬赫數小于0.3，但是考慮到列車通過隧道時，空氣受到隧道壁面和列車表面的限制，隧道內空氣會受到強烈擠壓，需考慮空氣的可壓縮性；列車流場雷諾數一般大于106，流場處于湍流狀態，因此，整個流場采用瞬態、黏性、可壓縮流的Navier-Stokes方程和?兩方程湍流模型描述，方程如下[15]。

連續性方程：

方向動量方程：

(2)

方向動量方程：

方向動量方程：

湍流動能方程：

湍流動能耗散率方程：

上述方程均忽略了空氣的質量力。式中：為速度矢量；，和為各坐標方向的速度分量；為空氣密度；eff和eff分別為有效黏性系數和有效壓力，其值與湍流動能和湍流動能耗散有關。上述6個方程含有6個未知量：，，，，和方程組封閉，可以進行數值求解。

2 計算模型及區域

2.1 計算模型

采用8車編組的和諧號高速列車為計算模型，同時對車輛進行簡化，沒有模擬轉向架及車體表面的一些細小部件。整個計算區域采用結構網格進行劃分。為了準確模擬車輛周圍渦流的形成及脫落和附面層效應，對車身表面附近的單元做了加密處理，空間體單元約3 000萬個。車身表面離散網格圖如圖1所示。計算的時間步長為1×10?5s，利用國際主流商用CFD軟件—Fluent，在中南大學高性能計算平臺采用128個CPU進行并行計算模擬，計算時長約300 h。

圖1 車體表面網格

2.2 計算區域

為模擬線路周圍大環境對列車氣動性能的影響，選取線路周圍8×105m2左右的地形區域作為數值模擬計算區域，真實地模擬了地形地貌對高速列車氣動性能的影響。為保證流場充分發展，避免邊界條件對流場結構的影響，計算區域長、寬、高分別為1 000，800和300 m，列車初始位置位于距隧道出口100 m處的隧道內。計算區域如圖2所示。

圖2 計算區域

3 計算結果與分析

3.1 數值計算結果與風洞試驗數據對比

為驗證本文所采用計算方法的正確性，在中國空氣動力研究與發展中心低速所8 m×6 m大型低速風洞進行風洞實驗。高速列車模型如圖3所示，列車為3車編組的高速列車，模型為1:8鋼骨架木質模型。來流風速為=60 m/s，試驗中側滑角分別為?15.14°，?10.22°，0，5.15°，10.22°，15.14°和19.72°。

圖3 高速列車模型

為將數值計算結果與風洞實驗數據進行對比，建立與風洞實驗相同的列車模型。由于數值模擬采用滑移網格方法，得到各節車的氣動分力是時域下的計算結果。因此，根據(式中：x為各時刻下氣動力系數，為樣本總數)計算得到氣動力系數均方根。

圖4所示為相應的3車編組高速列車平地上運行時氣動力系數計算結果的均方根與風洞試驗結果隨側滑角變化曲線。各系數定義如下。

側向力系數：

升力系數：

傾覆力矩系數：

(a) 頭車；(b) 中間車

1—升力系數計算結果；2—升力系數風洞實驗結果；3—側向力系數計算結果；4—側向力系數實驗結果

圖4 氣動和實驗結果與計算結果比較

Fig. 4 Comparison between experimental results and calculation results for aerodynamic force

從圖4可以看出：側向力及升力系數均隨側滑角的增加而增加；計算所得側向力系數與實驗結果規律一致，兩者吻合度較好，最大偏差不超過10%，滿足工程應用的要求。

3.2 測點風速計算結果及分析

圖5所示為測點布置示意圖。橋上沿線路方向距隧道出口每隔10 m處布置1個測點，共計70個測點。計算中，給定車速為350 km/h，給定邊界初始風速為25 m/s。

單位：m

圖6所示為線路上無列車運行時，沿線風速變化曲線。沿橋長度方向從隧道口開始各測點所測風速可以看出：橋上各監測點的風速并不是一樣的，最大風速比為1.39，最小風速比為1.11，分別對應最大風速34.83 m/s，最小風速27.67 m/s。因此，沿路周圍風速分布受地形地貌的影響顯著。

圖6 沿線風速變化曲線

結合地形圖分析可知：氣流經過山地丘陵地區時，該地區復雜的地形、地貌顯著改變了近地流動風的風速、風壓和湍流結構，使得這些地區的風流場呈現與平坦地區較明顯的差異。

圖7所示為壓力云圖。由圖7可知：迎風面將產生較大的正風壓；在背風面將發生流場分離甚至出現渦流。結合圖2和圖6，距隧道出口450 m處測點來流方向對應山谷口中間處，由此可知，山谷地形的狹道效應使山谷內風速明顯增加。

圖7 壓力云圖

3.3 列車通過測點壓力變化

圖8所示為橫風速度25 m/s，列車以350 km/h速度在線路上運行時，各測點的壓力幅值及壓力差。圖9所示為沿橋方向各監測點的壓力變化時程曲線。

1—壓力差；2—壓力最大幅值；3—壓力最小幅值

圖9 測點壓力的變化

如圖9中的計算結果可以看出：在強側風情況下，當列車通過線路上測點時，測點壓力變化幅值較大。這是由于高速行駛的列車使列車周圍的空氣(流場)受到強烈擾動，尤其是列車頭部或尾部通過測點瞬間，將引起測點處的空氣壓力發生突變，形成一種瞬態壓力沖擊，當車體與測點之間間距較小時將引起劇烈的壓力波動。計算采用的高速列車車體較寬(車體寬為3.38 m)，測點距外側線路中心線僅2.5 m，列車高速通過測點時引起的壓力波動非常顯著。由于線路周圍地形復雜，導致各測點風速變化，進而導致各測點的壓力幅值差變化較明顯。

3.4 列車氣動力結果分析

3.4.1 側向力

圖10所示為風速25 m/s下，高速列車以350 km/h車速在線路上運行時，列車所受側向力沿橋長度方向的變化。從圖10中列車在線路上運行時所受側向力變化可以看出：列車駛出隧道進入風區后，受到的側向力會急劇增加，受地形地貌的影響，高速列車各節車所受的側向力差距十分明顯。圖11所示為列車頭車和尾車出隧道壓力分布云圖。高速列車強風區線路上運行時，頭車所受側向力最大，尾車所受側向力最小，中間6節車所受側向力值介于頭車和尾車之間，相差不明顯，且從頭車到尾車所受側向力呈減小趨勢。列車在運行過程中，尾車所受側向力方向發生變化。

1—頭車；2—車2；3—車3；4—車4；5—車5；6—車6；7—車7；8—尾車

(a) 列車頭部出隧道；(b) 列車尾部出隧道

表1所示為列車出隧道進入風區后所受側向力計算結果。表1中：max為列車運行過程中所受最大側向力；min為列車出隧道后所受最小側向力；為max相比min增大率。從表1可知：列車在強風區線路上運行過程中，頭車所受側向力變化最小，為30%；尾車變化最大，為182%，且方向發生變化；中間車6節車變化基本一致，在50%左右。與無地形只有橋的情況相比，地貌對列車側向力影響顯著。尾車受列車尾流的影響，尾車側向力波動很大。因此，地形風對尾車所受側向力影響較大，容易導致列車尾部在運行中擺動較大。

表1 車輛側向力的計算結果

3.4.2 升力

圖12所示為風速25 m/s時，高速列車以350 km/h車速在線路上運行，列車所受升力沿橋長度方向變化曲線。從圖12可以看出：列車駛出隧道進入風區后，受到的升力會急劇增加，尤其頭車從受負升力突變成受正升力。比較圖6和圖12可知：各節車所受升力變化曲線與風速變化曲線相吻合。

1—頭車；2—車2；3—車3；4—車4；5—車5；6—車6；7—車7；8—尾車

表2所示為列車各節車出隧道進入風區后所受升力計算結果。從表2可以看出：高速列車在風區線路上運行過程中，各節車所受升力，相差不明顯。頭車所受升力變化最大，為77%；尾車變化最小，為29%；中間6節車除3號車變化稍大外，其他各節車升力變化基本一致。由此可知：地形風對頭車升力影響最大，對其他車影響很小，尤其對尾車影響最小。

表2 車輛升力的計算結果

3.4.3 傾覆力矩

圖13所示為風速25 m/s時，高速列車以350 km/h車速在線路上運行，列車傾覆力矩沿橋長度方向變化曲線。圖13與圖10相比，傾覆力矩與側向力變化規律基本一致。因此可知，側向力對列車傾覆力矩的貢獻大于升力。

1—頭車；2—車2；3—車3；4—車4；5—車5；6—車6；7—車7；8—尾車

表3所示為列車各節車出隧道突入風區后所受傾覆力矩計算結果。從表中可以看出高速列車在線路上運行過程中，各節車最大傾覆力矩中，頭車最大，尾車最小，中間6節車的傾覆力矩相差不明顯。

表3 車輛傾覆力矩的計算結果

注：max為列車運行過程中所受最大傾覆力矩；min為列車出隧道后所受最小傾覆力矩；′為max相比min增大率。

4 結論

1) 地形顯著改變了沿線風速分布情況，在各監測點中，最大風速為34.83 m/s，最小風速為27.69 m/s。因此在選取測風站合理位置時要考慮周圍地形對風的加速和阻滯效應的影響。

2) 高速列車駛出隧道進入風區時，列車所受氣動力瞬間急劇增加，并且頭車變化最大。

3) 列車在風區高速行駛過程中，列車所受氣動力會因受到地形風的影響而出現明顯波動。

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(編輯 陳愛華)

Unsteady aerodynamic performance of high-speed train on local geomorphology under strong wind

NIU Jiqiang, ZHOU Dan, LI Zhiwei

(Key Laboratory of Traffic Safety on Track, Ministry of Education,School of Traffic & Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Based on the three-dimensional unsteady compressible Reynolds-averaged-equation and the standarddual equation turbulence model, the operation of high-speed train was simulated coupling with the wind-train-bridge-terrain by using sliding mesh method. The model of terrain around the railway line was constructed according to real situation. The running of 8-car EMU at the speed of 350 km/h under the strong wind was researched. The results indicate that the distribution of wind velocity along the railway is changed significantly with the change of terrain, and the aerodynamic performance of train is affected by the mutative wind velocity. The aerodynamic of train increases sharply when the train is pulled out of the tunnel into the wind zone. Thereafter, when the train is running on the railway in the wind zone，the lateral force of train changes significantly. The change of truck lateral force is the least, and the tail car is the largest. The change of lift force is not significant compared to lateral force. The change of truck lift force is the largest, and the tail car is the least. The change of terrain affects wind velocity along the railway significantly according to monitoring wind velocity.

high-speed train; tunnel; bridge; terrain; wind speed; aerodynamic performance

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.06.049

U270.11

A

1672?7207(2015)06?2359?07

2014?06?13；

2014?08?20

國家自然科學基金資助項目(51105384)；湖南省研究生科研創新項目(Project (51105384) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project supported by Hunan Provincial Innovation Foundation For Postgraduate)

牛紀強，博士研究生，從事列車空氣動力學研究；E-mail：jiqiang_niu@163.com