降雨環境下大氣底層邊界型風場對高速列車氣動特性影響

杜禮明，倪守隆

(大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028)*

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降雨環境下大氣底層邊界型風場對高速列車氣動特性影響

杜禮明，倪守隆

(大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028)*

采用大氣底層邊界速度型風場模擬自然風和Marshall-Palmer雨滴譜模型，應用離散相模型研究了風雨聯合作用環境下列車運行時氣動特性的變化情況.結果表明：雨滴顆粒的加入擾亂了列車周圍氣流的正常流動，減輕了列車背風側氣流漩渦的脫落，列車迎風側和背風側的壓力差減小；降雨強度對列車氣動特性影響不大，從20 mm/h增大到100 mm/h，受影響最大的橫向力僅增大了9.11%；風雨耦合環境下列車的運行速度對氣動阻力影響較明顯，列車時速從200 km/h到400 km/h，阻力增大了102%；隨著車速增大，車輛所受橫向力與升力的變化規律與車輛在列車中的位置相關，頭車所受到橫向力明顯增大，而尾車的橫向力則呈減小趨勢，而所受升力正好相反，頭車呈減小趨勢，尾車則明顯升高.

高速列車；大氣底層邊界速度型風場；風雨聯合作用；離散相模型；氣動特性

0　引言

風雨聯合環境下運行的列車除受到空氣的作用外,還受到雨滴的撞擊作用, 降雨改變了列車周圍流場的物質構成，使得列車的運行安全問題更加突出.風和雨往往是伴隨而生的，形成了風雨聯合作用效應[1]，這將會對高速列車的空氣動力學性能產生影響.世界各國都有發生由橫風作用而導致的列車失穩和傾覆的事故，再加上降雨的作用，列車在風雨聯合作用下的運行狀況將會更加復雜.

C.J.Baker[2]、Minoru Suzuki[3]、馬靜[4]等研究了列車在橫風條件下運行的氣動力和氣動力矩的變化情況；李軍產[5]、敬俊娥[6]等應用離散相模型研究了列車在風雨聯合作用下運行時列車周圍雨滴密度、氣動力和氣動力矩等的變化情況；邵雪明等[7]采用歐拉多相流模型，研究了列車在橫風和降雨這一工況下運行時的氣動特性.正常降雨強度情況下雨滴的體積分數一般小于10%～12%，因此用離散相模型進行模擬更能符合實際情況.上述研究都是基于均勻風場進行的，而自然環境中的風具有明顯的隨機性和非均勻性，并且隨著高度的增加風速會增大，屬于典型大氣底層邊界速度型風場[8].本文基于兩相流離散相模型，采用大氣底層邊界速度型風場取代均勻型風場，研究大氣底層邊界速度型橫風對高速列車在降雨環境下運行時的氣動特性變化規律，分析降雨強度、橫風速度及列車運行速度等對列車氣動特性的影響，為列車的抗風雨設計提供參考.

1　計算模型與方法

1.1計算模型

研究對象為國產CRH3某型動車組.一般動車組由八輛車編組，由于動車組中間車部分的流場保持穩定，中間車長度的改變對列車附近流場基本特征變化影響不大，因此，在計算列車穩態氣動性能時，可采用頭車+中間車+尾車的三輛車編組的簡化模型[9].三輛車的長度分別為25.84、24.82和25.84 m，而列車寬度為3.2 m，高度為3.89 m.由于本文主要研究列車在風雨聯合作用環境下運行時的氣動特性規律，因此對列車結構進行了簡化，并忽略了轉向架、受電弓以及門把手和車燈等部件.簡化后的列車模型如圖1所示.

圖1　列車簡化模型

1.2計算域及網格劃分

在不影響列車周圍流體流動情況下，實際模擬計算時列車運行的外流場只能選取有限空間.本文選取長方體型計算區域，為有效并準確地進行模擬列車的尾部流場，需要足夠長的尾部計算區域；同時，考慮降雨時列車能完全在降雨范圍內，列車前部空間也要足夠大.計算域如圖2所示：

圖2　計算區域

對計算域進行了四面體網格的劃分，為減少計算量和提高計算效率，需要對計算域網格的劃分進行優化，應用尺寸函數對計算域網格進行不同疏密程度的劃分可以大大的減少網格數量.本文還利用Fluent軟件的網格轉化功能，將四面體網格轉化為多面體網格，網格數量減少到四面體網格的1/4～1/3，轉化后的網格如圖3所示.由于流體在車體表面及地面的流動情況變化很大，在采用壁面函數法對車體表面與地面處進行計算時，需要對車體表面和地面進行邊界層網格劃分[10].

圖3　列車計算網格

1.3雨滴譜模型與降雨等級

觀測結果表明，雨滴譜一般服從負指數分布，本文采用目前被廣泛應用的是馬歇爾—帕爾默(Marshall-Palmer)指數分布[11]：

(1)

式中：N0為8×103個/m3； λ為斜率因子，λ=0.41I0.21/mm；I為降雨強度(mm/h)；D為雨滴直徑(mm).

根據式(1)，在雨強確定情況下，可以求出各個直徑的雨滴數量.按24 h降雨量進行劃分降雨等級，不能準確反映出降雨量的強度大小，工程中重點考慮的最大降雨強度的影響被降低.因此，在本文計算中取每小時的降雨量作為劃分標準.

1.4計算方法

降雨時雨滴所占的體積分數小于10%～12%，但其質量載荷比較大，選用歐拉-拉格朗日離散相模型可以較好模擬降雨工況.由于自然風與列車風的最大合成速度馬赫數小于0.3，因此，可認為列車周圍的流體流動是三維、黏性、不可壓縮湍流，湍流模型選用k-ε標準模型，選用SIMPLEC算法處理壓力與速度的耦合,數值離散采用二階迎風格式.

1.5計算工況及邊界條件

根據圖2所示的計算區域，連續相流場的邊界條件設置如下：

(1)計算域流動入口：高速列車前進方向入口處施加均勻風場，其大小為列車的運行速度，方向與列車運行方向相反；橫風速度入口處為大氣底層邊界速度型風場，風速為在氣象上10 m高度處的風速Vz；

(2)計算域流動出口：壓力出口邊界條件，壓力值為一個標準大氣壓；

(3)列車表面：列車表面設置成有一定粗糙度的固定壁面邊界，考慮列車表面邊界層效應的影響；

(4)地面：為了更加準確地模擬列車運動情況，并消除地面效應的影響，地面采用滑移壁面邊界條件.速度為車速大小，方向與列車運行方向相反.

離散相邊界條件設置如下：計算區域的上表面為射流源噴射口，雨滴以一定的初速度從該面射出，其速度值參考文獻[12]確定.連續相速度入口處雨滴被風吹到計算域內，形成了風驅雨現象；壓力出口設置為逃逸邊界條件，也就是雨滴到達此邊界計算即終止；雨滴撞擊到車體后碎成小液滴，并在車身表面形成壁膜，設置成壁面覆膜邊界類型；地面及其他壁面設置為捕集面，雨滴被壁面捕集而終止其運動軌跡的計算.

2　結果與分析

2.1降雨天氣對列車氣動特性的影響

采用大氣底層邊界速度型風場模擬自然風，在列車運行速度為300 km/h，橫風速度24 m/s條件下，研究列車在降雨強度為60 mm/h和無降雨這兩種工況下運行時的氣動特性，圖4為列車迎風側和背風側表面氣動壓力的對比.

(a)列車迎風(左圖無降雨，右圖降雨強度60 mm/h)

(b)列車背風(左圖無降雨，右圖降雨強度60 mm/h)

由圖4可以看出，列車在無降雨和降雨強度為60 mm/h兩種工況下運行時的表面壓力分布規律基本一致，只是壓力大小有所不同.列車在無降雨工況下運行時，最大正壓值為10.4 kPa，最大負壓值為14.0 kPa；在降雨強度為60 mm/h條件下運行時，最大正壓值為11.0 kPa，最大負壓值為13.2 kPa.

導致壓力值不同的原因是列車在降雨環境中運行時，由于雨滴顆粒的加入，列車迎風側受到空氣的擠壓和雨滴的撞擊雙重作用，使得迎風側最大正壓值比無降雨工況要大；而在列車背風側，由于雨滴顆粒的加入會擾亂背風側區域空氣的正常流動，減輕了尾流漩渦的脫落，使得列車背風側最大負壓值比無降雨工況要小.

列車在橫風中運行時，頭車和尾車的頭部所受到的壓力分布明顯不相同.在頭車的頭部處，列車的鼻尖以及導流板處不再為駐點，列車運行時對迎風側的空氣產生擠壓，使得頭部最大正壓區往迎風側偏移.頭部背風側則由于空氣流動加快，使得背風側出現較大的負壓.而在尾車的頭部處，由于迎風側到車頂過渡處空氣流動突然加快，此處產生負壓.空氣流過車頂后，由于邊界分離產生的漩渦脫落，使得背風側空氣流速降低而產生一定的正壓，這與文獻[13]中結論完全一致.

截取列車長度方向上x=-33 m，0 m及33 m處三個截面，分別得到列車在運行時各個橫截面上的壓力云圖和速度矢量圖.以x=33 m截面處的壓力云圖和速度矢量圖為例進行闡述，如圖5所示.

(a)x=33 m截面處壓力云圖(左圖無降雨，右圖降雨強度60 mm/h)

(b)x=33 m截面處速度矢量圖(左圖無降雨，右圖降雨強度60 mm/h)

由圖5(a)可看出，列車車頂與背風側過渡處的正壓區域明顯減小，背風側后方的最大正壓值也明顯降低.這是由于雨滴顆粒的加入，雨滴在列車迎風側與列車表面發生碰撞，一部分雨滴粘附在列車表面形成水膜，列車迎風側表面正壓比無降雨時要大.另一部分雨滴經過碰撞形成了更小的雨滴顆粒，這些雨滴顆粒擾亂了空氣的正常流動，減小列車背風側的漩渦，最大正壓由無降雨時的3.2 kPa減小到3.0 kPa.列車迎風側和車頂過渡處的氣流由于受到雨滴的擾動其速度會變小，最大負壓由無降雨時的13.0 kPa減小到12.3 kPa.圖5(b)顯示了氣流繞過列車時的流動情況，而列車背風側后方區域產生了漩渦.在降雨條件下，由于受到雨滴的干擾，列車背風側氣流漩渦則明顯減小.

2.2降雨強度對列列車氣動特性影響

為研究降雨強度對高速列車運行時氣動特性的影響規律，在保持列車時速300 km/h和橫風速度24 m/s不變情況下，分別研究了列車在降雨強度為0、20、40、60、80和100 mm/h六種工況下的運行情況.圖6為列車在其中一種降雨工況下運行時的雨滴軌跡圖，不同降雨強度下雨滴軌跡圖類似，只不過隨著降雨強度的增大，雨滴的直徑以及其所占的體積分數都會變大，雨滴顯得更為密集，從而對列車運行氣動特性的影響也有所不同.

圖6　列車運行時雨滴軌跡

列車在降雨環境下運行時，雨滴與車體發生碰撞，對列車運行時的氣動力和氣動力矩都有一定影響.圖7為列車運行時所受到的氣動阻力和氣動升力隨降雨強度的變化曲線.

(a)氣動阻力 (b)氣動升力

圖7列車運行時氣動力隨降雨強度變化曲線

由圖7可知，在橫風與降雨耦合作用下，車輛所受到的氣動阻力與氣動升力與其所處的位置有關，且具有相同的規律性，即頭車受力最小，因其迎風面積小，中間車受力比頭車大，而比尾車稍小.從圖中可知，降雨強度對列車氣動阻力和氣動升力的影響不大，這是由于通常雨滴顆粒所占的體積分數小于10%～12%，對列車運行時所受氣動特性的影響有限.表1為不同降雨強度下列車運行中所受到的氣動力.

從表中可看出，隨著降雨強度增大，氣動阻力和升力增加幅度比橫向力要小得多，這是由于列車側面積比較大，列車運行時與列車發生碰撞的雨滴也會很多，導致列車運行受到的橫向力變化幅度比阻力和升力大很多.與無降雨狀況相比，降雨強度100 mm/h時列車氣動阻力僅增大了約2.82%，而橫向力則增大了約9.11%.

表1　不同降雨強度下列車受到的氣動力

橫向力增大將會導致列車的傾覆力矩明顯增大，影響列車的安全運行.列車運行時受到的傾覆力矩和側偏力矩隨降雨強度的變化曲線見圖8.由該圖可以看出，列車運行時受到的傾覆力矩受降雨強度的影響比側偏力矩大，表明列車在風雨耦合環境中運行時列車脫軌的危險增大.傾覆力矩主要是由列車的橫向力引起的，橫向力隨著降雨強度的增大而增大，導致列車的傾覆力矩也隨著降雨強度的增大而增大.

(a)傾覆力矩 (b)側偏力矩

圖8列車運行時氣動力矩隨降雨強度的變化曲線

2.3降雨環境下風速對列車運行氣動特性影響

保持降雨強度60 mm/h和列車運行速度為300 km/h不變，對橫風速度為10、15、20、24、27和30 m/s等工況分別進行模擬，以考察降雨環境下大氣底層邊界速度型橫風風速對列車運行氣動特性影響.

圖9為列車所受到的氣動力和傾覆力矩隨橫風速度的關系曲線.氣動升力和橫向力受橫風速度的影響比氣動阻力大，傾覆力矩受橫向力的影響最大，因此其變化也更為明顯.在風速較小的時候，由于列車頂面和底面的壓差較小，而車頭導流板處正壓較大，這使得列車車頭受到向下的壓力.隨著風速逐漸增大，列車頂部和底部的壓差越來越大，使得列車的氣動升力增大.

(a)氣動阻力 (b)氣動升力

(c)橫向力 (d) 傾覆力矩

圖9列車運行時氣動力和氣動力矩隨橫風速度的變化曲線

隨著橫風速度不斷增大，列車所受到的橫向力增大幅度較大.從橫風速度為10 m/s增大至30 m/s，列車的橫向力和氣動升力增大一倍多，傾覆力矩增大約60%，而氣動阻力僅增大了約28%.

2.4降雨環境下車速對列車運行氣動特性影響

保持降雨強度為60 mm/h和橫風速度為24 m/s不變，對列車運行速度為200、250、300、350、380和400 km/h等工況分別進行了模擬，分析風雨聯合作用下列車的氣動特性與列車速度的關系.

圖10為風雨耦合環境下列車運行時所受的氣動力和傾覆力矩與車速的關系曲線.由該圖可知，隨著列車速度增大，列車所受到的各氣動力和傾覆力矩都逐漸增大.與車速200 km/h相比，車速為400 km/h時，列車運行時所受氣動阻力增大了102%，而氣動升力和橫向力僅增大了23%和27%.可見，隨著列車運行速度增大，列車受到的氣動阻力變化幅度要比氣動升力和橫向力大得多.

橫向力是造成列車傾覆的主要作用力之一.由圖10可知，頭車、中間車和整車受到的橫向力隨著車速的增大而增大，尤其是頭車和整車增大趨勢較為明顯，中間車的增幅次之.尾車的橫向力與車速的關系與之有所不同，尾車迎風側受到負壓作用，而背風側受到正壓作用，但是隨著車速的不斷增大，迎風側負壓增速大于背風側正壓的增速，因此尾車表現為橫向力趨于減小.隨著列車運行速度增大，車輛所受氣動升力規律與其在列車中的位置有關，頭車的氣動升力逐漸減小而尾車氣動升力逐漸增大.其原因是：隨著列車速度的增大，頭車上表面和下底面之間的壓力差逐漸減小，致使氣動升力逐漸減小，而尾車處氣流邊界層分離現象隨著列車速度的增大而加劇，尾流漩渦脫落趨向嚴重，導致尾車氣動升力明顯升高，從而增加了列車尾車的脫軌危險性.

(a)氣動阻力 (b)氣動升力

(c)橫向力 (d) 傾覆力矩

圖10氣動力和氣動力矩隨列車運行速度的變化曲線

3　結論

(1)在風雨耦合環境下運行的列車，由于雨滴顆粒的加入，擾亂了列車周圍氣流的正常流動.列車背風側氣流漩渦的脫落明顯減輕，使得列車的橫向力與無降雨條件下相比時明顯減小；

(2)降雨強度對列車的氣動特性有一定影響，但影響不甚明顯.由于雨滴顆粒所占的體積分數比較小，僅是其質量分數占的比例很大，與無降雨工況相比，即使在降雨強度為100 mm/h條件下，列車氣動阻力和氣動升力增幅較小，橫向力增幅相對較大，但也僅增大了9.11%；

(3)在降雨環境下，橫風速度對列車的橫向力和傾覆力矩影響較大，但對列車的氣動阻力影響不大，從橫風速度從10～30 m/s，橫向力增加了一倍多，而氣動阻力僅增大了28%；

(4)在降雨環境下，列車的運行速度對列車所受的氣動阻力影響明顯，從車速200～400 km/h，列車的氣動阻力增大了102%，但對升力和橫向力影響不明顯；

(5)隨著列車的運行速度增大，車輛所受的橫向力與升力變化規律與車輛在列車中的位置有關.頭車所受到的橫向力隨列車速度增大而明顯增大，而尾車的橫向力卻呈減小趨勢；列車所受的升力，頭車呈減小趨勢，尾車由于氣流邊界層分離現象隨車速增大而加劇，尾流漩渦脫落嚴重，導致尾車的氣動升力明顯升高.

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Influence of Aerodynamic Characteristics of a High-Speed Train under Rain and Lower Atmospheric Boundary Layer Crosswind Conditions

DU Liming，NI Shoulong

(School of Traffic and Transportation Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028，China)

The lower atmospheric boundary layer wind and Raindrop spectrum model Marshall-Palmer were used to simulate the natural wind, and the discrete phase model was used to study the changing of aerodynamic characteristics when the train running in the wind driven rain. The results show that the addition of rain drops disrupts the normal air flow around the train and reduces the air flow vortex shedding at the train leeward side, which leads to reduce the pressure difference between the windward and leeward side. The influence of rainfall intensity on the train aerodynamic characteristics is small, and the greatest impacted lateral force increases only 9.11% with rainfall intensity from 20 mm/h to 100 mm/h. The train speed has great influence on the aerodynamic drag, and it increases 102% with the train speed from 200 km/h to 400 km/h. The lateral force and lift force of the vehicle are related to its position on the train. With the increase of the train speed train, the lateral force of the head car is increased, and the tail car is decreased, while the change trend of lift force is just opposite.

high-speed train; lower atmospheric boundary layer winds; action effect of wind driven rain; discrete phase model; aerodynamic characteristics

1673- 9590(2016)05- 0056- 06

2016- 05- 07

杜禮明(1972—)，男，副教授，博士，主要從事機車車輛流體動力學的研究

E-mail:dulm@vip.sina.com.

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