突變階躍型陣風作用下高速列車的氣動特性分析

李泉,杜禮明

(大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028)

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突變階躍型陣風作用下高速列車的氣動特性分析

李泉,杜禮明

(大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028)

為研究陣風對高速列車行車安全的影響，建立了突變階躍型陣風作用下高速列車的三維數值模型，分析了突變階躍型陣風對高速列車的氣動性能影響規律，并與恒定風場下的情況進行了對比.結果表明,與恒定風速相比，陣風對高速列車所受的各種氣動力影響明顯，且不同的陣風模型有不同的影響；陣風發生突變時列車表面的氣動力成倍增加，陣風結束后其尾流對高速列車仍有作用；尾流對高速列車的氣動力隨陣風風速增大而變大，尾流的作用時間也隨之增長，最高風速為5 m/s的陣風，尾流在10 s左右后消失；而對于最高風速為30 m/s的陣風，其尾流在14.2 s左右后才消失.

突變階躍型陣風；高速列車；氣動特性；數值分析

0 引言

強陣風是威脅高速列車運行安全的自然災害之一，自然環境中的陣風是影響高速列車側風穩定性的一個主要因素.近年來強陣風引發了不少列車重大脫軌事故[1].隨著我國高速鐵路網的快速擴展，高速列車在運行當中遭遇強風的概率也越來越大，特別是經過沿海和西北多風區域.一旦高速列車遭遇強陣風而發生傾覆脫軌，其帶來的損失無法估量.

高速列車的風致安全性問題引起了國內外相關學者及鐵路機構的極大重視.田紅旗[2]系統地論述了列車空氣動力學研究方法、空氣動力特性、形成機理及規律、分析理論與工程應用.任尊松等[3]在列車空氣動力學與系統動力學相結合的基礎上研究了強側風對高速列車運行安全的影響.于夢閣等[4]在列車空氣動力學與系統動力學相結合基礎上并考慮了路堤與橋梁的影響.文獻[5- 6]分析了橫風條件下列車周圍的流場的結構，得到了橫風速度、車速與氣動力之間的變化關系.

對于強風環境下列車的安全性問題，大多數學者側重于研究恒定風場下高速列車的空氣動力特性.然而，自然環境中的風隨著地勢、地形等變化，風的角度、速度都會發生變化，有明顯的波動性和隨機性.風速會在某段時間內突然增大或突然減小，又表現出時效性.目前對于這類非定常的陣風研究很少見，且少量研究主要集中在飛機以及汽車領域，比如文獻[7-8]采用數值方法分析了陣風對機翼氣動特性的影響，而高速列車方面的研究鮮為見諸報道.本文建立基于突變階躍陣風下的高速列車空氣動力學模型，分析列車表面壓力以及氣動力并與恒定風速的風場進行比較，以獲得陣風模型對高速列車氣動性能的影響規律，為高速列車的安全運行提供參考.

1 數值模型與計算方法

1.1 高速列車氣動性能仿真模型

高速列車是復雜的細長結構，若對整列列車的流場進行數值模擬，計算量大，對計算機的要求很高，而且中間車部分的流場結構保持穩定，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[9].國內某CRH型高速動車組的幾何外形，采用頭車+中間車+尾車的三輛車編組的簡化模型進行計算，其中頭車和尾車的形狀相同.為避免網格過多，列車簡化為光滑曲面構成的幾何體，不考慮受電弓、轉向架、門把手等細部特征.

流場的計算范圍取400 m×100 m×40 m的空間區域.計算區域及邊界條件的設置如圖1所示.采用混合網格法對區域進行劃分，其中列車周圍的動區域采用非結構的四面體網格進行劃分，不動區域以及外圍區域采用結構的六面體網格，單元總數約為167萬.

圖1 計算區域及邊界條件設置

1.2 突變階躍陣風計算模型

陣風是由空氣擾動產生的，氣流流過固體表面時，會遇到來自固體表面的阻力，使流速減小.因此，當空氣流過丘陵、森林或建筑物等障礙物時產生阻力并出現回流，造成不規則的渦流，導致流速產生變化，形成陣風.“突變階躍型陣風模型”描述的動態風速變化可由分段函數表示為[10]：

(1)

1.3 陣風模擬方法

通過UDF編程的方法來模擬陣風條件，實現高速列車陣風響應的數值模擬.Fluent軟件包中的UDF (User-Defined Function),即用戶自定義函數,它是用戶利用C語言自己編寫的函數,可以FLUENT動態的加載,采用UDF來描述突變階躍型陣風和定義邊界條件.

1.4 數學模型及邊界條件

設定列車的運行速度均為350 km/h，在不考慮列車交會的情況下，空氣密度的變化對氣流流動的影響可以忽略不計，此時可以認為空氣是不可壓縮的，并假定陣風引起的流動是非定長的.

邊界條件設置如圖1所示.模型采用滑移網格，列車是運動的，列車表面以及地面均設置為無滑移壁面的邊界條件.入口給定速度邊界條件，出口給定壓力邊界條件.流場的頂面設置為對稱面.恒定側風速度大小為30 m/s，階躍陣風模型的最大風速為30 m/s，風向角皆為90°.

1.5 計算方法適用性驗證

在運用數值模擬方法對列車在明線運行時橫風對其氣動特性的影響研究之前，有必要對所采用的數值模型和模擬方法進行可行性驗證.參照文獻[11]中在中國空氣動力研究與發展中心8 m×6 m風洞進行的縮尺模型試驗所得到的數據，與縮尺模型的數值模擬結果進行了對比.

模型試驗中，速度為60 m/s,氣流夾角有3°、6°等.驗證僅選取氣流夾角為6°時的試驗數據進行仿真對照.仿真模型與模型試驗的相同，計算尺寸為20 m×8 m×6 m，采用RANS方法，湍流模型選用k-ε兩方程模型.用分離式解法對離散后的控制方程組求解，采用SIMPLE法耦合壓力-速度場.將模型試驗與數值模擬的結果進行對比，下面僅列出整車部分氣動力系數對比數據，如表1所示.

表1 縮尺模型試驗與相應數值模擬結果

由表1可知，數值模擬與其縮尺模型試驗的氣動力系數的誤差在10%左右，在工程允許的誤差的范圍內.產生誤差的主要原因如下：

(1)數值模擬對列車模型進行了一定的簡化處理，與縮尺模型試驗的模型存在幾何差別；

(2)數值模擬的風場設定為完全均勻的風場，而縮尺模型試驗中的風并不是完全均勻的風場.

數值模擬與列車的縮尺模型試驗的結果誤差基本合理，因此，采用的數值方法可用于進行列車氣動特性分析.

2 結果與分析

2.1 列車表面壓力分布

為了對比分析突變階躍型陣風對高速列車的影響，首先對恒定風速下的高速列車表面壓力進行數值分析.在橫風環境下列車頭車與中間車、尾車相比，頭車的氣動載荷相對較大，下面重點分析高速列車頭車的表面壓力.恒定風速下不同時刻的列車頭車表面的壓力云圖如圖2所示.

從圖中可以看出：當高速列車運行穩定后，在頭車鼻尖處迎風側受到的壓力是正壓，背風側的壓力為負壓，表現出明顯的壓力差.隨著列車在恒定風環境下運行，其頭車的表面壓力分布沒有明顯的變化，表現出橫風效應，不隨時間而變化.

圖2 恒定風下列車頭車 表面的壓力云圖 圖3 階躍陣風下列車頭車表面的壓力云圖

高速列車在階躍型陣風作用下不同時刻頭車的表面壓力分布如圖3所示.從圖中可以看出對于陣風模型中的列車表面的壓力云圖都是隨時間變化的.在0.2 s之前流場中還沒有施加側風，列車迎風側與背風側壓力都為正壓且相差不大，流場壓力分布比較簡單，沒有表現出橫風效應；在0.2 s與1.8 s之間流場中有了側風的加入，列車迎風側為正壓，背風側為負壓，流場壓力復雜，表現出橫風效應；在t=1.8 s以后，流場中已經停止側風的加入，但并沒有出現t=0.1 s時的壓力分布，仍然表現出有側風時的壓力分布，但與1.0 s時相比壓力明顯減小.

通過與恒定風速風場對比，高速列車在階躍型陣風流場中，受到的氣動壓力是隨時間變化的，而且當流場中所施加的側風突然消失時，列車表面的壓力不會馬上恢復到側風施加之前的情況，此時仍會表現出橫風效應.

2.2 陣風特征對高速列車氣動力的影響

為研究陣風對高速列車氣動力的影響，模擬計算車速為350 km/h的情況，階躍風速與恒定風速均為30 m/s,風向角均為90°.

側風作用下列車所受氣動力主要有阻力、升力、側力和傾覆力矩.高速列車在陣風與恒定風下氣動力系數隨時間變化的曲線如圖4所示.通過與恒定風的比較可以看出：

(1)對于阻力系數，恒定風是在高速列車穩定后會一直維持一種穩定狀態.階躍陣風在0.2 s時發生突變，之后與恒定風的響應趨勢基本相同，都是在0.1上下波動，在1.8 s時其阻力系數未發生突變;

(2)對于側力系數，從圖中看出恒定風情況下，阻力系數基本保持不變.而對于階躍型陣風，其在0.2 s和1.8 s時都發生突變，隨后再趨于平穩，在0.2 s與1.8 s之間與恒定風的趨勢相一致，在1.8 s之后陣風消失，側力系數明顯下降，但并沒有恢復到陣風施加之前的狀態;

(3)對于升力系數，恒定風在列車先增大后減小，然后再趨于穩定.階躍陣風在0.2 s和1.8 s時發生突變，在0.2 s與1.8 s之間與恒定風的趨勢基本相一致，當陣風消失后圍繞一個穩定值波動.

通過以上氣動系數的對比，對于恒定風當列車運行平穩后，所受到的氣動力保持穩定，不會有很大波動.而在陣風模型中，列車所受到的氣動力具有很強的時效性，其隨陣風的變化而變化，尤其是在陣風施加與消失時，均發生突變，在這一刻所受到的力成倍增加.

(a)阻力系數

(b)升力系數

(c)橫向力系數

2.3 陣風風速對高速列車側力的影響

當陣風消失之后，此時流場中已經沒有側風，但高速列車仍表現出受到側風影響的情況.這種情況是因為高速列車在陣風流場中運行形成的列車風所造成的.針對這種情況，先重點分析陣風風速對列車所受到側力的影響.選取風速為5、10、20、30 m/s,車速仍為350 km/h.下面取5、30 m/s風速進行對比.

從圖5可知，在整個過程中30 m/s時的橫向力系數、阻力系數明顯大于5 m/s時.對于升力系數在5 m/s時為正值，而在30 m/s時為負值.說明高速列車在低速風時受到的升力為正值，隨著風速的增加升力的方向發生變化，并逐漸增大.在0.2 s與1.8 s之間時，風速都是穩定的，此時可以看風速增大，氣動載荷增大.在1.8 s以后陣風消失，各氣動力系數突變過后仍維持在一定范圍波動，不會馬上恢復到無風狀態.從橫向力系數可以明顯看出側風消失之后，風速30 m/s仍高于5 m/s時的橫向力系數.

(a)阻力系數

(b)升力系數

(c)橫向力系數

不同速度的側風消失后，尾流對高速列車所受到的氣動載荷的影響，見圖6所示.從圖6可以看出，隨著陣風風速由5 m/s增加到30 m/s，列車所受到的阻力變化比較小，僅增加了不到2 kN.升力的增幅最大，增加了259.26 kN.橫向力增加了59.90 kN.

圖6 氣動力隨風速的變化

圖7 陣風的尾流作用時間

圖7為陣風的尾流的作用時間.在陣風消失后的很長一段時間內都存在尾流的作用，對于最高風速為5 m/s的陣風，尾流在10 s左右消失；而對于最高風速為30 m/s的陣風，其尾流在14.2 s左右消失.由此可見隨著陣風速度的增大，其尾流的作用時間不斷增長.

3 結論

對突變階躍陣風下高速列車的響應特性進行了數值分析，得到如下結論：

(1)對于突變階躍型的陣風，氣動力響應基本與陣風的變化趨勢相同，隨時間的變化而變化，都是在0.2 s與1.8 s時發生突變，瞬時所受到的氣動力成倍地增大，對高速列車的運行帶來威脅；

(2)當陣風消失時，列車所受的氣動力不會馬上恢復到無風時的水平，仍表現出側風的特性，并且隨陣風風速的增大，其尾流對高速列車的作用力增大；

(3)陣風模型對列車阻力的影響不明顯，但對側力及升力的影響較大.

[1]金學松,郭俊,肖新標,等.高速列車安全運行研究的關鍵科學問題[J].工程力學,2009,26(增刊)：8- 22.

[2]田紅旗.高速列車空氣動力學[M].北京：中國鐵道出版社，2007.

[3]任尊松，徐宇工，王璐雷，等．強側風對高速列車運行安全性影響研究[J].鐵道學報，2006，28(6):47- 50．

[4]于夢閣，張繼業，張衛華.平地上高速列車的風致安全特性[J].西南交通大學學報,2011,12：989- 995.

[5]李雪冰，楊征，張繼業，等．強風中高速列車空氣動力學性能[J].交通運輸工程學報，2009，9(2):66- 73．

[6]譚深根，李雪冰，張繼業，等．路堤上運行的高速列車在側風下的流場結構及氣動性能[J].鐵道車輛，2008，46(8):4- 8．

[7]張偉偉，葉正寅，楊青，等.基于ROM技術的陣風響應分析方法[J].力學學報，2008，40(5)：593- 598.

[8]許曉平,祝小平,周洲,等.基于CFD方法的陣風響應與陣風減緩研究[J].西北工業大學學報，2010,12：818- 823.

[9]費天翔.側風作用下列車行駛的安全性研究[D].北京交通大學,2014:45- 91.

[10]COPLEY J M.The three-dimensional flow around railway trains[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,1987，26(l)：21- 52.

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Aerodynamic Characteristic Analysis of High-Speed Train under Gust with Mutation Step

LI Quan,DU Liming

(School of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

In order to explore the impacts of gusts on traffic safety of high-speed trains,a three-dimensional aerodynamic numerical model of high-speed trains running in gust with mutation step was developed.The impacts of the mutation step gust on aerodynamic performance of the high-speed trains were analyzed and compared with the cases under the constant speed wind.The results show that the gusts have obvious impacts on various aerodynamic forces of the high-speed trains,and different gust model has different impacts,compared with the impacts of constant speed wind.It also indicates that aerodynamic force on the train surface are increased by times.When gusts mutating,the tail wake of gust still play some role on the train.The aerodynamic forces on high-speed trains and the action time of the gust wake increase with gusts speed increasing.For example,the gust wake lasts about 10 s after the gust with the maximum speed of 5 m/s disappearing and 14.2 s for the gust with the maximum speed of 30 m/s.

gust with mutation step;high-speed train;aerodynamic characteristics;numerical analysis

1673- 9590(2016)03- 0027- 05

2015- 01- 23

牽引動力國家重點實驗室開放基金資助項目(TPL0906)

李泉(1989-),男，碩士研究生； 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:957730024@163.com.

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