動車組在防風設施過渡段氣動性能仿真分析

肖 政 何德華

（1.華東交通大學土木建筑學院 江西南昌 330013；2.中國鐵道科學研究院 北京 100081）

動車組在防風設施過渡段氣動性能仿真分析

肖 政1何德華2

（1.華東交通大學土木建筑學院 江西南昌 330013；2.中國鐵道科學研究院 北京 100081）

我國鐵科院在進行蘭新二線大風試驗期間，動車組試驗列車在多處防風設施過渡段均有明顯的晃車現象，對列車運行安全性產生了不利影響。防風設施過渡段是限制大風條件下行車速度提升的關鍵影響因素。文章針對8編組CRH5型動車組建立模型，采用trim+prism layer的體網格類型通過STAR-CCM+軟件對列車通過某一處典型防風設施過渡段進行仿真計算來探尋分析動車組通過防風設施過渡段的氣動性能的方法。分析表明，該仿真計算方法能很好的反映出動車組通過該過渡段時的氣動特性，這對探索評估和驗收防風設施過渡段具有很強的現實意義。

防風設施過渡段；trim+prism layer體網格；氣動性能

我國對列車在風區過渡段空氣動力學性能研究開展目前尚處于起步階段。蘭新鐵路第二雙線是世界上第一條大風環境下的高速鐵路，正線通過安西風區、煙墩風區、百里風區、三十里風區、達坂城風區等五大風區，其中百里風區、三十里風區的風力最為強勁，部分區段年均大于8級大風天氣達到兩百多天，最大風速60米/秒，相當于17級風。蘭新鐵路第二雙線為了達到少停輪，少限速、少停車的運營目標，進行了新的防風工程設計，總線一共設置了四百多千米防風工程，包括路基擋風墻、橋梁擋風屏和防風明洞三種防風結構。為了研究新設計的防風工程的效果，在鐵路總公司的總體組織和領導下，鐵科院2014年在蘭新二線百里風區累計開展了8次大風試驗，由于未系統的研究列車通過防風設施過渡段時的空氣動力學性能，導致過渡段成為薄弱環節，嚴重影響到了試驗的順利進行[1]。綜上所述，亟需一種方法對防風設施過渡段進行靜態驗收，但是過渡段受地形地貌影響很大，各過渡段差異較大，沒有統一的評估方法可用，鑒于此，探索一種等效的仿真計算方法對過渡段防風效果進行統一評估具有非常重要的現實意義。

一、三維地形地貌建模

選取大風試驗線路上一處空氣動力學性能較為不利，對行駛安全會造成威脅的防風設施過渡段位置進行現場考察，該過渡段由擋風墻、路基以及涵洞構成。測量采集該過渡段位置環境數據，包括地形地貌等高線、風速等。該過渡段位置如圖1所示：

圖1 實地勘察圖

仿真模型盡可能還原真實環境，按照實測參數進行擋風墻、路基及涵洞的1:1三維建模，涵洞部分模型圖如下：

圖2 涵洞仿真模型

除擋風墻、路基、涵洞以外，實際地形地貌按照等高線地形圖進行1:1三維建模，地形示意圖如下：

圖3 地形地貌三維建模示意圖

二、數值計算說明

仿真計算采用穩態模型，通過相對坐標系計算列車運行至某一位置時的流場情況。利用軟件STAR-CCM+進行仿真計算。網格的劃分以及網格質量對計算結果效率、收斂性和精確性最為重要。根據試算，在高速列車的橫風效應計算中，采用trim+prismlayer的體網格類型。在整個空間計算域采用較大尺寸的網格，對流場變化比較大的區域進行網格細化，主要包括車身周圍、尾流及受電弓等區域，采用從細網格到粗網格采用逐層過渡的方案[2-3]。

列車邊界層的首層厚度的選擇原則是計算得到的Y+值在30100范圍內。采用六面體網格，在地面處以及車體表面生成邊界層網格，邊界層的總厚度為30mm。為了保證網格質量以及更好的銜接六面體網格，設置增長比為1.2的邊界層網格6層，網格的厚度以及與列車表面的正交性與貼體性，可以保證壁面函數的應用于邊界層模擬的準確性。加密對流場影響比較大的區域的網格如尾流、列車表面和受電弓三處。為了減少了網格數量又不降低計算的精度，遠離列車流暢平穩區域的空間網格則設置較大。本文計算網格采用的是TRIM網格進行生成，由于TRIM網格對于復雜外形的適應性比較好，可以通過設置不同大小的區域加密來完成高速列車復雜模型的高質量網格生成。生成網格時在列車壁面附近和地面、軌道等位置也進行邊界層網格生成，這樣就能夠準確的捕捉列車壁面附近的邊界層流動[4]。

三、動車組穩態仿真計算分析

（一）計算條件。列車模型為8編組CRH5型列車，總長為212m，車體最大橫截面積S=12.206。列車運行速度80km/h，風速35m/s，風向角67.50，即列車由東向西開行，風向來流為西偏北67.50。本次計算由于列車運行速度不高，氣流處于不可壓縮狀態，因而采用不可壓求解器進行分析，來流密度：1.225kg/m。邊界條件包括固定壁面邊界、速度入口邊界條件、壓力邊界條件。

采用相對運動來模擬列車附近的外流場。設定列車為靜止的，而地面移動，空氣來流以與列車運行速度反向等值的速度繞流列車，橫風以固定速度垂直吹向列車。

（1）入口邊界條件。包括列車風和橫風的速度入口條件。假設入口邊界來流的三維速度分布不會受到模型的擾動，除運動方向外，另外兩個方向的速度分量均為零，沿運動方向的速度在另外兩個方向上均勻分布。流入速度取理論上的無窮遠處的來流速度，平行于列車方向的主流風速取為列車運行速度；垂直于列車方向速度取為橫風風速；

（2）出口邊界條件。壓力邊界條件，出口壓力取為一個標準大氣壓強[4]；

（3）列車表面邊界條件：由于在列車表面存在邊界層效應的影響，故列車表面設定為有摩擦的固壁邊界 (無滑移邊界)，接近于實際情況，可較為精確的計算出列車表面的摩擦阻力，即粘性剪切力，以及表面的壓力分布等參數；

（4）計算域上表面。由于選擇的流場計算區域足夠大，故可認為外圍邊界對列車周圍的流場幾乎無影響。為了與相對運動的條件相對應，將計算區域的外圍邊界設定為壓力出口條件[5]。

為了便于分析，定義無量綱系數如下：

列車氣動阻力系數CD，其表達式為：

式中，Fx為列車空氣阻力，ρ為空氣密度，V為列車運行速度，Sx為參考面積，這里取列車最大迎風面積，本次計算取為12.206m2。

升力系數CL，其表達式為：

式中，FZ為列車氣動升力，ρ為空氣密度，V為列車運行速度，Sx為參考面積，本次計算取為12.206m2。

側向力系數Cs，其表達式為：

式中，Fs為列車側向力，ρ為空氣密度，V為列車運行速度，Sx為參考面積，本次計算取為12.206m2。列車滾轉力矩系數CMx，其表達式為：

式中，Mx為列車滾轉力矩，ρ為空氣密度，V為列車運行速度，Sx為參考面積，這里取列車最大迎風面積，本次計算取為12.206m2。L為參考長度，取距中心為每節列車中心位置。

列車傾覆力矩系數CMy，其表達式為：

式中，My為列車傾覆力矩，ρ為空氣密度，V為列車運行速度，Sx為參考面積，這里取列車最大迎風面積，本次計算取為12.206m2。L為參考長度，取距中心為每節列車中心位置。列車偏航力矩系數，其表達式為：

式中，為Mz列車偏航力矩，為空氣密度，V為列車運行速度，為Sx參考面積，這里取列車最大迎風面積，本次計算取為12.206m2。L為參考長度，取距中心為每節列車中心位置。

（二）網格分布。計算采用直角切割網格，總網格數約5000萬單元。利用國家超算中心服務器進行大規模并行計算。計算區域及網格示意圖如下圖所示。

圖4 計算區域及網格示意圖

（三）流場分布情況。高速列車在行駛時，由于空氣的粘性作用，列車將帶動列車尾部周圍的空氣隨之運動，形成列車尾流，并以速度場和壓力場的形式表現出來。如果有強橫風的作用，列車空氣動力性能惡化，不僅列車的空氣阻力、升力和橫向力迅速增加，還影響列車的橫向穩定性，嚴重時將導致列車傾覆[6]。

由于列車所受空氣動力由列車周圍流場產生，列車周圍的流場分布情況直接影響列車各個部分氣動力的大小，而且

列車尾流結構反映了全車各部分分離狀態和相互作用的綜合效果，包含了車身繞流的大量信息，因此需要對列車周圍流場進行研究。

列車整車氣動力分布取決于表面的壓力分布，列車表面壓力的分布情況會直接影響列車各個部分氣動力的大小[7-10]。本文首先就列車表面壓力分布進行分析，先給出列車表面整體壓力分布云圖和各個特征部位的壓力分布云圖：

圖5 流場壓力云圖

圖6 列車和路基、擋風墻壓力云圖

圖7 頭車壓力云圖

圖8 第三至第六節車廂壓力云圖

為清楚直觀的研究地形地貌對列車的影響，下面分析列車的空間流線分布：

圖9 空間流線分布

為更清楚直觀地分析氣流繞過擋風墻的過程，下面再分析橫截面上的流線分布：

圖10 橫截面上的流線分布

（四）氣動力統計。計算得出列車各部分的受力統計：

表1 氣動力系數

四、結語

（一）通過列車表面整體壓力分布云圖和各個特征部位的壓力分布云圖可以得出，擋風墻及涵洞明顯改變了區域內的流場分布，涵洞后方即列車第五六兩節車廂的表面壓力要明顯小于涵洞前方即列車第三四節車廂的表面壓力，在涵洞和擋風墻的共同作用下，列車受力不均，以涵洞為界限，前半部分車廂表面壓力要大于后四節車廂表面壓力，這容易加重列車的不穩定性，影響行車安全。

（二）通過列車的空間流線分布可以得出：1.擋風墻對橫風起到了一定的阻擋作用；2.涵洞對氣流起到了抽吸作用，涵洞出口氣流對列車尤其是后四節車廂的周圍流場起到了較強的擾動作用。

（三）通過橫截面上的流線分布圖可以得出，氣流一部分通過涵洞，一部分繞過擋風墻，形成的渦系結構主要存在于兩個區域：列車與擋風墻之間、涵洞出口與地形之間。這兩個較大渦系的存在，會顯著影響列車的受力及運行穩定性。

（四）通過列車各部分的受力統計可以得出，列車受力主要有2個特點：1.后四節車廂升力顯著增大，升力過大會影響列車車輪與軌道的接觸力，嚴重時會導致脫軌、傾覆；2.列車側向力在四五六七節車廂顯著增大并且所受合力的方向發生改變，這意味著涵洞前和通過涵洞后流場發生了顯著的改變，導致列車受力不均衡，這種情況下會明顯影響列車的穩定性。

本文的仿真計算針對的是動車組中部通過該涵洞過渡段位置瞬時的情況，后續可以進行盡可能多時刻的仿真計算，通過這些靜態離散多時刻的仿真計算計算結果就能夠直觀的描述出動車組各個位置壓力分布隨時間變化的情況。這將為探索對過渡段防風效果進行統一評估的仿真計算方法提供良好的基礎。

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U292.91+4

A

2095-0438（2017）11-0149-04

2017-05-27

肖政（1993－），男，江西吉安人，華東交通大學土木建筑學院碩士研究生，研究方向：建筑與土木工程研究。

國家自然科學基金項目（編號：51048010）。

[責任編輯 鄭麗娟]