側風下橋上高速列車的氣動力特性研究

王希理， 張明祿

(西南交通大學力學與工程學院， 四川成都 610031)

隨著列車運營速度的提高,強風下高速列車的運行安全問題日益突出[1]。由于強風導致的列車脫軌傾覆事件在世界各個國家中均有發生[2-3]。高速列車在大風環境中運行時，列車運動引起的氣流和側風共同在列車表面產生壓力差。當壓力差過大時，將危及列車的行車安全性[4]。線路周圍地理形狀和建筑物能改變氣流的流動方向和流速大小[5-6]，列車在側風中的行車安全性與線路周圍環境有重要聯系。本文采用分析側風效應常用的合成風法進行數值模擬[7]，分析計算側風條件下列車在橋上運動時列車周圍的流場結構和氣動力分布情況。

1 數學模型

采用大渦模擬( LES) 的湍流模型[8-9]，大渦模擬就是建立一個數學濾波函數，將Navier-Stokes( N-S) 方程中尺度比濾波函數小的渦過濾掉，分離出大渦的運動方程，小渦對大渦的影響由亞格子應力體現。對于瞬時變量U包含所有湍流尺度，但通過濾波函數后就可以將其分解為式(1)。

(1)

經過濾波函數過濾非定常不可壓Navier-Stokes方程，得到大尺度脈動的控制方程為：

(2)

2 計算模型

2.1 計算工況

對于分析側風下高速列車的外流場，本文采用目前國內外通用的合成風法。即列車靜止不動，將外界側風風速(Vw)和與列車運行速度大小相等方向相反的風速(Vt)進行矢量合成組合風速(Vr)，各分量之間的關系(圖1)。

圖1 風向示意

2.2 計算模型

本文是以CRH2動車組為原型。完整的CRH2動車組列車由多節車廂共同組成，車身較長。如果對整列動車組進行流場和氣動力進行仿真計算，計算量會很大，這樣對計算機的要求較高，而比較難實現。由于動車組中間車廂橫截面相同，所以列車中部的流場結構和氣動力的變化都趨于穩定。因此，本文的計算模型采用3節車模型進行數值模擬。即頭車25.5 m、中間車25 m、尾車25.5 m，三節車廂組成長為76 m、寬為3.38 m、高為3.7 m的整車計算模型(圖2)。

圖2 計算模型示意

2.3 計算區域和計算網格

計算區域見圖3。其中橋面上方流場高50 m，橋面下方流場高10 m。

圖3 計算區域俯視(單位：m)

在劃分計算區域網格時由于列車頭部和尾部曲面比較復雜，所以列車周圍內部區域用非結構網格劃分(圖4)，外部區域用結構化網格，網格總數約為986×104個，內部區域和外部區域通過Interface面插值傳遞數據；這樣既能控制網格數量又能一定程度上保證計算速度和計算結果的準確性。

圖4 列車周圍內部區域網格

3 計算結果分析

3.1 側風下在橋上運行的高速列車流場結構

采用合成風的方法對高速列車的外流場和氣動力進行了仿真計算。計算了側風為30 m/s，時速為250 km/h的高速列車在在橋上的運行狀態。圖5是列車在橋上運行時流場的總壓等值面顯示的旋渦位置和形態。從圖5中可以看到列車在橋上側風條件下運行時，也會在列車背風側產生4個渦(1渦、2渦、3渦、4渦)，在車身背風側的橋面下也會由于橋梁結構的影響，從前往后產生個多個旋渦。

圖5 橋上列車總壓等值面旋渦示意

從圖5中可以看見側風條件下列車在橋面運行時，橋面結構引起多個旋渦，列車背風側會產生4個旋渦和尾部2個尾渦。

從圖6中可以發現列車背風側的1渦產生在列車的頂部，橋面結構下沿背風側的2個渦向右上方偏移。

圖6 橋上距車頭10 m處截面總壓

從圖7中可以發現在距車頭64 m處，橋面列車的3渦在列車的頂部形成并開始脫離列車表面，1渦、2渦脫離列車表面向右偏移，尾車背風側由橋面結構引起的渦在1渦作用下開始向橋面移動。

圖7 橋上距車頭64 m處截面總壓

從圖8可以發現在距車頭73 m處，橋面列車的3渦脫離列車的頂部，在列車尾部上沿開始產生4渦，尾車背風側由橋面結構引起的渦上移到橋面上與1渦開始相互作用。

圖8 橋上距車頭73 m處截面總壓

對整體流場結構進行分析，發現側風條件下，橋面運行列車背風側有橋面結構引起的旋渦與列車引起的旋渦之間的相互作用(1渦與橋面結構引起的卷上橋面的渦的相互作用)，也有列車引起的3渦與4渦之間的相互作用。

此外還計算了列車時速250 km/h，側風速度為28 m/s和25 m/s時列車在橋上的運行狀態，也可得到相同流場結構，在列車背風側也會產生4個旋渦，只是由于側風速度不一樣，列車背風側渦脫的位置有所差別。

3.2 側風下高速列車在橋上運行的氣動力特

圖9顯示的是側風速度為30 m/s，列車以250 km/h的時速在橋上運行時整車所受側力隨時間的變化；從圖9中可以看出側風條件下列車在橋上運行時列車的側力是波動的；側風下列車在橋上運行的側力平均值為191 990.15 N，最大波動幅值為214 39.32 N。分別分析各節車廂的側力，發現列車頭車和中間車側力波動較小，尾車側力波動最大。

圖9 整車側力隨時間變化

圖10顯示的是側風速度為30 m/s，列車以250 km/h的時速在橋上運行時尾車所受側力隨時間的變化；從圖10中可以看出側風條件下列車在橋上運行時的尾車側力波動很大；側風下列車在橋上運行的尾車側力平均值為40 134.26 N,最大波動幅值為14 216.54 N。

圖10 尾車側力隨時間變化

從圖5中整體來看側風條件下列車在橋上運行時，列車背風側的旋渦渦系非常復雜，列車在橋面運行時頭車和中間車背風側產生的兩個渦比較穩定，所以頭車和中間車側力波動較小。尾車背風側由橋面結構引起的一個渦會在1渦的作用下卷上橋面，圖5和圖8中也可看出1渦和尾車背風側由橋面結構引起的卷上橋面的渦也發生交叉融合；從圖5中可以看到2渦脫離列車后會向下偏移至橋面邊緣發生衰減破裂；且在橋上運行時3渦和4渦會相互交叉最后合成一個渦，進而還會與一個尾渦相互作用。以上三種情況就引起了側風下橋上運行列車尾車背風面壓力的振蕩，從而使得列車尾車側力劇烈振蕩，進而引起整車側力的大幅振蕩。側風速度為28 m/s和25 m/s時均能得到相同結論。

4 結論

研究的3車模型來說，側風條件下列車在橋上運行時，列車背風側的流場有列車頂部和底部卷起形成的4個旋渦渦系；橋梁結構會前后依次引起有多個旋渦渦系。旋渦的破裂和旋渦之間的相互交叉融合造成了列車側力的大幅振蕩。