沙塵環境下高速列車氣動特性分析

文恒 于夢閣 盛旭高 殷碩

摘要：? 為研究沙塵環境下高速列車明線運行時的氣動特性，基于剪切應力傳輸模型SST k w雙方程湍流模型和拉格朗日離散相模型，與無沙環境下的高速列車氣動特性進行比較，計算分析不同沙粒濃度、不同車速下的高速列車氣動特性。計算結果表明：沙塵環境下，當車速一定時，列車整車氣動阻力、頭車氣動阻力、尾車氣動阻力均隨沙粒濃度增加而逐漸增大，且與沙粒濃度近似呈線性關系;對于氣動升力，當車速一定時，頭車氣動升力絕對值隨沙粒濃度的增加而增大，尾車氣動升力隨車速的增加而降低。該研究成果可為高速列車在沙塵環境中的運行安全提供理論參考。

關鍵詞：? 高速列車; 沙粒濃度; 氣動特性; 氣動阻力; 氣動升力

中圖分類號： U271.91; U270.1+1? 文獻標識碼： A

近幾年，隨著科學技術的不斷進步，國家加快鐵路網建設，驅動區域經濟地協調發展。蘭新高鐵穿越我國西部高寒風沙區域，由于蘭新高鐵線路的特殊性，列車途經的百里風區、三十里風區是內陸大風天氣頻發的地區之一，時常會引發大風災害性氣象[1 3] ，強風地區大多缺少植被覆蓋，地表裸露，而風速又往往遠遠大于起沙風速，因此地表的沙粒在大風的作用下撞擊動車組，使得高速列車的氣動特性明顯變差[4] 。沙塵環境屬于多相流中的氣 固兩相流問題，多采用歐拉 歐拉模型和歐拉 拉格朗日模型進行模擬計算。歐拉 歐拉模型主要描述兩相的運動，用于高濃度離散相的問題;歐拉 拉格朗日模型適用于離散相的體積分數在10%～12%以下的問題[5] ，而且關注離散相的運動軌跡。C.Paz等人[6] 采用歐拉 拉格朗日方法研究了高速列車在沙塵環境中的運行安全性;熊紅兵等人[7] 研究了沙塵暴環境下高速列車運行時的氣動特性;李田等人[8] 采用歐拉 歐拉方法研究了不同沙塵暴環境下高速列車的動力學性能;倪守隆[9] 采用歐拉 歐拉方法研究確定了高速列車在沙塵暴環境下運行的安全域;高琛光[10] 采用歐拉 拉格朗日方法研究了不同風速、不同風向、頭尾中間車設備艙的流動特性。王洪濤等人[11] 通過實驗研究了近地面的沙粒體積分數隨高度的變化，實驗結果表明，即使是風速很高，但在接近地面處，沙粒相所占的體積分數也只是在10-4 量級，在很靠近沙床表面時，沙子的濃度隨風速變化不大，沙粒在空氣中所占的體積分數在10-4 量級以下，遠小于10%，因此本文選用歐拉 拉格朗日模型進行研究。經過以上分析，目前國內外關于高速列車在沙塵環境下的空氣動力學研究正處于起步階段，以往的研究所采用的沙粒濃度也相對較低，本文應用歐拉 拉格朗日方法建立沙塵環境下高速列車空氣動力學計算模型，開展沙塵環境下高速列車的空氣動力學計算，研究車速、沙粒濃度對高速列車空氣動力學性能的影響。

1 計算模型

一般情況下，高速列車明線運行時，其外部流場為不可壓縮的定常流[12 13] ，工程中的流場計算多是采用基于雷諾時均方法的湍流模型，因此，高速列車繞流流場控制方程為定常不可壓縮雷諾時均Navier-Stokes方程，質量以及動量守恒方程分別為[14]

j xj =0 （1）

ρ? j i? xj =-? xi +? ij xj +? xj? -ρu′i u′j? -Mi? （2）

式中， j為氣流速度在j方向的時間平均值;xj為j方向的坐標，ρ為氣體密度;ui為i方向氣流的速度;xi為i方向的坐標;p為壓強;u′i 為i方向氣體湍流脈動速度;ui 為氣流速度在i方向的時間平均值;uj為j方向氣流的速度;u′j 為j方向氣體湍流脈動速度; 為氣體壓力的時間平均值; ij 為黏性應力張量的時間平均值;-ρu′i u′j? 為雷諾應力;Mi為相間動量交換第i個分量。

本文研究高速列車在沙塵環境中運行所引起的空氣流動屬于湍流流動，進行數值計算時湍流模型多種多樣，本文選取的剪切應力傳輸模型（shear stress transfer，SST）廣泛應用于在高速列車的空氣動力學計算中[15 18] ，具有比較高的精度，其表達式為

κ i xi =? xj Γκ κ xj +Gκ-Yκ （3）

ρ? ω i xi =? xj Γω ω xj +Gω-Yω+Dω （4）

式中，Γκ和Γω、Yκ和Yω分別為κ和ω的擴散率和湍流耗散項;Gκ為κ的湍流生成項;Gω為ω的湍流生成項;Dω為交叉擴散項。

應用歐拉 拉格朗日方法建模時，假設沙粒是球形的，且不會發生變形，只考慮空氣阻力和重力的作用，沙粒之間的相互作用不予考慮，在歐拉 拉格朗日參考框架下，沙粒運動方程為

duΡi dt = 18μ ρΡ d2Ρ? cReΡ 24 ui -uΡi + gi ρΡ -ρ ρΡ? （5）

式中，uΡi 為沙粒速度第i個分量;t為時間;μ為動力黏度;ρΡ為沙粒密度;dΡ為沙粒粒徑;c為沙粒曳力系數;ReΡ為相對雷諾數;gi為重力加速度第i個分量。

2 數值模型及邊界條件設定

2.1 計算區域及邊界條件

依照中國鐵路某高速列車（china railway high-speed，CRH）的幾何外形，建立高速列車三維幾何模型，采用頭車 中間車 尾車構成的3節車編組模型，其中頭車26.5 m，中間車25 m，尾車26.5 m，整車78 m，寬

3.38 m，高3.7 m。對列車進行簡化，保留擋風板，忽略轉向架、門把手、受電弓等細部特征[19] 。本文CFD計算是模擬風洞吹風的方式，在計算域流場中，假設列車靜止不動，在列車前側計算域入口設置大小等于速，方向與車速相反的來流風速，沙塵入射面選為計算區域前端入口。連續相邊界條件為：列車前側計算區域設置為速度入口，列車后側計算區域設置為壓力出口，計算區域底面及列車表面采用無滑移壁面條件。離散相邊界條件為：地面邊界條件設置為trap，列車壁面邊界條件設置為reflect，入口和出口邊界條件均設置為escape。沙塵環境計算區域及邊界條件如圖1所示，列車鼻尖距離計算域左側為110 m，距離計算域右側為290 m。

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Analysis of Aerodynamic Characteristics of High-Speed Trains in Sand and Dust Environment

WEN Heng， YU Mengge， SHENG Xugao， YIN Shuo

（School of Electromechanic Engineering， Qingdao University， Qingdao 266071， China）

Abstract：? In order to study the aerodynamic characteristics of high-speed trains in the open environment under sand and dust environment， based on the SST k w double equation turbulence model and Lagrangian discrete phase model， the aerodynamic characteristics of high-speed trains in a non-sand environment are compared， and different sand concentrations are calculated and analyzed. The calculation results show that： in a dust environment， when the speed of the trainis constant， the aerodynamic resistance of the entire train， the aerodynamic resistance of the first car， and the aerodynamic resistance of the tail car gradually increase with the increase of the sand concentration. It is approximately linearly related to the concentration of sand particles; for aerodynamic lift， when the vehicle speed is constant， the absolute value of the aerodynamic lift of the head car increases with the increase of the concentration of sand particles， and the aerodynamic lift of the tail car decreases with the increase of the speed of the car. The aerodynamic characteristics of high-speed trains deteriorate. The research results provide a reference for the safe operation of high-speed trains in dusty environments.

Key words： high-speed train; sand particle concentration; aerodynamic characteristics; aerodynamic resistance; aerodynamic lift