順向斜風(fēng)作用下橋面運(yùn)動(dòng)車輛氣動(dòng)特性試驗(yàn)研究

韓 旭 ，向活躍 ,2，李永樂 ,2

（1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué)風(fēng)工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都610031）

車輛高速運(yùn)行時(shí)，強(qiáng)風(fēng)作用對(duì)車輛安全性和舒適性的影響不容忽視.為了保證車輛在強(qiáng)風(fēng)作用下的安全性和舒適性，需要進(jìn)行風(fēng)-車-橋耦合振動(dòng)分析，分析的基礎(chǔ)是進(jìn)行車輛氣動(dòng)特性的測(cè)試，明確車輛的抗風(fēng)性能[1].

橋梁實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，受到的來流并非完全垂直于橋軸線.如，平潭海峽大橋的主要風(fēng)向角（風(fēng)與橋軸垂線的夾角）為10°～30°，大渡河大橋?qū)崪y(cè)和數(shù)值模擬得到的風(fēng)向角在45° 附近[2-3].在斜風(fēng)作用時(shí)，橋軸線方向?qū)⒂酗L(fēng)速的分量，當(dāng)車輛運(yùn)動(dòng)方向與此分量方向相同時(shí)，稱為順向斜風(fēng)，反之稱為逆向斜風(fēng).通常，逆向斜風(fēng)與車速合成后，會(huì)形成一個(gè)更小的風(fēng)偏角（合成風(fēng)速與橋軸線的夾角），可能對(duì)車輛的行車安全更不利[4].但車輛往返的概率相同，順向斜風(fēng)的作用也不容忽視.

車輛氣動(dòng)特性研究的風(fēng)洞試驗(yàn)方法主要有兩種類型：靜止車輛模型[5-7]和移動(dòng)車輛模型[8-10].采用風(fēng)洞試驗(yàn)，李永樂等[11-12]研究了垂直來流作用下的列車-橋氣動(dòng)特性；韓艷等[13-14]研究了橋面汽車的橫風(fēng)氣動(dòng)特性，但試驗(yàn)中均采用垂直來流，且車輛靜止；Suzuki等[15]研究了順向斜風(fēng)和逆向斜風(fēng)作用下橋面車輛的橫風(fēng)氣動(dòng)特性，結(jié)果表明氣動(dòng)特性呈對(duì)稱關(guān)系，但其車輛為列車的中間車，且車輛靜止；田紅旗[16]研究了列車（頭車、中間車和尾車）的在順向斜風(fēng)和逆向斜風(fēng)作用下的氣動(dòng)特性，結(jié)果表明，順向斜風(fēng)使列車空氣阻力驟降，逆風(fēng)使列車空氣阻力增加.由于結(jié)構(gòu)的繞流對(duì)車輛氣動(dòng)特性有一定的影響，向活躍等[17]采用移動(dòng)車輛模型風(fēng)洞試驗(yàn)的方法，研究了逆向斜風(fēng)作用下運(yùn)動(dòng)車輛的氣動(dòng)特性，并與垂直來流情況下運(yùn)動(dòng)車輛的氣動(dòng)特性進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明風(fēng)向?qū)鈩?dòng)力系數(shù)有一定的影響.

綜上，靜止車輛模型風(fēng)洞試驗(yàn)是一種較常用且較為成熟的方法，適用于定常氣動(dòng)力的測(cè)試，但對(duì)于橋面車輛在斜風(fēng)及設(shè)置風(fēng)屏障等特殊情況難以模擬真實(shí)的車輛與橋面相對(duì)運(yùn)動(dòng).而移動(dòng)車輛模型風(fēng)洞試驗(yàn)方法可較好地解決上述特殊問題，也能夠更真實(shí)地得到車輛氣動(dòng)特性.但現(xiàn)有的橋面車輛氣動(dòng)特性研究中，多是針對(duì)垂直來流情況[17]，對(duì)順向斜風(fēng)作用下移動(dòng)車輛氣動(dòng)特性的研究相對(duì)較少.

為考察順向斜風(fēng)作用下移動(dòng)車輛的氣動(dòng)特性，利用移動(dòng)車輛模型風(fēng)洞試驗(yàn)裝置[17]，測(cè)試了順向斜風(fēng)作用下移動(dòng)車輛的氣動(dòng)特性，討論了風(fēng)速、風(fēng)向角、風(fēng)屏障等因素對(duì)橋面車輛氣動(dòng)特性的影響.

1 風(fēng)洞試驗(yàn)

試驗(yàn)在西南交通大學(xué)的XNJD-3工業(yè)風(fēng)洞中進(jìn)行，風(fēng)洞的長(zhǎng)、寬、高分別為 36.0、22.5、4.5 m，最大風(fēng)速可達(dá)16.5 m/s.移動(dòng)車輛模型試驗(yàn)裝置由直線模組、伺服電機(jī)、橋梁和車輛模型等組成.直線模組最大長(zhǎng)度為10 m，有效行程為9.71 m，最大運(yùn)行速度為 10 m/s，最大加速度為 50 m/s2.直線模組的寬、高均為80 mm，材料為高強(qiáng)鋁合金，剛度較大，車輛模型較輕，運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的撓度較小.該裝置的正視圖、側(cè)視圖及安裝中的照片如圖1所示[17].圖中：U為來流風(fēng)速.

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.1 Test model diagram

該裝置中伺服電機(jī)直接安裝于直線模組上，通過模組內(nèi)的同步帶驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)移動(dòng).天平安裝于車輛模型內(nèi)，一端與車輛模型連接，另一端采用U型連接件安裝于滑臺(tái)之上.直線模組固定于支撐板上，該支撐板可調(diào)整高度.直線模組的尺寸相對(duì)較大，只能內(nèi)置于橋梁部.為保證車輛與橋面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，橋面開槽設(shè)置于橋面中心，并將橡皮條安裝于開口處，以減小橋面的開槽寬度.

車輛模型氣動(dòng)特性測(cè)試采用美國(guó)ATI公司生產(chǎn)的六分量天平，型號(hào)為Gamma IP68.受天平尺寸和縮尺模型內(nèi)部空間大小的影響，量程較大的垂直天平底座方向只能設(shè)置在順風(fēng)向，天平測(cè)力點(diǎn)并未在車輛模型的形心處，橫向和豎向距形心處的偏心分別為 3.75 cm 和 0.70 cm (圖1（b）).測(cè)試時(shí)，天平數(shù)據(jù)傳輸導(dǎo)線將與車輛模型一起在橋面運(yùn)動(dòng)，為保證車輛模型運(yùn)行的安全，風(fēng)屏障僅設(shè)置在迎風(fēng)側(cè).由于本文采用的橋梁模型為簡(jiǎn)支梁橋斷面，橋面常設(shè)置聲屏障（相當(dāng)于透風(fēng)率為0的風(fēng)屏障），加上多孔風(fēng)屏障難以保證幾何相似.因此，采用透風(fēng)率為0的風(fēng)屏障來研究其對(duì)車輛氣動(dòng)特性的影響，實(shí)際中的高度h分別為2.5 m和3.0 m.安裝時(shí)采用 L型角碼固定風(fēng)屏障（圖1（c）），使用膠帶粘結(jié)即可.

2 數(shù)據(jù)處理

由于采用的車輛模型長(zhǎng)度較短，氣動(dòng)力的三維效應(yīng)明顯.定義車輛的五分力系數(shù)如式（1）所示，車輛的氣動(dòng)力示意如圖2所示.

圖2 氣動(dòng)力的定義Fig.2 Definition of aerodynamic force

式中：CD、CL、CMx、CMy、CMz分別為側(cè)向阻力系數(shù)、升力系數(shù)、傾覆力矩系數(shù)、搖頭力矩系數(shù)和點(diǎn)頭力矩系數(shù)；Fz、Fy、Mx、My、Mz分別為側(cè)向阻力、升力、傾覆力矩、搖擺力矩和點(diǎn)頭力矩；ρ為空氣密度；H、B、L分別為車輛的高度、寬度和長(zhǎng)度；Uz=Ucosα為U在垂直于橋梁方向上的來流風(fēng)速分量；α為風(fēng)向角；β為風(fēng)速U與車速V合成的風(fēng)偏角，可表示為

需要說明的是，式（2）為順向風(fēng)作用下風(fēng)偏角，與逆向斜風(fēng)作用時(shí)的風(fēng)偏角相比有一定的差異.

U= 8 m/s，α= 30° 時(shí)車輛運(yùn)動(dòng)方向力Fx如圖3所示，對(duì)圖3（a）紅色虛線框中氣動(dòng)力時(shí)程求功率譜，如圖3（b）所示.由圖3（a）可知，車輛的運(yùn)動(dòng)過程具有較為明顯的加速、平穩(wěn)和減速特征，因此可根據(jù)運(yùn)動(dòng)方向的阻力來提取平穩(wěn)段的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行平均處理，得到平穩(wěn)段車輛的氣動(dòng)力.車輛運(yùn)動(dòng)過程中，軌道不平順等會(huì)引起車輛模型的振動(dòng)，頻譜分析得到振動(dòng)頻率約為17.3 Hz，噪聲會(huì)影響運(yùn)動(dòng)過程中特征的識(shí)別.為消除氣動(dòng)力中噪聲成分的影響，在提取數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)原始信號(hào)采用0～10 Hz的帶通濾波器進(jìn)行處理，濾波前后車輛的縱向阻力時(shí)程對(duì)比結(jié)果可參考文獻(xiàn)[17-18]，由此可以看出，濾波后氣動(dòng)力時(shí)程也具有較好的平穩(wěn)性，且能更好地區(qū)分車輛的運(yùn)動(dòng)過程，有利于截取平穩(wěn)段數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理.此外，對(duì)原始信號(hào)和濾波后的數(shù)據(jù)作平均處理，可以得到不同風(fēng)向角下的阻力系數(shù)，如圖4所示，可以看出：濾波后平均這種數(shù)據(jù)處理方式對(duì)氣動(dòng)力系數(shù)影響相對(duì)較小，因此后續(xù)結(jié)果分析中的氣動(dòng)力系數(shù)均是基于對(duì)氣動(dòng)力時(shí)程濾波后再平均處理得到的.

圖3 車輛氣動(dòng)力Fig.3 Aerodynamic forces of vehicle

圖4 濾波對(duì)阻力系數(shù)的影響Fig.4 Effects of the filter on drag coefficient

3 結(jié)果分析

3.1 風(fēng)速的影響

為了研究風(fēng)速對(duì)運(yùn)動(dòng)車輛氣動(dòng)特性的影響，分別針對(duì)8 m/s和10 m/s兩種風(fēng)速測(cè)試了不同車速條件下風(fēng)向角為30°、無(wú)風(fēng)屏障時(shí)車輛的氣動(dòng)力，得到移動(dòng)車輛在不同風(fēng)速下的五分力系數(shù)，如圖5所示.由圖5可知：由于車輛為鈍體模型，受雷諾數(shù)的影響較小，在不同風(fēng)速、不同車速但風(fēng)偏角相同時(shí)，車輛的側(cè)向阻力系數(shù)、升力系數(shù)、搖頭力矩系數(shù)和點(diǎn)頭力矩系數(shù)吻合較好；雖然傾覆力矩系數(shù)有一定的差別，但其數(shù)值較?。贿@表明本文測(cè)試方法是可行的.

圖5 不同風(fēng)速時(shí)的車輛五分力系數(shù)Fig.5 Five-component coefficients of vehicle in various wind speeds

由圖5還可以看出：側(cè)向阻力系數(shù)、升力系數(shù)和點(diǎn)頭力矩系數(shù)隨著合成風(fēng)偏角的增大而減小，但是傾覆力矩系數(shù)和搖頭力矩系數(shù)隨合成風(fēng)偏角的增大而增大.由于順向斜風(fēng)在車輛運(yùn)動(dòng)方向的分量存在，當(dāng)有較高車速時(shí)仍將獲得較小的風(fēng)偏角，在風(fēng)速和車速相同時(shí)，相比逆向斜風(fēng)作用時(shí)的風(fēng)偏角已明顯增大，說明順向斜風(fēng)對(duì)行車安全是相對(duì)有利的.此外，車輛氣動(dòng)特性并非以β= 90° 為對(duì)稱軸，這與靜止車輛模型試驗(yàn)[15]有一定的差異.式（1）中的氣動(dòng)力系數(shù)是按垂直于車輛模型方向的風(fēng)速來定義的，若按合成后的氣動(dòng)力系數(shù)來定義，則直接在式（1）的基礎(chǔ)上乘以sin2β即可.

3.2 風(fēng)向的影響

為研究風(fēng)向?qū)\(yùn)動(dòng)車輛氣動(dòng)特性的影響，針對(duì)垂直來流（α= 0）和斜風(fēng)來流（α= 30°）兩種風(fēng)向角工況，分別測(cè)試了不同車速條件下車輛的氣動(dòng)力，得到移動(dòng)車輛在不同風(fēng)向角時(shí)的五分力系數(shù)，結(jié)果如表1所示，此時(shí)風(fēng)速為8 m/s，風(fēng)向角為0時(shí)車輛的運(yùn)動(dòng)方向與斜風(fēng)情況相同.

央行影響強(qiáng)化與各國(guó)中央銀行、金融主管部門之間的聯(lián)系，積極主動(dòng)開展各項(xiàng)工作，建設(shè)雙邊金融協(xié)調(diào)合作機(jī)制。在經(jīng)過一段時(shí)間的發(fā)展后，再建立多樣化金融合作機(jī)制，強(qiáng)化協(xié)調(diào)，就“一帶一路”建設(shè)中的問題，通過強(qiáng)化溝通，能夠化解認(rèn)知偏差，及時(shí)緩解各種矛盾，以此推動(dòng)各國(guó)金融合作的有序開展。強(qiáng)化合作協(xié)調(diào)，應(yīng)當(dāng)遵循的原則包括：(1)爭(zhēng)取與更多的國(guó)家簽署雙邊監(jiān)管合作，完善諒解備忘錄。(2)建立、完善沿線國(guó)家的國(guó)幣跨境流動(dòng)統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)合作機(jī)制。(3)構(gòu)建雙邊金融風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)，完善金融風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)策略及制度，合理應(yīng)對(duì)危機(jī)，逐步形成完善、合理的金融危機(jī)處置交流合作機(jī)制。(4)建設(shè)獨(dú)立的金融信用活動(dòng)征信系統(tǒng)，保障信貸活動(dòng)的有序開展。

由表1可知，風(fēng)偏角相同時(shí)，兩種風(fēng)向角條件下車輛的五分力系數(shù)有一定的差異.其中，風(fēng)偏角為60° 時(shí)，在斜風(fēng)作用下兩種風(fēng)向角對(duì)應(yīng)的車輛升力系數(shù)差異較為顯著，隨著風(fēng)偏角的增加，升力系數(shù)間的差異變小，這可能是因?yàn)樾憋L(fēng)作用下風(fēng)偏角為60°時(shí)車速較高（車速為8 m/s）導(dǎo)致的.

表1 不同風(fēng)向時(shí)的車輛五分力系數(shù)Tab.1 Five-component coefficients of vehicle under different wind directions

此外，風(fēng)向角α= 0，β＞60° 時(shí)，車輛的阻力系數(shù)、升力系數(shù)、傾覆力矩系數(shù)和點(diǎn)頭力矩系數(shù)均變化較小.搖頭力矩系數(shù)隨風(fēng)偏角有一定變化，這可能是因?yàn)閾u頭方向的力矩作用點(diǎn)并非位于車輛的形心位置導(dǎo)致的.結(jié)合圖5，考慮順向斜風(fēng)的作用后（α= 30°），β＞60° 時(shí)，傾覆力矩系數(shù)和點(diǎn)頭力矩系數(shù)的數(shù)值已較小，但車輛的阻力系數(shù)、升力系數(shù)和搖頭力矩系數(shù)隨風(fēng)偏角仍有一定變化，這與垂直來流（α= 0）情況有較明顯的區(qū)別.

3.3 風(fēng)屏障的影響

為了減小車輛在大風(fēng)區(qū)運(yùn)行時(shí)受到的風(fēng)荷載，常在線路兩側(cè)設(shè)置風(fēng)屏障[19-20].為了研究風(fēng)屏障高度對(duì)運(yùn)動(dòng)車輛氣動(dòng)特性的影響，分別針對(duì)無(wú)風(fēng)屏障和高度風(fēng)屏障h= 2.5，3.0 m，測(cè)試了不同車速條件下車輛的氣動(dòng)力，移動(dòng)車輛的五分力系數(shù)如圖6所示.由于設(shè)置風(fēng)屏障后車輛的氣動(dòng)力較小，所以設(shè)置U= 10 m/s，α= 30°.

圖6 不同風(fēng)屏障高度時(shí)車輛的五分力系數(shù)Fig.6 Five-component coefficients of vehicle under different wind barrier heights

由圖6可見，設(shè)置風(fēng)屏障后，車輛阻力系數(shù)、升力系數(shù)、傾覆力矩系數(shù)和搖頭力矩系數(shù)均顯著的降低，風(fēng)屏障明顯改變了車輛氣動(dòng)力系數(shù)隨風(fēng)偏角的變化規(guī)律.由于風(fēng)屏障透風(fēng)率為0，受風(fēng)屏障回流的影響，車輛的阻力系數(shù)變?yōu)樨?fù)值，且車輛阻力系數(shù)的絕對(duì)值隨風(fēng)屏障高度增加而增加.

設(shè)置風(fēng)屏障后升力系數(shù)和3個(gè)方向的力矩系數(shù)數(shù)值均較小，為進(jìn)一步評(píng)價(jià)風(fēng)屏障的設(shè)置對(duì)車輛阻力系數(shù)的影響，采用設(shè)置風(fēng)屏障前后車輛阻力系數(shù)的比值來定義其變化率，如式（3）所示.

式中：γD為設(shè)置風(fēng)屏障后車輛阻力系數(shù)的變化率；CDW為設(shè)置風(fēng)屏障后車輛的阻力系數(shù).

γD= 0 時(shí)車輛阻力系數(shù)為 0，γD＜ 0 表示氣流繞過風(fēng)屏障后對(duì)車輛施加負(fù)阻力.

圖7給出了車輛阻力系數(shù)變化率隨風(fēng)偏角的變化規(guī)律.由圖7可見，車輛阻力系數(shù)變化率的絕對(duì)值隨風(fēng)屏障高度的增加而增加，隨風(fēng)偏角的增大而先增后減.這表明設(shè)置風(fēng)屏障后運(yùn)動(dòng)車輛阻力系數(shù)變化率在不同風(fēng)偏角情況下是有所差異的.由于車輛模型為鈍體，雷諾數(shù)效應(yīng)的影響有限，說明在順向斜風(fēng)作用下，風(fēng)屏障后運(yùn)動(dòng)車輛阻力系數(shù)變化率在不同的車速和風(fēng)速條件下是有差異的.僅以靜止車輛模型在垂直來流情況下來評(píng)價(jià)風(fēng)屏障設(shè)置對(duì)車輛阻力系數(shù)變化率的影響是不全面的.

圖7 阻力系數(shù)變化率Fig.7 Change rates of drag coefficients

4 結(jié) 論

采用移動(dòng)車輛模型風(fēng)洞試驗(yàn)裝置，針對(duì)縮尺比為1/20的車輛和橋梁模型，測(cè)試了風(fēng)向角為30° 時(shí)車輛順向移動(dòng)時(shí)的氣動(dòng)特性，討論了風(fēng)速、風(fēng)向和風(fēng)屏障等因素對(duì)橋面運(yùn)動(dòng)車輛氣動(dòng)特性的影響.得出以下結(jié)論：

1）風(fēng)偏角相同時(shí)，車輛的側(cè)向阻力系數(shù)、升力系數(shù)、搖頭力矩系數(shù)和點(diǎn)頭力矩系數(shù)在不同風(fēng)速下吻合較好，表明本文的測(cè)試方法是可行的.

2）側(cè)向阻力系數(shù)、升力系數(shù)和點(diǎn)頭力矩系數(shù)隨著合成風(fēng)偏角的增大而減小，傾覆力矩系數(shù)和搖頭力矩系數(shù)隨合成風(fēng)偏角的增大而增大.

3）車輛氣動(dòng)特性并非以風(fēng)偏角90° 為對(duì)稱軸.風(fēng)向不同時(shí)，相同風(fēng)偏角情況下車輛的升力系數(shù)和阻力系數(shù)有一定差異，其中對(duì)升力系數(shù)的影響最大，考慮風(fēng)向和車輛的運(yùn)動(dòng)方向是有必要的.

4）風(fēng)屏障能夠有效的改善車輛的氣動(dòng)特性，且明顯改變了氣動(dòng)力系數(shù)隨風(fēng)偏角的變化規(guī)律.風(fēng)屏障存在時(shí)阻力系數(shù)變?yōu)樨?fù)值，且絕對(duì)值隨風(fēng)屏障高度增加而增加.

5）設(shè)置風(fēng)屏障后，車輛阻力系數(shù)的變化率受到風(fēng)偏角、車速和風(fēng)速等條件的影響，且考慮車輛運(yùn)動(dòng)是必要的.