側風下列車進出路塹的氣動特性研究

基于三維的非定常不可壓縮N-S方程，k-e湍流模型，采用有限體積法，研究了列車在25 m/s的側風作用下，以300 km/h的速度進出路塹的空氣動力學特性。結果表明，列車在進入路塹前，除了升力，頭車的多數氣動指標最大。進入路塹后，多數的氣動指標會下降，其中頭車的變化最為明顯，因此頭車的安全性是最差的。列車出路塹時，氣動指標又回到進入路塹前的水平。

高速列車； 側風； 路塹； 空氣動力學

U216.41+3A

鐵路與公路鐵路與公路

［定稿日期］2023-02-07

［作者簡介］羅輯（1994—），男，在讀碩士，研究方向為空氣動力學；張明祿（1979—），男，博士，副教授，研究方向為空氣動力學。

0" 引言

高速列車在通過強風地區時，列車受到的各種氣動力和氣動力矩會顯著增強，進而增加列車傾覆和脫軌的風險。而在新疆這種強風多發的地區，鐵路的安全事故發生也是最為頻繁的［1］。為了提高列車行駛的安全性，一方面可以讓列車在強風地區適當降速，另一方面，修建一些基礎設施，如風障、擋風墻［2］、防風林和路塹［3］等也是常用的方法［4］。

1" 計算模型

本次研究采用的列車模型是CRH2動車組。為了降低計算資源，將列車編組縮短成了三段，分別是25.5 m長的頭車和尾車，25 m長的中間車。同時忽略了轉向架和受電弓等復雜的結構（圖1）［5］。

2" 計算域及邊界條件

列車所在的計算域寬和高都為5 m。列車初始位置離路塹120 m。路塹的高度是4.8 m，坡度為3∶4，路塹與平地交界處的坡度為1∶1。側視圖的右側邊界為速度入口，速度大小為25 m/s。速度入口的對面設為壓力出口。速度入口的兩側及頂部設為對稱邊界。列車計算域與外流場計算域的交界面設為interface。列車計算域的列車的前面和后面的邊界都設為壓力出口。其余的邊界則都設為固定壁面（圖2～圖4）。

3" 網格劃分

所有的計算域都使用結構網格進行網格劃分，最終列車計算域網格為250萬左右，外流場計算域網格為1000多萬（圖5）。

4" 計算方法

本次計算采用可實現的k-e湍流模型。同時，用滑移網格模擬列車的運動，列車速度300 km/h，側風風速25 m/s，列車位于迎風側線路。為了提高計算的收斂性，先進行穩態計算，讓列車靜止，并讓列車風吹一定的計算步數，待殘差和列車周圍流場穩定，再進行瞬態計算，讓列車動起來。列車中間車的偏航力矩的取矩的軸線是中間車的中部位置的豎直向上方向的軸線，頭車和尾車取矩的軸線都是沿著列車行進方向，距離中間車中部位置25 m的豎直向上方向的軸線。

5" 計算結果

5.1" 列車的側力的變化

由圖6可知，列車進入路塹之前，頭車側力最大，中間車次之，尾車的最小，方向是負的。列車進入路塹后，頭車的側力先降到最低值，然后在上升一定水平，再降低一定的水平，再穩定；出路塹時，側力先降低到最低值，再上升到與進入路塹前相同的大小。中間車進入路塹后，側力直接降低到一定水平，再變得穩定；出路塹時，側力直接上升到進入路塹前的大小并變得穩定。尾車進入路塹后，側力先降到最低，再恢復到與進入路塹前相同的值；出路塹時，側力先上升到最高，再恢復到之前穩定的大小。

鐵路與公路羅輯， 張明祿： 側風下列車進出路塹的氣動特性研究

5.2" 列車的升力的變化

由圖7可知，列車進入路塹前，尾車升力最大，頭車次之，中間車的升力最小。進入路塹后，三節車廂的升力都變小了，其中頭車的升力變成了負的。出路塹時，頭車的升力先降低到波谷，再上升到進入路塹前的水平，中間車和尾車的升力都上升到進入路塹前的水平。

5.3" 列車的傾覆力矩的變化

由圖8可知，列車駛入路塹前，頭車的傾覆力矩最大，中間車次之，尾車的最小。頭車和中間車的傾覆力矩的變化規律和側力的變化規律相似。進入路塹后，尾車的傾覆力矩先降低到最小值，再上升到一個穩定的值。出路塹時，尾車的傾覆力矩先上升到波峰，再下降，再上升到進入路塹前的水平。

5.4" 列車的偏航力矩的變化

由圖9可知，列車進入路塹前，頭車偏航力矩最大，尾車次之。不管列車在平地或在路塹，中間車偏航力矩都接近0，因為在同種路況下，列車中間車在沿列車行進方向各處空氣動力學特性幾乎相同，這驗證了縮短列車編組合理性。列車進入路塹后，頭車偏航力矩先降低到波谷，再上升，再降低到一定水平；中間車偏航力矩先下降到波谷，再上升，再輕微下降到接近0；尾車偏航力矩則是直接下降到一定水平再變得比較穩定。列車出路塹時，頭車偏航力矩是先下降到波谷，再上升到波峰，再下降到進入路塹前的水平；中間車則是先上升到波峰，再下降到接近0；尾車則是直接上升到進入路塹前的水平后再穩定。

6" 結論

在側風下，列車進入路塹后，多數列車氣動力和氣動力矩會明顯下降，其中頭車變化最為明顯，因此頭車安全性最差。

參考文獻

［1］" 徐剛. 蘭新鐵路擋風墻過渡地段流暢特性研究及優化［D］. 長沙： 中南大學， 2010.

［2］" 李田， 張繼業， 張衛華. 橫風下高速列車通過擋風墻動力學性能［J］. 鐵道學報， 2012， 34（7）：6.

［3］" 王嬌， 杜禮明. 突變風作用下路塹深度對高速列車氣動性能影響［J］. 大連交通大學學報， 2022（1）：43.

［4］" SUN Z， DAI H， HEMIDA H， et al. SAFETY OF HIGH-SPEED TRAIN PASSING BY WINDBREAK BREACH WITH DIFFERENT SIZES［J］. VEHICLE SYSTEM DYNAMICS， 2019（1）：1-18.

［5］" 王希理， 張明祿. 側風下橋上高速列車的氣動力特性研究［J］. 四川建筑， 2019（2）：3.