橫風環境下明線運行列車氣動特性分析*

馬天放，趙 潔，張旭平

(1.大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028；2.大連交通大學 機車車輛工程學院，遼寧 大連 116028)

0 引言

列車運行安全性不僅需要在車速的持續增加下得到保證,也要在強橫風環境下得到保證[1]。因此,早期進行列車空氣動力學研究時,重點研究對車體形狀改變或者優化,從而使得空氣阻力減小[2]。此外,經濟性要求、乘客的舒適性要求、環境性要求成為研究高速列車空氣力學的主要問題[3]。“橫風”給高速列車帶來各種影響,列車氣動阻力、升力以及側向力均急劇上升,對列車運行過程中的平穩性造成惡劣影響,尤其側向力過高,將會導致列車發生傾覆、越軌甚至傷亡事故[4],對安全運輸和人員財產造成嚴重損失[5]。一旦列車行駛速度大于200 km/h,橫風速度大于30 m/s,列車出現傾覆和越軌概率變大[6]。因此,深入研究橫風環境下列車氣動特性很有必要。

1 計算設置

1.1 物理模型

高速列車結構復雜且細長,直接對全車進行數值模擬及分析需要高性能計算機,而且消耗大量研究人員的工作成本。因此,本文選用3輛編組的某列車模型(如圖1所示)為研究對象,三輛編組列車具體構成為頭車(25.6 m)+中車(25.0 m)+尾車(25.6 m),整車編組為76.2 m,車體高度為3.92 m,車體寬度為3.2 m,列車模型忽略了車門、車窗、車門把以及受電弓等細小連接件,保留了簡化的列車轉向架和空調導流罩。

圖1 列車模型

1.2 計算區域

在不影響車輛周圍流體流動的前提下,選取了合適的外流場區域,并被放置在長方體的某個位置。為更好地模擬風洞和道路試驗工況、消除邊界效應的影響、使阻塞率在5%以下,確定計算區域如圖2和圖3所示,長方體區域長380 m、寬200 m、高60 m,列車頭車鼻尖處距離入口100 m。

圖2 列車橫向截面示意圖

圖3 列車縱向截面示意圖

1.3 邊界條件與網格劃分

(1) 入口:以計算域入口和迎風側截面為速度入口。

(2) 出口:以計算域出口和背風側截面為壓力出口。

(3) 車體:采用靜止無滑移壁面。

(4) 地面:采用靜止無滑移壁面。

(5) 頂面:采用對稱邊界條件。

為保證真實模擬列車運行中周圍空氣流動,本文所劃分列車非結構網格總數約為四百萬,使用四面體網格填充劃分計算域,網格分布如圖4所示。

圖4 空間域網格模型

1.4 數值計算方法驗證

文中列車以300 km/h速度運行,馬赫數不大于0.3,對流項采用二階迎風格式離散,選取三維定常不可壓縮雷諾時均N-S方程和黏性項中心差分格式,湍流方程為標準k-ε兩方程進行數值求解。本文在列車車體設置監測點,模擬列車明線環境下無側風運行,車速為216 km/h工況下,風洞試驗[7]數據與Fluent數值模擬數據相比較,得到監控點壓力系數對比曲線如圖5所示。從圖5中數據可以看出:利用Fluent得到的監測點壓力系數與風洞試驗結果吻合較好,整體誤差不超過10%;個別監測點壓力系數與風洞試驗值誤差較為明顯。分析造成誤差的主要原因可能是由于對模型的簡化程度不同所導致的,另外數值計算過程中所選取的監測點與風洞試驗中設置的監測點位置存在誤差,也是引起兩者數據存在誤差的原因。圖5可以說明Fluent軟件對高速列車明線運行外流場的數值模擬結果可靠準確。

圖5 監測點壓力系數對比曲線

2 計算結果分析

列車空氣動力學中,與列車前進方向呈90°夾角的側向來風被定義為橫風,橫風對運行中的列車有較大影響,特別是在高車速、大橫風條件下,列車的行駛穩定性和安全性遭受到很大的威脅。因此,本文對車速300 km/h,橫風速度分別在13.8 m/s、17.1 m/s、20.7 m/s、24.4 m/s和28.4 m/s下明線運行的列車進行氣動特性研究,其中包括對列車氣動力大小、表面壓力分布和周圍流場分布的研究。

圖6、圖7和圖8分別為車速一定時,列車在不同橫風速度下氣動升力、氣動阻力和側向力變化折線圖。從圖6中可知:列車頭車氣動升力隨著橫風速度的增大而增大,且增幅明顯,頭車在28.4 m/s風速下氣動升力是在13.7 m/s風速下的4.2倍;中車和尾車氣動升力則是隨著風速的增大先增大后下降的趨勢,在20.7 m/s風速下達到氣動升力極值。從圖7中可知:頭車氣動阻力隨橫風速度增大而降低,在28.4 m/s風速下比13.8 m/s風速下下降了38.8%;中車氣動阻力與尾車氣動阻力與橫風速度成正比例遞增,橫風速度從13.7 m/s增長到28.4 m/s,中車和尾車氣動阻力分別增長了62.1%和52.1%。從圖8中可知:頭車、中車和尾車的側向力均隨著橫風速度的增大而增大,頭車受到的側向力最大,在28.4 m/s風速下比13.8 m/s風速下高出了157.1%。

圖6 列車氣動升力

在風速20.7 m/s工況下對列車周圍流場進行分析,圖9、圖10分別為頭車中部、中間車空調倒流罩處、尾車中部三個位置截面壓力云圖和外流場流線圖。由圖9可知:頭車與中間車迎風側都是正壓力,背風側多數是負壓力,而正負壓相差很大,頭車斷面上正壓力區的明線比中間車與尾車的大,從而使頭車所受側向力達到最大值,增加了頭車側翻概率;尾車迎風側與背風側大部分區域處于負壓狀態,壓差較低,所受側向力最小。從圖10中可以看出:在橫風的環境中列車迎風側沒有漩渦產生,而背風側產生漩渦,漩渦沿著車身方向向后發展、延伸、融合并產生新的漩渦,一般漩渦所在的位置負壓也相對較大。

圖9 風速20.7 m/s下各截面壓力云圖

圖10 風速20.7 m/s下各截面流線圖

3 結論

(1) 當車速保持不變時,隨橫風速度的增加,列車各車廂所受到的側向力迅速增大,頭車受到的側向力始終最大,中車和尾車則相對較小。

(2) 車速相同時,伴隨著風速的增大,頭車所受氣動阻力減小,中車和尾車氣動阻力升高;當風速小于20.7 m/s時,中間車所受氣動升力最大,當風速大于20.7 m/s時,頭車所受到氣動升力最大。

(3) 在橫風環境下明線運行的列車,背風側會不斷產生漩渦,并沿著車身向后發展、延伸、融合。