熊小慧，梁習(xí)鋒，金琦

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橫風(fēng)作用下鐵路貨車篷布?xì)鈩?dòng)力數(shù)值模擬計(jì)算

熊小慧，梁習(xí)鋒，金琦

(中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙，410075)

基于三維、不可壓、定常Navier-Stokes方程和?雙方程湍流模型，采用零厚度壁面模擬貨車篷布，建立橫風(fēng)作用下篷布內(nèi)外空間三維流場(chǎng)計(jì)算模型，對(duì)鐵路貨車D型篷布所受氣動(dòng)升力進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算；分析貨車在大風(fēng)地區(qū)運(yùn)行時(shí)，橫風(fēng)風(fēng)速、貨物裝載高度、貨物裝載形狀以及貨物沉降對(duì)其氣動(dòng)力的影響，得到篷布在不同工況下所受氣動(dòng)載荷。研究結(jié)果表明：當(dāng)列車速度一定時(shí)，篷布所受到的氣動(dòng)升力系數(shù)近似與橫風(fēng)風(fēng)速成正比；篷布所受氣動(dòng)升力隨著貨車裝載高度的增加而顯著增加，超車幫為0.75 m時(shí)篷布受到的升力系數(shù)比超車幫為0.45 m時(shí)大28%；超車幫裝載(圓弧頂)時(shí)，篷布受到的氣動(dòng)升力系數(shù)比不超車幫裝載(三角型頂)時(shí)大28.3%；當(dāng)篷布和貨物之間間隙處于0.02~0.12 m之間時(shí)，隨間隙增大，篷布所受氣動(dòng)升力增大，間隙為0.12 m時(shí)的篷布?xì)鈩?dòng)升力系數(shù)比間隙為0.02 m時(shí)大14.5%；數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)誤差7.1%，證明了數(shù)值計(jì)算方法的正確性。

貨車；篷布；橫風(fēng)；氣動(dòng)升力；數(shù)值模擬

貨車篷布是鐵路貨車輔助用具，用于苫蓋敞車裝運(yùn)的怕濕、易燃貨物和其他需要苫蓋的貨物，在鐵路貨運(yùn)中具有重要的地位。長(zhǎng)期以來，由于我國(guó)鐵路貨運(yùn)集裝化程度不高，棚車數(shù)量相對(duì)有限，大部分貨物(如糧食、化肥等)運(yùn)輸都是采用敞車苫蓋篷布的運(yùn)輸方式。當(dāng)貨車篷布在大風(fēng)地區(qū)運(yùn)行時(shí)，篷布、篷布繩索和篷布繩網(wǎng)受到的氣動(dòng)力增大，經(jīng)常出現(xiàn)篷布和篷布繩索脫落的現(xiàn)象，造成信號(hào)設(shè)施損壞及人身傷亡，在我國(guó)多次出現(xiàn)因篷布繩索脫落打傷、打死正在潦望的機(jī)車乘務(wù)員和接車的車站助理值班員的重大安全事故[1?4]；同時(shí)，篷布、篷布繩索和篷布繩網(wǎng)容易造成貨物濕損和被盜，甚至引起火災(zāi)，嚴(yán)重影響貨物安全及鐵路運(yùn)輸形象；當(dāng)貨車在電氣化鐵路線上運(yùn)行時(shí)，篷布、篷布繩網(wǎng)脫落還會(huì)造成接觸網(wǎng)受損的重大行車事故。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)大風(fēng)環(huán)境下客運(yùn)列車氣動(dòng)性能研究較多[5?12]，但對(duì)于貨車篷布空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬計(jì)算問題研究很少。為此，本文作者對(duì)橫風(fēng)作用下篷布空氣動(dòng)力性能進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分析貨車在大風(fēng)地區(qū)運(yùn)行時(shí)，橫風(fēng)風(fēng)速、貨物裝載高度、貨物裝載形狀以及貨物沉降對(duì)其氣動(dòng)力的影響，得到篷布在橫風(fēng)作用下所受氣動(dòng)載荷，以便為制定我國(guó)貨車篷布相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提供參考。

1 控制方程、計(jì)算模型、計(jì)算區(qū)域、邊界條件及網(wǎng)格劃分

1.1 控制方程

美國(guó)Fluent公司推出的大型商用流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算軟件Fluent6.0是一個(gè)具有強(qiáng)大功能的流體計(jì)算軟件，采用目前應(yīng)用最廣泛又較成熟的有限體積法對(duì)方程求解。采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成技術(shù)對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散，并生成混合網(wǎng)格，其自適應(yīng)功能非常強(qiáng)，能對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)分和粗化。由于采用了多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，F(xiàn)luent能達(dá)到最佳的收斂速度和求解精度。Fluent6.0提供了多種湍流模型[13]，這里選取工程上應(yīng)用較廣的?雙方程模型。描述列車周圍空氣流動(dòng)的控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和湍流模型方程控制方程具體形式見文獻(xiàn)[13]。

1.2 計(jì)算模型

為了保證數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性和計(jì)算機(jī)資源的有效利用，對(duì)敞車計(jì)算模型進(jìn)行如下簡(jiǎn)化：省略車輛細(xì)微結(jié)構(gòu)如車鉤等裝置；采用四車聯(lián)掛(機(jī)車和3節(jié)苫蓋篷布敞車)。篷布采用D型鐵路篷布(其長(zhǎng)×寬為15.0 m×5.3 m)。為模擬篷布內(nèi)外表面空氣的流動(dòng)情況，采用零厚度壁面單元模擬篷布，忽略篷布與空氣之間的流固耦合效應(yīng)，具體計(jì)算模型示意圖見圖1~4。

圖1 貨車編組計(jì)算模型示意圖

圖2 篷布計(jì)算模型示意圖

圖3 貨車和篷布計(jì)算模型示意圖

圖4 敞車篷布計(jì)算模型局部圖

1.3 計(jì)算區(qū)域和邊界條件

在仿真計(jì)算中，一般采取有限計(jì)算域來代替無限計(jì)算域，計(jì)算區(qū)域的確定應(yīng)考慮到氣流繞流和流場(chǎng)的充分發(fā)展，計(jì)算域直接影響到計(jì)算結(jié)果的可信程度。但對(duì)于不同類型的計(jì)算對(duì)象，其計(jì)算域不能一概而論，需要具體問題具體對(duì)待。文中計(jì)算域采取試算分析的方法確定。對(duì)于計(jì)算域的選取，試算方法不失為一種有效的方法。

當(dāng)模擬苫蓋篷布貨車在大風(fēng)區(qū)域運(yùn)行時(shí)，模型長(zhǎng)度方向尺寸的選取則是使計(jì)算區(qū)域下游邊界盡可能遠(yuǎn)離列車尾部，以避免出口截面受到列車尾流的影響，便于出口邊界條件的給定；寬度需避免阻塞效應(yīng)影響；計(jì)算區(qū)域的長(zhǎng)度為400 m，寬度為300 m，高度為80 m，如圖5所示。

圖5 數(shù)值計(jì)算區(qū)域

采用合成風(fēng)方法進(jìn)行模擬計(jì)算，通過給定計(jì)算區(qū)域入口速度的方法綜合考慮列車運(yùn)行速度與風(fēng)速的影響。入口和為速度入口條件；出口和為壓力出口，靜壓為0 Pa；地面(即面)給定滑移邊界條件，方向與車速方向相反，大小相等，以體現(xiàn)與列車之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。流域的頂面與兩側(cè)面以及車體表面給定光滑的無滑移壁面邊界條件。

1.4 計(jì)算網(wǎng)格

采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散。車體靠近壁面的網(wǎng)格要求較小，而遠(yuǎn)離車體部分的網(wǎng)格則采用稀疏網(wǎng)格，密網(wǎng)格和稀疏網(wǎng)格之間以一定的增長(zhǎng)因子均勻過渡，這樣既保證精度要求，又減小計(jì)算量，并加快收斂速度。車體表面單元為三角形網(wǎng)格，考慮到貨物沉降后對(duì)篷布?xì)鈩?dòng)力的影響，計(jì)算模型中篷布與貨物之間存在間隙，此區(qū)域網(wǎng)格較密，計(jì)算模型總網(wǎng)格數(shù)為160萬左右。篷布敞車網(wǎng)格如圖6所示。

圖6 篷布敞車網(wǎng)格圖

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 橫風(fēng)風(fēng)速對(duì)篷布?xì)鈩?dòng)力影響分析

選取列車車速為120 km/h，橫風(fēng)風(fēng)速分別為20.7 m/s(8級(jí)風(fēng))、25.5 m/s(10級(jí)風(fēng))、31.5 m/s(11級(jí)風(fēng))、35.3 m/s(12級(jí)風(fēng))、41.4 m/s(13級(jí)風(fēng))、46.1 m/s(14級(jí)風(fēng))、50.9 m/s(15級(jí)風(fēng))和54.0 m/s(蘭新線50年一遇的最大風(fēng)速)，研究橫風(fēng)風(fēng)速對(duì)篷布所受氣動(dòng)升力系數(shù)的影響。表1所示為列車運(yùn)行速度一定、橫風(fēng)風(fēng)速不同情況時(shí)的篷布?xì)鈩?dòng)力系數(shù)計(jì)算結(jié)果。

表1 不同風(fēng)速時(shí)篷布所受氣動(dòng)升力系數(shù)計(jì)算結(jié)果

圖7所示為根據(jù)表1數(shù)據(jù)繪制所得篷布升力系數(shù)隨橫風(fēng)風(fēng)速變化曲線。從圖7可以看出：當(dāng)列車車速一定時(shí)，隨橫風(fēng)風(fēng)速增大，篷布所受氣動(dòng)升力相應(yīng)增大，篷布所受氣動(dòng)升力系數(shù)近似與風(fēng)速呈正比。

圖7 車速一定時(shí)，篷布?xì)鈩?dòng)升力隨橫風(fēng)風(fēng)速變化曲線

2.2 裝載高度對(duì)篷布?xì)鈩?dòng)力影響分析

選取3種不同裝載高度研究橫風(fēng)作用下貨物裝載高度對(duì)篷布所受氣動(dòng)力的影響。3種不同裝載高度分別為超車幫為0.10 m、超車幫為0.45 m和超車幫為0.75 m。貨車運(yùn)行速度為120 km/h，橫風(fēng)風(fēng)速為31.5 m/s。具體篷布計(jì)算模型見圖8。

(a) 超車幫0.10 m；(b) 超車幫0.45 m；(c) 超車幫0.75 m

表2所示為3種不同工況下無網(wǎng)整張D型篷布所受氣動(dòng)升力系數(shù)計(jì)算結(jié)果。從表2可以看出：篷布所受氣動(dòng)升力系數(shù)隨著貨車裝載高度的增加而顯著增加。

表2 不同裝載高度時(shí)篷布所受氣動(dòng)升力系數(shù)計(jì)算結(jié)果

圖9所示為不同裝載情況下篷布頂面外表面壓力分布云圖和篷布橫截面壓力分布云圖。從圖9可以看出：隨著貨物裝載高度的增加，篷布頂面受到的負(fù)壓值和負(fù)壓區(qū)域均增大，導(dǎo)致篷布所受向上的氣動(dòng)升力系數(shù)增大。

(a) 超車幫0.10 m，篷布頂面；(b) 超車幫0.10 m，橫截面；(c) 超車幫0.45 m，篷布頂面；(d) 超車幫0.45 m，橫截面；(e) 超車幫0.75 m，篷布頂面；(f) 超車幫0.75 m，橫截面

2.3 貨物裝載形狀對(duì)篷布?xì)鈩?dòng)力影響分析

采用篷布苫蓋怕濕貨物時(shí)，根據(jù)貨物裝載形狀的不同，篷布頂面形狀會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。2種不同裝載方式時(shí)的篷布計(jì)算模型見圖10，貨物超車幫高度和貨物起脊高度都取為0.75 m。

(a) 圓形；(b) 尖頂型

圖10 不同裝載形狀篷布計(jì)算模型

Fig. 10 Calculation model of different tarpaulin shapes

表3所示為同一裝載高度、不同裝載形狀下，無網(wǎng)整張D型篷布所受氣動(dòng)力系數(shù)計(jì)算結(jié)果。從表3可知：貨車在大風(fēng)地區(qū)運(yùn)行時(shí)，圓形頂裝載時(shí)的篷布受到的氣動(dòng)升力系數(shù)比尖頂型裝載時(shí)篷布所受氣動(dòng)力系數(shù)大28.3%。圖11所示為2種不同裝載形狀下篷布頂面和橫截面表面壓力分布云圖。從圖11可以看出：在2種不同工況下，篷布頂部均為負(fù)壓，在圓頂超車幫為0.75 m工況時(shí)，車體側(cè)墻與篷布過渡處負(fù)壓最大，此后負(fù)壓迅速下降，而在尖頂超車幫為0.75 m工況下，空氣流過車頂時(shí)有漩渦產(chǎn)生，負(fù)壓下降較緩慢；在圓頂超車幫為0.75 m工況下的車頂表面負(fù)壓區(qū)域明顯比尖頂超車幫為0.75 m工況大，因此，當(dāng)圓頂超車幫裝載時(shí)，篷布受到的氣動(dòng)升力系數(shù)比尖頂超車幫為0.75 m時(shí)大28.3%。

表3 不同裝載形狀時(shí)，篷布所受氣動(dòng)升力系數(shù)計(jì)算結(jié)果

Table 3 Calculation result of tarpaulin lift force under different shape conditions

工況貨車速度/(km·h?1)風(fēng)速/(m·s?1)升力系數(shù) 圓頂超車幫0.75 m12031.50.458 6 尖頂超車幫0.75 m12031.50.357 3

(a) 圓弧頂超車幫0.75 m工況，篷布頂面；(b) 圓弧頂超車幫0.75 m工況，橫截面；(c) 尖形頂超車幫0.75 m工況，篷布頂面；(d) 尖形頂超車幫0.75 m工況，橫截面

2.4 貨物沉降對(duì)篷布?xì)鈩?dòng)力影響分析

苫蓋篷布貨車在運(yùn)行過程中，貨物會(huì)產(chǎn)生一定的沉降，從而導(dǎo)致篷布與貨車之間的間隙會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，該間隙對(duì)篷布?xì)鈩?dòng)性能會(huì)產(chǎn)生一定的影響。選取6種不同篷布與貨車間隙研究間隙對(duì)篷布?xì)鈩?dòng)力的影響。數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)，采用D型鐵路篷布，篷布呈圓弧形覆蓋在貨物上，篷布最高處高出敞車車幫0.50 m，該高度不隨間隙的變化而變化。在數(shù)值模擬計(jì)算中，選取貨車車速為64.0 km/h，橫風(fēng)風(fēng)速為31.5 m/s。

表4所示為6種不同間隙時(shí)篷布所受氣動(dòng)力系數(shù)計(jì)算結(jié)果，圖12所示為篷布所受氣動(dòng)力系數(shù)與間隙之間的關(guān)系曲線。從表4和圖12可以看出：隨著貨物在運(yùn)輸過程中的沉降，篷布與貨物間隙增大，橫向力系數(shù)減小，篷布受到向下的壓力作用；篷布所受升力垂直于篷布向上，當(dāng)篷布和貨車之間的間隙在0.02~0.12 m之間時(shí)，隨間隙增大，篷布所受氣動(dòng)升力系數(shù)增大；間隙為0.12 m時(shí)的篷布?xì)鈩?dòng)升力系數(shù)比間隙為0.02 m時(shí)大14.5%。

(a) 橫向力與間隙曲線；(b) 升力與間隙曲線

表4 篷布?xì)鈩?dòng)力系數(shù)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)不同高度時(shí)篷布內(nèi)外表面分布可看出：隨著貨物的沉降，篷布與貨物間間隙增大，篷布內(nèi)表面氣流流速增大，而篷布外表面壓力分布基本不變，導(dǎo)致篷布與貨物之間的間隙越大，篷布所受氣動(dòng)升力增大。

2.5 數(shù)值計(jì)算與實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

為驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法的正確性，選取無網(wǎng)、帶篷布支架的篷布貨車在大風(fēng)作用下的工況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。數(shù)值計(jì)算時(shí)，采用D型鐵路篷布，三角形的篷布支架，起脊高度為0.75 m，貨車速度為64.0 km/h，橫風(fēng)風(fēng)速為31.5 m/s，與實(shí)車試驗(yàn)工況一致。

實(shí)車試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置如圖13所示，具體測(cè)試結(jié)果如表5所示。整塊D型篷布的質(zhì)量為60 kg，重力加速度取為10 m/s2。實(shí)車試驗(yàn)值為24 934 N，數(shù)值計(jì)算值為27 353 N，兩者相對(duì)誤差為7.1%，該相對(duì)誤差基本滿足工程要求，證明了文中所采用的數(shù)值計(jì)算方法的正確性。

圖13 D型篷布繩索拉力測(cè)點(diǎn)布置

表5 實(shí)車試驗(yàn)測(cè)得各個(gè)篷布繩索所受沿垂直方向的拉力

3 結(jié)論

1) 當(dāng)貨車大風(fēng)地區(qū)運(yùn)行速度一定時(shí)，篷布所受氣動(dòng)升力系數(shù)與橫風(fēng)風(fēng)速成正比。

2) 當(dāng)貨車大風(fēng)地區(qū)運(yùn)行時(shí)，篷布所受氣動(dòng)升力系數(shù)隨著貨車裝載高度的增加而顯著增加；在超車幫為0.75 m時(shí)，篷布受到的升力比超車幫為0.45 m大28%。

3) 當(dāng)超車幫裝載(篷布形狀為圓弧)時(shí)，篷布受到的氣動(dòng)升力系數(shù)比不超車幫裝載(篷布形狀為三角型頂)時(shí)大28.3%。

4) 隨著貨物運(yùn)輸過程中的不斷沉降，篷布和貨物之間的間隙變大；當(dāng)篷布和貨物之間的間隙處于0.02~0.12 m之間時(shí)，隨間隙增大，篷布所受氣動(dòng)合升力增大；當(dāng)間隙為0.12 m時(shí)，篷布?xì)鈩?dòng)升力系數(shù)比間隙為0.02 m時(shí)大14.5%。

5) 數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)誤差為7.1%，該誤差范圍基本滿足工程要求，證明了文中所采用的數(shù)值計(jì)算方法的正確性。

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Numerical simulation of aerodynamic force on tarpaulin of railway vehicle under cross wind condition

XIONG Xiaohui, LIANG Xifeng, JIN Qi

(Key Laboratory of Traffic Safety on Track, Ministry of Education,School of Traffic & Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Based on the three-dimensional, incompressible and steady Navier-Stokes equation and?turbulence model, the complex three-dimensional flow field model around the tarpaulin was built when the freight vehicle runs through the wind area. The zero-thickness wall was used to simulate the tarpaulin in those models. Numerical simulation was adopted to carry out the aerodynamic force on the tarpaulin of railway freight vehicle in cross winds. The effect laws of the tarpaulin aerodynamics force were gained which were caused by the wind speed, the height of the cargo loading, the figure of the cargo loading and the sedimentation of the cargo. The aerodynamic forces of tarpaulins were gained when the freight vehicle runs under different conditions. The results show that when the speed of train remains unchanged, the aerodynamic lift coefficient of the tarpaulin is proportional to the wind speed. The lift force of the tarpaulin increases significantly with the increase of the height of the cargo loading, the lift force coefficient of 0.75 m tarpaulin height is larger than that of 0.45 m in height, and the increase value is 28%. When the figure of the cargo loading is circular arc, the lift force coefficient of the tarpaulin is much greater than when the figure is triangular, and the increase value is 28.3%. When the clearances between the tarpaulins and goods inside 0.02?0.12 m, the lift force of the tarpaulin increase with the increase of clearance. When the clearance is 0.12 m, the lift force coefficient is 14.5% larger than when the clearance is 0.02 m. The results show that the numerical calculation results and experimental results have a relative error of 7.1%, which proves the numerical calculation method is correct.

freight vehicle; tarpaulin; cross wind; aerodynamic lift force; numerical simulation

U298.3

A

1672?7207(2015)02?0728?08

2014?02?22；

2014?04?28

鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(Z2007-081)(Project (Z2007-081) supported by Railway Ministry Science and Technology Development Fund)

熊小慧，博士，講師，從事列車空氣動(dòng)力學(xué)研究；E-mail：lbearstar@gmail.com

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.02.048

(編輯 陳燦華)