李西安　 馮　笑

（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院　 河南鄭州　450052）

基于列車(chē)明線(xiàn)運(yùn)行與橫風(fēng)下的列車(chē)氣動(dòng)特性分析

李西安 馮笑

（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南鄭州450052）

采用Hypermesh軟件對(duì)一CRH3型車(chē)車(chē)體進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，采用SC/Tetra軟件分別對(duì)列車(chē)明線(xiàn)運(yùn)行和橫風(fēng)下運(yùn)行進(jìn)行數(shù)值模擬。對(duì)于列車(chē)明線(xiàn)運(yùn)行，主要研究不同網(wǎng)格劃分對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響以及與風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較。對(duì)于列車(chē)橫風(fēng)作用下運(yùn)行，主要研究不同車(chē)速和風(fēng)速下列車(chē)的氣動(dòng)性能變化規(guī)律。

高速列車(chē) 數(shù)值模擬 外流場(chǎng) 橫風(fēng)

1　引言

伴隨著列車(chē)速度的提高，列車(chē)的氣動(dòng)效應(yīng)對(duì)列車(chē)的運(yùn)行性能將產(chǎn)生很大影響，空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的研究比例也越來(lái)越大。在強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下列車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)明顯改變，流場(chǎng)附近的氣動(dòng)力顯著增加，在強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下導(dǎo)列車(chē)脫軌或傾覆事故屢見(jiàn)不鮮［1-3］。在鐵路沿線(xiàn)大風(fēng)地段合理修建擋風(fēng)墻也是提供列車(chē)安全運(yùn)行的重要措施，蘭新線(xiàn)擋風(fēng)墻的修筑［4］。據(jù)有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，高速列車(chē)運(yùn)行速度在300 km/h以上時(shí)，75 %以上的運(yùn)行阻力來(lái)源于氣動(dòng)阻力，受空氣阻力和橫風(fēng)的影響，列車(chē)將會(huì)運(yùn)行失穩(wěn)［5-7］?？諝鈩?dòng)力學(xué)的研究，對(duì)于提高列車(chē)運(yùn)行的穩(wěn)定性、平穩(wěn)性以及降低空氣動(dòng)力噪聲也會(huì)有重大意義。

本文采用數(shù)值模擬的方法，在不同車(chē)速（200 km/h ～ 300 km/h）和不同環(huán)境橫風(fēng)風(fēng)速（15.5 ～30 m/s）下對(duì)列車(chē)明線(xiàn)運(yùn)行和橫風(fēng)下運(yùn)行的空氣動(dòng)力特性進(jìn)行分析研究。

2　控制方程

2.1動(dòng)量守恒方程

對(duì)于流體力學(xué)的動(dòng)量守恒方程是指表面力和體積力之和等于其動(dòng)量對(duì)于時(shí)間的變化率。列車(chē)的運(yùn)行速度不超過(guò)300 km/h，馬赫數(shù)小于0.3，列車(chē)附近的流場(chǎng)可認(rèn)為是不可壓縮的粘性流場(chǎng)，其動(dòng)量守恒方程［8］的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

2.2標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型

本文選采用的是典型k-ε渦流模型，此模型對(duì)于模擬邊界層流動(dòng)、旋轉(zhuǎn)渦流、流動(dòng)分離、強(qiáng)逆壓梯度和二次流具有較高的計(jì)算精度。列車(chē)在橫風(fēng)作用下高速運(yùn)行時(shí)，周?chē)鲌?chǎng)可定義為三維黏性非定常的湍流流場(chǎng)?？刂品匠蹋?］如下：

Gk、Gb分別為速度梯度和浮力引起的湍動(dòng)動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)； YM代表脈動(dòng)擴(kuò)張；C1ε、C2ε和C3ε是常數(shù)；σk和σε是k方程和e方程的Prandtl數(shù)； Sk和Sε為自定義值；Cμ為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，通常取為0.09。

3　計(jì)算模型

3.1簡(jiǎn)化幾何模型

為了較為準(zhǔn)確的計(jì)算列車(chē)的氣動(dòng)載荷，同時(shí)避免大量網(wǎng)絡(luò)，本文采用1︰1實(shí)車(chē)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化過(guò)程中要注意列車(chē)的表面、車(chē)端連接、列車(chē)轉(zhuǎn)向架以及運(yùn)行線(xiàn)路，略去細(xì)小設(shè)備，將長(zhǎng)編組列車(chē)簡(jiǎn)化成：頭車(chē)+中間車(chē)+尾車(chē)，其中頭車(chē)和尾車(chē)結(jié)構(gòu)相同，簡(jiǎn)化后幾何模型如圖1所示。

圖1　列車(chē)幾何模型

3.2流場(chǎng)區(qū)域

3.2.1明線(xiàn)流場(chǎng)區(qū)域

車(chē)體結(jié)構(gòu)和流場(chǎng)特點(diǎn)都是關(guān)于車(chē)體縱向截面對(duì)稱(chēng)，取半個(gè)流場(chǎng)作為計(jì)算區(qū)域，半個(gè)流場(chǎng)區(qū)域大小為430 m×53 m×156 m，車(chē)頭距流場(chǎng)前端為102 m，車(chē)尾距流場(chǎng)后端252 m，車(chē)身側(cè)面距流場(chǎng)側(cè)端51 m，車(chē)輪離地面0.208 m（鐵軌高度），車(chē)頂距流場(chǎng)上端151.5 m。

3.2.2橫風(fēng)下流場(chǎng)區(qū)域

受橫風(fēng)作用的影響，流場(chǎng)特點(diǎn)發(fā)生了變化，取整個(gè)流場(chǎng)作為計(jì)算區(qū)域，整個(gè)流場(chǎng)區(qū)域大小為430 m×356 m×95 m，車(chē)頭距流場(chǎng)前端為102 m，車(chē)尾距流場(chǎng)后端252 m，車(chē)身迎橫風(fēng)側(cè)距流場(chǎng)側(cè)端101.5 m，車(chē)身背橫風(fēng)側(cè)距流場(chǎng)側(cè)端251.5m，車(chē)輪離地面0.208 m（鐵軌高度），車(chē)頂距流場(chǎng)上端91.5 m。

3.3網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分也是有限元模擬計(jì)算中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，本文主要采用四面體單元和三棱柱單元對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)全域場(chǎng)劃分，根據(jù)計(jì)算對(duì)象的不同對(duì)列車(chē)結(jié)構(gòu)作不同程度的邊界層分離劃分，對(duì)于車(chē)身特殊部位研究需要對(duì)網(wǎng)格進(jìn)一步加密，例如轉(zhuǎn)向架、車(chē)頭和車(chē)尾的流線(xiàn)過(guò)渡區(qū)及空調(diào)進(jìn)風(fēng)口等，而遠(yuǎn)離壁面的網(wǎng)絡(luò)可適當(dāng)變疏，合理優(yōu)化網(wǎng)格數(shù)量和規(guī)劃計(jì)算區(qū)域?qū)ο?，可有效提高?jì)算速度和計(jì)算精度，本次計(jì)算的網(wǎng)格數(shù)目為550萬(wàn)，頭車(chē)網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2　頭車(chē)網(wǎng)格劃分圖

3.4邊界條件及計(jì)算工況

列車(chē)明線(xiàn)運(yùn)行時(shí)，外流場(chǎng)邊界需要賦予一定的條件，通過(guò)流場(chǎng)內(nèi)空氣和地面的運(yùn)動(dòng)來(lái)模擬列車(chē)的運(yùn)行，入口邊界為速度入口（氣流速度為97.22 m/s），出口邊界為壓力出口（靜壓為0Pa），地面邊界為移動(dòng)壁面（壁面速度為97.22 m/s），車(chē)身邊界為固定壁面（產(chǎn)生粘性阻力），左、右兩側(cè)以及上測(cè)邊界為自然流動(dòng)，由于采用半車(chē)作為計(jì)算域，取車(chē)體縱斷面作為對(duì)稱(chēng)面，對(duì)稱(chēng)面為自由滑移壁面（不產(chǎn)生粘性阻力）。

在橫風(fēng)作用下列車(chē)運(yùn)行時(shí)，取整車(chē)作為計(jì)算區(qū)域，入口邊界為速度入口（車(chē)速與橫風(fēng)風(fēng)速的合成速度），出口邊界為壓力出口（靜壓為0Pa），地面邊界為移動(dòng)壁面（壁面速度為車(chē)速），車(chē)身邊界為固定壁面（產(chǎn)生粘性阻力），上側(cè)邊界為自然流動(dòng)，空調(diào)進(jìn)風(fēng)口速度入口（由空調(diào)進(jìn)風(fēng)量計(jì)算，風(fēng)量為1200 m3/h）。

為了精確計(jì)算列車(chē)的各項(xiàng)氣動(dòng)參數(shù)，選取列車(chē)運(yùn)行速度為200 km/h和300 km/h，橫風(fēng)風(fēng)速為15.5（7級(jí)）、22.6（9級(jí)）、30.0（11級(jí)），大氣壓強(qiáng)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓作為本次計(jì)算的運(yùn)行工況。

4　明線(xiàn)運(yùn)行計(jì)算結(jié)果分析

本文以時(shí)速300公里的高速列車(chē)明線(xiàn)運(yùn)行為研究對(duì)象，采用10種不同的網(wǎng)格數(shù)量來(lái)模擬不同網(wǎng)格數(shù)量下對(duì)列車(chē)明線(xiàn)運(yùn)行的影響，并將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

4.1不同網(wǎng)格劃分對(duì)模擬結(jié)果的影響

表1　不同網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果由表1顯示，隨著網(wǎng)格數(shù)量的變化，車(chē)身表面壓力均呈現(xiàn)出較為一致的分布規(guī)律。以車(chē)頭鼻端處壓強(qiáng)為例，隨著車(chē)身表面網(wǎng)格總數(shù)不斷增加，鼻端壓力也隨之增加，壓力系數(shù)逐漸向1靠近，列車(chē)所受向下的氣動(dòng)壓差升力值和氣動(dòng)壓差阻力也逐漸減小。無(wú)論是否有邊界層網(wǎng)格的插入，當(dāng)半車(chē)網(wǎng)格總數(shù)超過(guò)200萬(wàn)時(shí)，此時(shí)可得到誤差較小的車(chē)頭鼻端壓力系數(shù)；當(dāng)半車(chē)網(wǎng)格總數(shù)達(dá)到300萬(wàn)以上時(shí)，車(chē)頭鼻端壓力系數(shù)基本可以保持為1，列車(chē)所受氣動(dòng)粘性升力基本保持不變，維持在20 Pa左右。

4.2模擬計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)值比較

為了驗(yàn)證仿真模擬計(jì)算結(jié)果的適用性，選10號(hào)網(wǎng)格的表面壓力分布圖及壓力系數(shù)作為列車(chē)的可靠性分析，如圖3和圖4所示：鼻端最大壓力為6014Pa，壓力系數(shù)是1.0326。從列車(chē)鼻端開(kāi)始沿車(chē)身縱向?qū)ΨQ(chēng)面布置了31個(gè)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，將獲取的壓力系數(shù)值與數(shù)值計(jì)算中相同位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力系數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自企業(yè)。對(duì)比結(jié)果有圖5可以看出，風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)出的參考點(diǎn)壓力系數(shù)與數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果基本一致，測(cè)點(diǎn)4、15、20的壓力系數(shù)存在偏差，但是偏差較小，不影響模擬數(shù)值和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性。

圖3　編號(hào)10列車(chē)表面壓力分布云圖

圖4　編號(hào)10列車(chē)表面壓力系數(shù)云圖

圖5　實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值壓力系數(shù)對(duì)比

5　橫風(fēng)下運(yùn)行計(jì)算結(jié)果分析

在橫風(fēng)作用下，基于空氣動(dòng)力學(xué)氣動(dòng)性能的研究，主要研究不同車(chē)速和不同風(fēng)速下的氣動(dòng)力和氣動(dòng)力距，重點(diǎn)分析車(chē)體的升力、側(cè)向力和傾覆力矩。

5.1車(chē)體升力

如表6計(jì)算結(jié)果顯示，列車(chē)在橫風(fēng)下運(yùn)行時(shí)，車(chē)體所受氣動(dòng)升力隨著車(chē)速和風(fēng)速的提高而增大，當(dāng)固定車(chē)速，風(fēng)速由15.5 m/s增加到30.0 m/s時(shí)，運(yùn)行速度為200 km/h和300 km/h的列車(chē)氣動(dòng)升力分別增加了340.7 %和337.1 %。而當(dāng)固定風(fēng)速，車(chē)速由200 km/h增加到300 km/h時(shí)，風(fēng)速為15.5 m/s，22.6 m/s、和30.0 m/s下的列車(chē)氣動(dòng)升力分別增加了18.4 %、19.2 %和20.0 %。由此可見(jiàn)，當(dāng)風(fēng)速一定時(shí)，列車(chē)速度增加對(duì)于氣動(dòng)阻力的影響大于氣動(dòng)升力。見(jiàn)表2，。

表2　列車(chē)穩(wěn)態(tài)橫風(fēng)下升力（N）

5.2車(chē)體側(cè)向力

表3　列車(chē)穩(wěn)態(tài)橫風(fēng)下側(cè)向力（N）

如表3所示， 當(dāng)車(chē)速固定，風(fēng)速由15.5 m/s增加到30.0 m/s時(shí)，運(yùn)行速度為200 km/h、和300 km/h的列車(chē)氣動(dòng)側(cè)向力分別增加了296.3 %和150.2 %，由此可見(jiàn)，當(dāng)車(chē)速較低時(shí)，橫風(fēng)對(duì)于列車(chē)氣動(dòng)側(cè)向力的影響更大。而當(dāng)風(fēng)速固定，車(chē)速由200 km/h增加到300 km/h時(shí)，風(fēng)速為15.5 m/s、22.6 m/s和30.0 m/s下的列車(chē)氣動(dòng)側(cè)向力分別增加了31.2 %、20.5 %和17.2 %?？梢钥闯觯S著橫風(fēng)風(fēng)速的提高，由于車(chē)速提高而導(dǎo)致的列車(chē)氣動(dòng)側(cè)向力提高值逐漸減少。當(dāng)橫風(fēng)風(fēng)速為30.0 m/s時(shí)，隨著車(chē)速增加，車(chē)體所受氣動(dòng)側(cè)向力反而減少。

5.3車(chē)體傾覆力矩

如表4結(jié)果顯示，當(dāng)固定車(chē)速，風(fēng)速由15.5 m/s增加到30.0 m/s時(shí)，對(duì)于運(yùn)行速度為200 km/h和300 km/h的列車(chē)傾覆力矩，頭車(chē)增加量分別為197.7 %和189.9 %，中車(chē)增加量分別為7730.8 %和809.2 %，尾車(chē)增加量分別為482.1 %和8974.1 %。由此可得，風(fēng)速越大，禍流就越劇烈，列車(chē)兩側(cè)的壓差就越大，列車(chē)所受到的傾覆力矩隨迅速也相應(yīng)增大，在車(chē)速較小時(shí)，橫風(fēng)對(duì)中車(chē)影響較大；當(dāng)車(chē)速較大時(shí)，橫風(fēng)對(duì)尾車(chē)影響較大。當(dāng)固定風(fēng)速，車(chē)速由200 km/h增加到300 km/h時(shí)，頭車(chē)傾覆力矩在3種級(jí)別的風(fēng)速作用下分別增加了32.3 %、41.9 %、32.9 %；中車(chē)傾覆力矩分別減少了146.7 %、52.9 %、16.6 %；尾車(chē)傾覆力矩在3種級(jí)別的風(fēng)速下分別減少了97.5 %、47.1 %、14.8 %，由此可得，列車(chē)速度對(duì)于傾覆力矩的影響比橫風(fēng)風(fēng)速要小

表4　列車(chē)橫風(fēng)下傾覆力矩（N·m）

6　結(jié)論

本文通過(guò)調(diào)整車(chē)體表面網(wǎng)格尺寸及邊界層網(wǎng)格厚度，得出網(wǎng)格劃分對(duì)計(jì)算結(jié)果有重大影響，鼻端處壓力隨著車(chē)體表面網(wǎng)格尺寸的減少而增加，當(dāng)半車(chē)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到300萬(wàn)以上時(shí)，壓力系數(shù)穩(wěn)定在1左右；選10號(hào)網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)，數(shù)值模擬仿真分析的流場(chǎng)總體變化趨勢(shì)與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果一致。

在橫風(fēng)作用下分析了氣動(dòng)載荷對(duì)列車(chē)氣動(dòng)參加的變化規(guī)律，計(jì)算結(jié)果顯示，橫風(fēng)對(duì)列車(chē)氣動(dòng)升力的影響要大的多，而列車(chē)速度的增加對(duì)于氣動(dòng)阻力的影響大于氣動(dòng)升力；當(dāng)車(chē)速較低時(shí)，橫風(fēng)對(duì)于列車(chē)氣動(dòng)側(cè)向力的影響更大；而隨著風(fēng)速的提高，車(chē)速提高引起的列車(chē)側(cè)向力提高值逐漸減少；隨著風(fēng)速的增加，列車(chē)頭車(chē)、中車(chē)、尾車(chē)所受到的傾覆力矩均迅速增大，且在車(chē)速較小時(shí)，對(duì)中車(chē)影響較大，當(dāng)車(chē)速較大時(shí)，對(duì)于尾車(chē)影響較大。

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Numerical Analysis of Aerodynamic Performance of the Train in Open Air and Cross Wind

LI Xi-an FENG Xiao
（Zhengzhou Railway Vocational & Technical College ZhengzhouHenan450052China）

This paper gives a finite element meshing on the body of Model CRH3 train through the software of Hypermesh， and gives a numerical simulation on the train operation in open-wire line and cross wind conditions respectively by adopting the SC/Tetra software. For the train operation under open-wire condition， the main research focuses on the effects on calculation result with different mesh generation， as well as the comparison with wind tunnel experiment data. while， for the one under cross wind condition， the research mainly focuses on the change rule of aerodynamic performance of the train with different speed and various wind speed.

high-speed train numerical simulation external flow field cross-wind

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1673-1816（2016）03-0072-07

2016-06-18

李西安（1989-），助教，研究方向鐵道車(chē)輛可靠性分析。