李泉,杜禮明

(大連交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

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突變階躍型陣風(fēng)作用下高速列車的氣動特性分析

李泉,杜禮明

(大連交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

為研究陣風(fēng)對高速列車行車安全的影響，建立了突變階躍型陣風(fēng)作用下高速列車的三維數(shù)值模型，分析了突變階躍型陣風(fēng)對高速列車的氣動性能影響規(guī)律，并與恒定風(fēng)場下的情況進行了對比.結(jié)果表明,與恒定風(fēng)速相比，陣風(fēng)對高速列車所受的各種氣動力影響明顯，且不同的陣風(fēng)模型有不同的影響；陣風(fēng)發(fā)生突變時列車表面的氣動力成倍增加，陣風(fēng)結(jié)束后其尾流對高速列車仍有作用；尾流對高速列車的氣動力隨陣風(fēng)風(fēng)速增大而變大，尾流的作用時間也隨之增長，最高風(fēng)速為5 m/s的陣風(fēng)，尾流在10 s左右后消失；而對于最高風(fēng)速為30 m/s的陣風(fēng)，其尾流在14.2 s左右后才消失.

突變階躍型陣風(fēng)；高速列車；氣動特性；數(shù)值分析

0 引言

強陣風(fēng)是威脅高速列車運行安全的自然災(zāi)害之一，自然環(huán)境中的陣風(fēng)是影響高速列車側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性的一個主要因素.近年來強陣風(fēng)引發(fā)了不少列車重大脫軌事故[1].隨著我國高速鐵路網(wǎng)的快速擴展，高速列車在運行當(dāng)中遭遇強風(fēng)的概率也越來越大，特別是經(jīng)過沿海和西北多風(fēng)區(qū)域.一旦高速列車遭遇強陣風(fēng)而發(fā)生傾覆脫軌，其帶來的損失無法估量.

高速列車的風(fēng)致安全性問題引起了國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者及鐵路機構(gòu)的極大重視.田紅旗[2]系統(tǒng)地論述了列車空氣動力學(xué)研究方法、空氣動力特性、形成機理及規(guī)律、分析理論與工程應(yīng)用.任尊松等[3]在列車空氣動力學(xué)與系統(tǒng)動力學(xué)相結(jié)合的基礎(chǔ)上研究了強側(cè)風(fēng)對高速列車運行安全的影響.于夢閣等[4]在列車空氣動力學(xué)與系統(tǒng)動力學(xué)相結(jié)合基礎(chǔ)上并考慮了路堤與橋梁的影響.文獻[5- 6]分析了橫風(fēng)條件下列車周圍的流場的結(jié)構(gòu)，得到了橫風(fēng)速度、車速與氣動力之間的變化關(guān)系.

對于強風(fēng)環(huán)境下列車的安全性問題，大多數(shù)學(xué)者側(cè)重于研究恒定風(fēng)場下高速列車的空氣動力特性.然而，自然環(huán)境中的風(fēng)隨著地勢、地形等變化，風(fēng)的角度、速度都會發(fā)生變化，有明顯的波動性和隨機性.風(fēng)速會在某段時間內(nèi)突然增大或突然減小，又表現(xiàn)出時效性.目前對于這類非定常的陣風(fēng)研究很少見，且少量研究主要集中在飛機以及汽車領(lǐng)域，比如文獻[7-8]采用數(shù)值方法分析了陣風(fēng)對機翼氣動特性的影響，而高速列車方面的研究鮮為見諸報道.本文建立基于突變階躍陣風(fēng)下的高速列車空氣動力學(xué)模型，分析列車表面壓力以及氣動力并與恒定風(fēng)速的風(fēng)場進行比較，以獲得陣風(fēng)模型對高速列車氣動性能的影響規(guī)律，為高速列車的安全運行提供參考.

1 數(shù)值模型與計算方法

1.1 高速列車氣動性能仿真模型

高速列車是復(fù)雜的細長結(jié)構(gòu)，若對整列列車的流場進行數(shù)值模擬，計算量大，對計算機的要求很高，而且中間車部分的流場結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，中間車長度的改變對列車附近流場基本特征變化影響不大[9].國內(nèi)某CRH型高速動車組的幾何外形，采用頭車+中間車+尾車的三輛車編組的簡化模型進行計算，其中頭車和尾車的形狀相同.為避免網(wǎng)格過多，列車簡化為光滑曲面構(gòu)成的幾何體，不考慮受電弓、轉(zhuǎn)向架、門把手等細部特征.

流場的計算范圍取400 m×100 m×40 m的空間區(qū)域.計算區(qū)域及邊界條件的設(shè)置如圖1所示.采用混合網(wǎng)格法對區(qū)域進行劃分，其中列車周圍的動區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)的四面體網(wǎng)格進行劃分，不動區(qū)域以及外圍區(qū)域采用結(jié)構(gòu)的六面體網(wǎng)格，單元總數(shù)約為167萬.

圖1 計算區(qū)域及邊界條件設(shè)置

1.2 突變階躍陣風(fēng)計算模型

陣風(fēng)是由空氣擾動產(chǎn)生的，氣流流過固體表面時，會遇到來自固體表面的阻力，使流速減小.因此，當(dāng)空氣流過丘陵、森林或建筑物等障礙物時產(chǎn)生阻力并出現(xiàn)回流，造成不規(guī)則的渦流，導(dǎo)致流速產(chǎn)生變化，形成陣風(fēng).“突變階躍型陣風(fēng)模型”描述的動態(tài)風(fēng)速變化可由分段函數(shù)表示為[10]：

(1)

1.3 陣風(fēng)模擬方法

通過UDF編程的方法來模擬陣風(fēng)條件，實現(xiàn)高速列車陣風(fēng)響應(yīng)的數(shù)值模擬.Fluent軟件包中的UDF (User-Defined Function),即用戶自定義函數(shù),它是用戶利用C語言自己編寫的函數(shù),可以FLUENT動態(tài)的加載,采用UDF來描述突變階躍型陣風(fēng)和定義邊界條件.

1.4 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

設(shè)定列車的運行速度均為350 km/h，在不考慮列車交會的情況下，空氣密度的變化對氣流流動的影響可以忽略不計，此時可以認(rèn)為空氣是不可壓縮的，并假定陣風(fēng)引起的流動是非定長的.

邊界條件設(shè)置如圖1所示.模型采用滑移網(wǎng)格，列車是運動的，列車表面以及地面均設(shè)置為無滑移壁面的邊界條件.入口給定速度邊界條件，出口給定壓力邊界條件.流場的頂面設(shè)置為對稱面.恒定側(cè)風(fēng)速度大小為30 m/s，階躍陣風(fēng)模型的最大風(fēng)速為30 m/s，風(fēng)向角皆為90°.

1.5 計算方法適用性驗證

在運用數(shù)值模擬方法對列車在明線運行時橫風(fēng)對其氣動特性的影響研究之前，有必要對所采用的數(shù)值模型和模擬方法進行可行性驗證.參照文獻[11]中在中國空氣動力研究與發(fā)展中心8 m×6 m風(fēng)洞進行的縮尺模型試驗所得到的數(shù)據(jù)，與縮尺模型的數(shù)值模擬結(jié)果進行了對比.

模型試驗中，速度為60 m/s,氣流夾角有3°、6°等.驗證僅選取氣流夾角為6°時的試驗數(shù)據(jù)進行仿真對照.仿真模型與模型試驗的相同，計算尺寸為20 m×8 m×6 m，采用RANS方法，湍流模型選用k-ε兩方程模型.用分離式解法對離散后的控制方程組求解，采用SIMPLE法耦合壓力-速度場.將模型試驗與數(shù)值模擬的結(jié)果進行對比，下面僅列出整車部分氣動力系數(shù)對比數(shù)據(jù)，如表1所示.

表1 縮尺模型試驗與相應(yīng)數(shù)值模擬結(jié)果

由表1可知，數(shù)值模擬與其縮尺模型試驗的氣動力系數(shù)的誤差在10%左右，在工程允許的誤差的范圍內(nèi).產(chǎn)生誤差的主要原因如下：

(1)數(shù)值模擬對列車模型進行了一定的簡化處理，與縮尺模型試驗的模型存在幾何差別；

(2)數(shù)值模擬的風(fēng)場設(shè)定為完全均勻的風(fēng)場，而縮尺模型試驗中的風(fēng)并不是完全均勻的風(fēng)場.

數(shù)值模擬與列車的縮尺模型試驗的結(jié)果誤差基本合理，因此，采用的數(shù)值方法可用于進行列車氣動特性分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 列車表面壓力分布

為了對比分析突變階躍型陣風(fēng)對高速列車的影響，首先對恒定風(fēng)速下的高速列車表面壓力進行數(shù)值分析.在橫風(fēng)環(huán)境下列車頭車與中間車、尾車相比，頭車的氣動載荷相對較大，下面重點分析高速列車頭車的表面壓力.恒定風(fēng)速下不同時刻的列車頭車表面的壓力云圖如圖2所示.

從圖中可以看出：當(dāng)高速列車運行穩(wěn)定后，在頭車鼻尖處迎風(fēng)側(cè)受到的壓力是正壓，背風(fēng)側(cè)的壓力為負(fù)壓，表現(xiàn)出明顯的壓力差.隨著列車在恒定風(fēng)環(huán)境下運行，其頭車的表面壓力分布沒有明顯的變化，表現(xiàn)出橫風(fēng)效應(yīng)，不隨時間而變化.

圖2 恒定風(fēng)下列車頭車 表面的壓力云圖 圖3 階躍陣風(fēng)下列車頭車表面的壓力云圖

高速列車在階躍型陣風(fēng)作用下不同時刻頭車的表面壓力分布如圖3所示.從圖中可以看出對于陣風(fēng)模型中的列車表面的壓力云圖都是隨時間變化的.在0.2 s之前流場中還沒有施加側(cè)風(fēng)，列車迎風(fēng)側(cè)與背風(fēng)側(cè)壓力都為正壓且相差不大，流場壓力分布比較簡單，沒有表現(xiàn)出橫風(fēng)效應(yīng)；在0.2 s與1.8 s之間流場中有了側(cè)風(fēng)的加入，列車迎風(fēng)側(cè)為正壓，背風(fēng)側(cè)為負(fù)壓，流場壓力復(fù)雜，表現(xiàn)出橫風(fēng)效應(yīng)；在t=1.8 s以后，流場中已經(jīng)停止側(cè)風(fēng)的加入，但并沒有出現(xiàn)t=0.1 s時的壓力分布，仍然表現(xiàn)出有側(cè)風(fēng)時的壓力分布，但與1.0 s時相比壓力明顯減小.

通過與恒定風(fēng)速風(fēng)場對比，高速列車在階躍型陣風(fēng)流場中，受到的氣動壓力是隨時間變化的，而且當(dāng)流場中所施加的側(cè)風(fēng)突然消失時，列車表面的壓力不會馬上恢復(fù)到側(cè)風(fēng)施加之前的情況，此時仍會表現(xiàn)出橫風(fēng)效應(yīng).

2.2 陣風(fēng)特征對高速列車氣動力的影響

為研究陣風(fēng)對高速列車氣動力的影響，模擬計算車速為350 km/h的情況，階躍風(fēng)速與恒定風(fēng)速均為30 m/s,風(fēng)向角均為90°.

側(cè)風(fēng)作用下列車所受氣動力主要有阻力、升力、側(cè)力和傾覆力矩.高速列車在陣風(fēng)與恒定風(fēng)下氣動力系數(shù)隨時間變化的曲線如圖4所示.通過與恒定風(fēng)的比較可以看出：

(1)對于阻力系數(shù)，恒定風(fēng)是在高速列車穩(wěn)定后會一直維持一種穩(wěn)定狀態(tài).階躍陣風(fēng)在0.2 s時發(fā)生突變，之后與恒定風(fēng)的響應(yīng)趨勢基本相同，都是在0.1上下波動，在1.8 s時其阻力系數(shù)未發(fā)生突變;

(2)對于側(cè)力系數(shù)，從圖中看出恒定風(fēng)情況下，阻力系數(shù)基本保持不變.而對于階躍型陣風(fēng)，其在0.2 s和1.8 s時都發(fā)生突變，隨后再趨于平穩(wěn)，在0.2 s與1.8 s之間與恒定風(fēng)的趨勢相一致，在1.8 s之后陣風(fēng)消失，側(cè)力系數(shù)明顯下降，但并沒有恢復(fù)到陣風(fēng)施加之前的狀態(tài);

(3)對于升力系數(shù)，恒定風(fēng)在列車先增大后減小，然后再趨于穩(wěn)定.階躍陣風(fēng)在0.2 s和1.8 s時發(fā)生突變，在0.2 s與1.8 s之間與恒定風(fēng)的趨勢基本相一致，當(dāng)陣風(fēng)消失后圍繞一個穩(wěn)定值波動.

通過以上氣動系數(shù)的對比，對于恒定風(fēng)當(dāng)列車運行平穩(wěn)后，所受到的氣動力保持穩(wěn)定，不會有很大波動.而在陣風(fēng)模型中，列車所受到的氣動力具有很強的時效性，其隨陣風(fēng)的變化而變化，尤其是在陣風(fēng)施加與消失時，均發(fā)生突變，在這一刻所受到的力成倍增加.

(a)阻力系數(shù)

(b)升力系數(shù)

(c)橫向力系數(shù)

2.3 陣風(fēng)風(fēng)速對高速列車側(cè)力的影響

當(dāng)陣風(fēng)消失之后，此時流場中已經(jīng)沒有側(cè)風(fēng)，但高速列車仍表現(xiàn)出受到側(cè)風(fēng)影響的情況.這種情況是因為高速列車在陣風(fēng)流場中運行形成的列車風(fēng)所造成的.針對這種情況，先重點分析陣風(fēng)風(fēng)速對列車所受到側(cè)力的影響.選取風(fēng)速為5、10、20、30 m/s,車速仍為350 km/h.下面取5、30 m/s風(fēng)速進行對比.

從圖5可知，在整個過程中30 m/s時的橫向力系數(shù)、阻力系數(shù)明顯大于5 m/s時.對于升力系數(shù)在5 m/s時為正值，而在30 m/s時為負(fù)值.說明高速列車在低速風(fēng)時受到的升力為正值，隨著風(fēng)速的增加升力的方向發(fā)生變化，并逐漸增大.在0.2 s與1.8 s之間時，風(fēng)速都是穩(wěn)定的，此時可以看風(fēng)速增大，氣動載荷增大.在1.8 s以后陣風(fēng)消失，各氣動力系數(shù)突變過后仍維持在一定范圍波動，不會馬上恢復(fù)到無風(fēng)狀態(tài).從橫向力系數(shù)可以明顯看出側(cè)風(fēng)消失之后，風(fēng)速30 m/s仍高于5 m/s時的橫向力系數(shù).

(a)阻力系數(shù)

(b)升力系數(shù)

(c)橫向力系數(shù)

不同速度的側(cè)風(fēng)消失后，尾流對高速列車所受到的氣動載荷的影響，見圖6所示.從圖6可以看出，隨著陣風(fēng)風(fēng)速由5 m/s增加到30 m/s，列車所受到的阻力變化比較小，僅增加了不到2 kN.升力的增幅最大，增加了259.26 kN.橫向力增加了59.90 kN.

圖6 氣動力隨風(fēng)速的變化

圖7 陣風(fēng)的尾流作用時間

圖7為陣風(fēng)的尾流的作用時間.在陣風(fēng)消失后的很長一段時間內(nèi)都存在尾流的作用，對于最高風(fēng)速為5 m/s的陣風(fēng)，尾流在10 s左右消失；而對于最高風(fēng)速為30 m/s的陣風(fēng)，其尾流在14.2 s左右消失.由此可見隨著陣風(fēng)速度的增大，其尾流的作用時間不斷增長.

3 結(jié)論

對突變階躍陣風(fēng)下高速列車的響應(yīng)特性進行了數(shù)值分析，得到如下結(jié)論：

(1)對于突變階躍型的陣風(fēng)，氣動力響應(yīng)基本與陣風(fēng)的變化趨勢相同，隨時間的變化而變化，都是在0.2 s與1.8 s時發(fā)生突變，瞬時所受到的氣動力成倍地增大，對高速列車的運行帶來威脅；

(2)當(dāng)陣風(fēng)消失時，列車所受的氣動力不會馬上恢復(fù)到無風(fēng)時的水平，仍表現(xiàn)出側(cè)風(fēng)的特性，并且隨陣風(fēng)風(fēng)速的增大，其尾流對高速列車的作用力增大；

(3)陣風(fēng)模型對列車阻力的影響不明顯，但對側(cè)力及升力的影響較大.

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Aerodynamic Characteristic Analysis of High-Speed Train under Gust with Mutation Step

LI Quan,DU Liming

(School of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

In order to explore the impacts of gusts on traffic safety of high-speed trains,a three-dimensional aerodynamic numerical model of high-speed trains running in gust with mutation step was developed.The impacts of the mutation step gust on aerodynamic performance of the high-speed trains were analyzed and compared with the cases under the constant speed wind.The results show that the gusts have obvious impacts on various aerodynamic forces of the high-speed trains,and different gust model has different impacts,compared with the impacts of constant speed wind.It also indicates that aerodynamic force on the train surface are increased by times.When gusts mutating,the tail wake of gust still play some role on the train.The aerodynamic forces on high-speed trains and the action time of the gust wake increase with gusts speed increasing.For example,the gust wake lasts about 10 s after the gust with the maximum speed of 5 m/s disappearing and 14.2 s for the gust with the maximum speed of 30 m/s.

gust with mutation step;high-speed train;aerodynamic characteristics;numerical analysis

1673- 9590(2016)03- 0027- 05

2015- 01- 23

牽引動力國家重點實驗室開放基金資助項目(TPL0906)

李泉(1989-),男，碩士研究生； 杜禮明(1972—)，男，副教授，博士，主要從事機車車輛流體動力學(xué)的研究E-mail:957730024@163.com.

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