成 楠， 張明祿

(西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院， 四川成都 610031)

側(cè)風(fēng)作用下高速列車(chē)的空氣動(dòng)力學(xué)初探

成 楠， 張明祿

(西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院， 四川成都 610031)

用大渦模擬(LES)計(jì)算側(cè)風(fēng)影響下的簡(jiǎn)化了的高速列車(chē)環(huán)流。文章基于列車(chē)高度和來(lái)流速度，確定流動(dòng)的雷諾數(shù)Re為5.5×108。在偏轉(zhuǎn)角(在相對(duì)的側(cè)風(fēng)方向和列車(chē)前進(jìn)方向的夾角)為90°情況下，獲得計(jì)算結(jié)果。通過(guò)大渦模擬( LES)數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)均勻定常側(cè)風(fēng)下高速列車(chē)的非定?？諝鈩?dòng)力特性進(jìn)行了研究。計(jì)算結(jié)果分析表明，即使在均勻定常側(cè)風(fēng)下，列車(chē)所受空氣動(dòng)力也存在明顯的非定常性。

高速列車(chē)； 側(cè)風(fēng)； 氣動(dòng)力； 非定常

由于高速列車(chē)不斷升高的速度，高速列車(chē)遭受的空氣動(dòng)力問(wèn)題越顯突出[1]。列車(chē)行駛安全性與舒適性均和列車(chē)側(cè)風(fēng)問(wèn)題有關(guān)，在眾多列車(chē)空氣動(dòng)力問(wèn)題中，列車(chē)側(cè)風(fēng)是一個(gè)重要問(wèn)題。從世界范圍來(lái)看，由于側(cè)風(fēng)引發(fā)的列車(chē)事故屢見(jiàn)不鮮，2007年，新疆一列車(chē)受大風(fēng)影響導(dǎo)致出軌，造成了嚴(yán)重交通事故[2]。高速鐵路發(fā)展的趨勢(shì)是列車(chē)車(chē)體輕量化和行駛高速化，但與此同時(shí)，這種發(fā)展趨勢(shì)也會(huì)使側(cè)風(fēng)導(dǎo)致列車(chē)傾覆的概率明顯增加[3]。

為了提高在側(cè)風(fēng)下列車(chē)行駛的安全性，近幾十年國(guó)內(nèi)外研究人員進(jìn)行了大量研究，包括通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)、實(shí)車(chē)試驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算等方法，考察了列車(chē)在側(cè)風(fēng)下的空氣動(dòng)力特性[4-7]。但這些研究的主要結(jié)論是在側(cè)風(fēng)下對(duì)列車(chē)的定常(時(shí)間平均)空氣動(dòng)力特性以及列車(chē)運(yùn)行穩(wěn)定性受側(cè)風(fēng)風(fēng)速波動(dòng)的影響，而從最近幾年才開(kāi)始對(duì)列車(chē)在側(cè)風(fēng)下的瞬時(shí)流場(chǎng)以及列車(chē)所受空氣動(dòng)力的瞬時(shí)特性的研究。2004 年，Christina Rol n等人發(fā)表論文指出，在較大側(cè)風(fēng)偏轉(zhuǎn)角情況下，列車(chē)的空氣動(dòng)力具有很強(qiáng)的非定常特點(diǎn)[3]; 2005年～ 2006年，Hassan Hemida 發(fā)表多篇論文[8-9]并根據(jù)計(jì)算結(jié)果指出，在側(cè)風(fēng)作用下列車(chē)所受的非定常空氣動(dòng)力的頻率接近真實(shí)列車(chē)系統(tǒng)的固有頻率。國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)到關(guān)于列車(chē)在側(cè)風(fēng)下非定?？諝鈩?dòng)力方面的研究的相關(guān)文獻(xiàn)。通過(guò)以上分析可以看出，在側(cè)風(fēng)下列車(chē)非定?？諝鈩?dòng)力特性的研究還未有系統(tǒng)的研究，尚屬起步階段。同時(shí)，已有部分研究結(jié)果指出，側(cè)風(fēng)作用在列車(chē)上的定常空氣動(dòng)力的大小不足以解釋列車(chē)被大風(fēng)吹翻的原因[11]。因此，研究側(cè)風(fēng)下列車(chē)非定?？諝鈩?dòng)力問(wèn)題具有現(xiàn)實(shí)意義。

針對(duì)自然風(fēng)速相對(duì)列車(chē)的偏轉(zhuǎn)角為 90°的情況，本文通過(guò)大渦模擬(LES)數(shù)值計(jì)算方法，研究了車(chē)身所受空氣動(dòng)力的非定常特性以及列車(chē)周?chē)嵌ǔＡ鲌?chǎng)特性，最后根據(jù)研究結(jié)果，為列車(chē)側(cè)風(fēng)非定?？諝鈩?dòng)力特性提出了筆者的看法。

1 數(shù)值模型和計(jì)算方法

1.1 數(shù)值模型

為了將問(wèn)題簡(jiǎn)化，同時(shí)突出所研究的側(cè)風(fēng)部分，本文研究是在自然風(fēng)速的偏轉(zhuǎn)角為 90°的情況，即風(fēng)向?yàn)闄M向垂直于高速列車(chē)側(cè)壁，且不考慮列車(chē)行駛方向的速度。側(cè)風(fēng)角和偏轉(zhuǎn)角定義方式如圖1所示。本次計(jì)算采用的實(shí)車(chē)模型是CRH2型高速列車(chē)，為減少計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間，采取如下簡(jiǎn)化：(1)將列車(chē)分為頭車(chē)、中間車(chē)和尾車(chē)，分別設(shè)為25.5 m、25 m和25.5 m，整輛列車(chē)為一連續(xù)剛體。(2)將列車(chē)表面簡(jiǎn)化成光滑曲面，認(rèn)為表面的粗糙度各處一致，并假設(shè)表面摩擦力沿車(chē)身均勻分布。(3)在實(shí)際模擬計(jì)算中把列車(chē)底部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)去掉,使列車(chē)底面和地面間形成了一個(gè)狹縫，并用這個(gè)狹縫對(duì)流場(chǎng)的影響來(lái)模擬列車(chē)底部結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)的影響，本文中列車(chē)與地面間距設(shè)為0.2 m。

圖1 列車(chē)與計(jì)算流域位置(單位:m)

1.2 計(jì)算域設(shè)定及網(wǎng)格劃分

(1) 計(jì)算域。 將計(jì)算域劃分為來(lái)流區(qū)和尾流區(qū)，根據(jù)繞流流場(chǎng)的基本特性，尾流區(qū)域取較大值。列車(chē)模型尾流區(qū)域的縱向長(zhǎng)度大于3倍的列車(chē)模型總長(zhǎng)度，列車(chē)模型前端的流場(chǎng)區(qū)域的縱向長(zhǎng)度大于2倍的列車(chē)模型寬度，計(jì)算域高度大于10倍的車(chē)高[2]。計(jì)算域的幾何尺寸為 500 m×40 m×100 m(圖1)。

(2) 網(wǎng)格劃分。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，共生成500多萬(wàn)。為了保證網(wǎng)格質(zhì)量，提高壁面函數(shù)應(yīng)用于邊界層模擬的準(zhǔn)確性網(wǎng)格，在車(chē)體表面及地面處生成邊界層網(wǎng)格，邊界層網(wǎng)格的厚度為100 mm，增長(zhǎng)比為1.2，共設(shè)置5層邊界層網(wǎng)格。

1.3 邊界條件

模擬列車(chē)附近的外流場(chǎng)采用相對(duì)運(yùn)動(dòng)條件。即假定列車(chē)靜止，空氣來(lái)流以與列車(chē)運(yùn)行速度反向等值的速度vt繞流列車(chē)，側(cè)風(fēng)以速度vw吹向列車(chē)，二者的合成速度為v(圖1)。

(2)出口邊界條件。壓力邊界條件，出口壓力取一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)。

(3)計(jì)算域表面。由于選擇的流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域足夠大，可認(rèn)為外圍邊界對(duì)列車(chē)周?chē)牧鲌?chǎng)的影響甚小，計(jì)算區(qū)域的外圍邊界設(shè)定為壓力出口。

2 計(jì)算結(jié)果及其分析

列車(chē)速度vt= 350 km/h，側(cè)風(fēng)速度vw=30 m/s，側(cè)風(fēng)的偏轉(zhuǎn)角為90°的列車(chē)表面壓力分布。

從迎風(fēng)側(cè)靜止壓力圖，可以看出頭車(chē)前緣的正負(fù)壓最大，其他位置不是危險(xiǎn)截面(圖2)。我們需要重視危險(xiǎn)位置，把重要問(wèn)題突出。其中負(fù)壓比正壓系數(shù)要多出50 %，因此列車(chē)在側(cè)風(fēng)下的行駛過(guò)程中，更可能被吸走，而不是吹走。

圖2 靜止壓力和列車(chē)位置的關(guān)系

本研究將計(jì)算初始時(shí)間的部分刪除，留下穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，得出時(shí)間-側(cè)力曲線圖(圖3)。

圖3 頭車(chē)、中間車(chē)和尾車(chē)的側(cè)力值隨時(shí)間的變化曲線

列車(chē)表面壓力分布是在總體趨勢(shì)不變的情況下, 隨時(shí)間在均值附近波動(dòng), 這種波動(dòng)的幅值及相應(yīng)位置存在隨機(jī)性。這種壓力波動(dòng)表明: 即使在定常側(cè)風(fēng)的情況下, 列車(chē)所受空氣動(dòng)力也存在明顯的非定常性。由圖3可以看出在側(cè)風(fēng)作用下，三個(gè)不同位置頭車(chē)的側(cè)力峰值最大，而且無(wú)論是幅值還是變化程度，中間車(chē)和尾車(chē)都相對(duì)頭車(chē)較小，因此最應(yīng)當(dāng)受到關(guān)注的位置是頭車(chē)。

而后，又采用了不同車(chē)速、風(fēng)速和偏轉(zhuǎn)角，依然得到相似的氣動(dòng)力幅值與列車(chē)位置的規(guī)律。

3 結(jié)論

本文基于計(jì)算流體力學(xué)和多體動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)，對(duì)側(cè)風(fēng)下高速列車(chē)的空氣動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行了數(shù)值模擬，可得到如下結(jié)論：

(1)受到極大關(guān)注的側(cè)力在頭車(chē)位置最為危險(xiǎn)，接下來(lái)的研究應(yīng)當(dāng)集中關(guān)注頭車(chē)的氣動(dòng)力情況。而在頭車(chē)前緣的位置，壓力系數(shù)最大，因此考慮最大受力位置時(shí)，頭車(chē)的位置應(yīng)當(dāng)是首當(dāng)其沖的。

(2)列車(chē)所受非定常力是由于側(cè)風(fēng)導(dǎo)致的非定常流場(chǎng)產(chǎn)生，并且列車(chē)所受非定?？諝鈩?dòng)力特性與其周?chē)嵌ǔＡ鲌?chǎng)特性之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，有可能在風(fēng)洞試驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)列車(chē)周?chē)嵌ǔＡ鲌?chǎng)的測(cè)量得到列車(chē)在側(cè)風(fēng)下所受非定?？諝鈩?dòng)力特性。

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U260.11

A

[定稿日期]2017-05-05

成楠(1991～)，男，碩士，研究方向?yàn)楦咚倭熊?chē)空氣動(dòng)力學(xué)。