喬英俊，何德華 ，陳厚嫦,吳寧

(1.中國工程院戰(zhàn)略咨詢中心，北京 100088； 2.中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京 100081)

0 引言

新疆是世界上鐵路風(fēng)災(zāi)最嚴(yán)重的地區(qū)之一.既有入疆鐵路于2013年新建成通車的蘭新二線均途經(jīng)新疆大風(fēng)頻發(fā)區(qū)段，其中蘭新二線是時速200 km/h以上的高速鐵路，線路通過的風(fēng)區(qū)包括安西風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)、煙墩風(fēng)區(qū)、百里風(fēng)區(qū)、達(dá)坂城風(fēng)區(qū)等，這些地區(qū)地形地貌條件特殊，多為戈壁形成的風(fēng)口結(jié)構(gòu)，氣流經(jīng)風(fēng)口風(fēng)速增大，形成大風(fēng)區(qū)域，在大風(fēng)區(qū)域內(nèi)大風(fēng)頻繁，風(fēng)力強(qiáng)勁且風(fēng)向較固定，部分區(qū)段年均大于8級大風(fēng)天氣達(dá)到208天，最大風(fēng)速60 m/s，相當(dāng)于17級風(fēng)[1- 4].如此頻繁和強(qiáng)勁的大風(fēng)對列車特別是高速開行的動車組產(chǎn)生很大的影響，在大風(fēng)區(qū)段鐵路頻遭大風(fēng)襲擊而中斷運(yùn)輸?shù)那闆r數(shù)不勝數(shù)，因大風(fēng)引起的晚點(diǎn)、停運(yùn)所導(dǎo)致的巨大損失更是無法計算.目前，我國列車在大風(fēng)區(qū)域的運(yùn)行遵循以下原則，一方面為了保證運(yùn)營安全規(guī)定列車在極端天氣下采取不同程度的限速甚至停輪；另一方面為了滿足旅客出行需要提出少限速、少停輪的運(yùn)營目標(biāo).鐵路運(yùn)營部門對極端大風(fēng)條件動車組運(yùn)行特別是高速運(yùn)行的研究還處于起步階段，缺乏對列車大風(fēng)條件下運(yùn)行狀況的數(shù)據(jù)支撐研究.本文通過理論計算和實(shí)車試驗(yàn)相結(jié)合的方式，采用理論計算對列車在橫風(fēng)下的流場狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬，對比了路堤條件下有、無擋風(fēng)結(jié)構(gòu)時動車組的外流場；采用實(shí)車測試，測試了列車在風(fēng)區(qū)運(yùn)行不同工況下的氣動載荷變化情況，探究了列車風(fēng)區(qū)運(yùn)行的氣動效應(yīng)變化規(guī)律，對測試結(jié)果進(jìn)行了對比分析.對列車風(fēng)區(qū)穩(wěn)定、持續(xù)、安全運(yùn)行提供了有效的指導(dǎo)建議[5- 6].

1 動車組橫風(fēng)條件下運(yùn)行流場仿真分析

1.1 橫風(fēng)條件下列車空氣動力學(xué)仿真模型

高速行駛的列車會使周圍的空氣(流場)受到強(qiáng)烈擾動，隨著列車運(yùn)行速度的不斷提高流場擾動也不斷增強(qiáng)，在強(qiáng)橫風(fēng)的作用下，列車所處的氣動環(huán)境將變得更加復(fù)雜，列車運(yùn)行安全及穩(wěn)定性將受到嚴(yán)重影響[3].因此為確保高速列車在橫風(fēng)作用下的運(yùn)行安全，研究高速列車氣動性能非常重要.

本文采用動車組的三節(jié)車模型，考慮轉(zhuǎn)向架和導(dǎo)流板等細(xì)部結(jié)構(gòu)，建立幾何模型.三節(jié)車計算模型中，頭車、中間車和尾車分別包括了1/2，1，1/2的車廂連接部分.路堤和橋梁工況模型均按蘭新二線百里風(fēng)區(qū)最高防風(fēng)設(shè)施設(shè)置，其中路堤高10.89 m，設(shè)有單側(cè)擋風(fēng)墻，高度為4 m.橋梁為槽型橋，雙側(cè)設(shè)有擋風(fēng)屏，擋風(fēng)屏高度3.5 m，并有開孔.分別建立計算模型，交會計算的幾何模型與動車組在路堤上運(yùn)行的基本上一樣，只是在被風(fēng)軌側(cè)增加了一列動車組，模型見圖1.

圖1 單側(cè)擋風(fēng)墻下動車組交會計算模型

采用相對運(yùn)動條件模擬列車附近的外流場.設(shè)定列車靜止，地面移動，空氣來流以及與列車運(yùn)行速度反向等值的速度繞流列車，橫風(fēng)以與列車成90°的方向吹向列車，主流方向空氣來流的速度為車速.試驗(yàn)工況選擇了路堤有、無擋風(fēng)墻兩種條件下，列車以不同風(fēng)速和不同車速運(yùn)行時的空氣動力學(xué)流場進(jìn)行計算.

1.2 典型工況列車外流場分析

由于動車組所受空氣作用力由列車周圍流場產(chǎn)生，列車周圍的流場分布情況直接影響列車各個部分氣動載荷的大小，而且列車尾流結(jié)構(gòu)反映了全車各部分分離狀態(tài)和相互作用的綜合效果，包含了車身繞流的大量信息，因此需要對列車周圍流場進(jìn)行研究.本文以車速250 km/h、風(fēng)速為20 m/s時的流場為例，對路堤有擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)和無擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對比分析，分別見圖2、圖3.

圖2 路堤無防風(fēng)結(jié)構(gòu)的流場

圖3 路堤有防風(fēng)結(jié)構(gòu)的流場

通過設(shè)置不同車速、不同風(fēng)速，對路堤工況下有無擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到如下規(guī)律：

(1)在橫風(fēng)的作用下，不同擋風(fēng)結(jié)構(gòu)下列車風(fēng)風(fēng)場的渦流結(jié)構(gòu)差異明顯.在橫風(fēng)作用下，原有的邊界層流動和尾流被破壞，在列車與擋風(fēng)墻背后出現(xiàn)了大尺度渦.并且，沿車身向后，在不同斷面上，各漩渦的起始位置在高度方向上呈底部、中部和頂部交替變化，轉(zhuǎn)向架處的渦流更是復(fù)雜;

(2)在橫風(fēng)的作用下，有無擋風(fēng)墻對列車表面的壓力分布具有重要影響.無擋風(fēng)墻時，在列車的迎風(fēng)側(cè)，最大正壓區(qū)位于頭車鼻尖處，車身大部分區(qū)域?yàn)檎龎?，壓力值沿著列車的高度方向逐漸減小，并在尾車處出現(xiàn)負(fù)壓；在列車的背風(fēng)側(cè)，頭車出現(xiàn)大面積的負(fù)壓區(qū)，車身基本為負(fù)壓，壓力值沿著列車的高度方向變化不大，僅在尾車處出現(xiàn)正壓.有擋風(fēng)墻時，壓力分布隨著橫風(fēng)而變化，非常復(fù)雜，可能出現(xiàn)迎風(fēng)側(cè)比背風(fēng)側(cè)壓力更低的情況;

(3)在橫風(fēng)的作用下，有、無擋風(fēng)結(jié)構(gòu)，列車受到的氣動載荷差異明顯，相同車速和風(fēng)速下，路堤有擋風(fēng)墻好于路堤無擋風(fēng)墻.

2 動車組在大風(fēng)條件下運(yùn)行試驗(yàn)研究

2.1 動車組大風(fēng)科學(xué)試驗(yàn)介紹

中國鐵道科學(xué)研究院于蘭新二線開通前后先后組織了10次大風(fēng)科學(xué)試驗(yàn)，對動車組在百里風(fēng)區(qū)強(qiáng)風(fēng)條件下運(yùn)行性能進(jìn)行了多次試驗(yàn)，獲取了在不同地形條件、不同車速、不通風(fēng)速下的列車受到橫向氣動載荷及橫向加速度數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)分析中選擇最能表征大風(fēng)影響的車體兩側(cè)壓差參數(shù)(氣動橫向力)作為主要分析對象，以動力學(xué)橫向加速度為輔助分析參數(shù).實(shí)時測量取得動車組在不同運(yùn)行環(huán)境及橫風(fēng)條件下關(guān)鍵性能指標(biāo)，探索動車組運(yùn)行速度—風(fēng)速風(fēng)向—空氣動力學(xué)-動力學(xué)性能間的關(guān)系，總結(jié)不同地段環(huán)境風(fēng)對動車組產(chǎn)生氣動橫向力-橫向動力學(xué)參數(shù)的影響規(guī)律，為動車組在大風(fēng)環(huán)境下的運(yùn)行安全性評估方法的制定提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

2.2 實(shí)車測試方法

試驗(yàn)期間，兩側(cè)壓差通過車載測試系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測動車組車體各部位的空氣壓力，車外測點(diǎn)主要布置在頭車司機(jī)室側(cè)窗、變截面以及車體中部氣流變化不大的區(qū)域，氣動橫向力通過兩側(cè)對稱位置的壓力直接計算實(shí)時獲取.車體加速度信號通過安裝在車體地板以及側(cè)墻的橫向加速度傳感器進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)時獲取車體橫向振動加速度信號.

自然風(fēng)速和角度利用車載風(fēng)速儀裝置(見圖4)測得，通過時空同步系統(tǒng)與地面遠(yuǎn)方來流風(fēng)速建立關(guān)系，以進(jìn)一步對比分析車載風(fēng)速以及遠(yuǎn)方來流風(fēng)速與車輛氣動橫向力的相關(guān)性.

圖4 大風(fēng)試驗(yàn)用車載風(fēng)速儀及安裝位置

2.3 風(fēng)速對列車氣動性能的影響

環(huán)境風(fēng)風(fēng)速對列車氣動性能的影響比較復(fù)雜，是風(fēng)速與車速矢量疊加之后的結(jié)果.實(shí)車試驗(yàn)中風(fēng)速分布較廣，為最低限度降低風(fēng)向角、地形、防風(fēng)設(shè)施等因素對氣動橫向力帶來的影響，分析選取列車運(yùn)行速度相近且運(yùn)行方向相同的數(shù)據(jù)進(jìn)行，風(fēng)速與兩側(cè)壓差最大正值和最大負(fù)值散點(diǎn)及其擬合曲線如圖5所示.

(a) 正值

(b) 負(fù)值

從列車兩側(cè)壓差隨車速的變化散點(diǎn)圖可以看出，由于大風(fēng)具有脈動性強(qiáng)的特點(diǎn)，風(fēng)速瞬時變化很快，氣動橫向力在不同速度大風(fēng)下的氣動橫向力分布比較散亂，高速運(yùn)行中強(qiáng)風(fēng)在列車車體的載荷變化劇烈.但整體上，兩側(cè)壓差隨風(fēng)速變化趨勢明顯，兩側(cè)壓差的最大值隨風(fēng)速增大而增大，最大負(fù)值也隨風(fēng)速的增大而增大.在橫風(fēng)風(fēng)速30 m/s以上時，兩側(cè)壓差(幅值)可達(dá)6 000 Pa以上，影響列車安全運(yùn)行.

2.4 不同地形條件下列車兩側(cè)壓差變化

在實(shí)車試驗(yàn)中，重點(diǎn)分析列車通過不同的線路地形及過渡段類型時兩側(cè)壓差的變化情況，以此評估不同擋風(fēng)設(shè)施防風(fēng)效果.圖6～圖9分別為列車通過防風(fēng)明洞、路堤擋風(fēng)墻、隧道以及路塹和路堤過渡段過程中兩側(cè)壓差的變化曲線.

圖6 列車通過防風(fēng)明洞時兩側(cè)壓差變化

圖7 列車通過路堤擋風(fēng)墻時兩側(cè)壓差變化

圖8 列車通過隧道時兩側(cè)壓差變化

圖9 列車通過過渡段時兩側(cè)壓差變化

從上圖中可以看出列車在通過防風(fēng)明洞、路堤擋風(fēng)墻、隧道過程中兩側(cè)壓差變化明顯減小，尤其是在防風(fēng)明洞和隧道內(nèi)時兩側(cè)壓差值接近零，說明隧道和防風(fēng)明洞具有非常好的防風(fēng)效果，能夠有效的降低大風(fēng)對列車運(yùn)行氣動橫向力影響.特別的，由圖7可以看出，在路堤工況下，有無擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)，列車的兩側(cè)壓差數(shù)值顯著不同，在有擋風(fēng)墻的情況下，兩側(cè)壓差明顯較小，這也佐證了數(shù)值計算的結(jié)論.綜合四種工況下，在列車通過路塹與路堤交替變化區(qū)域(稱為過渡段)時，由于地形地貌復(fù)雜造成動車組外部流場變化較大，導(dǎo)致動車組所受兩側(cè)壓差發(fā)生劇烈變化，會對列車運(yùn)行產(chǎn)生顯著的影響，下一節(jié)對此做深入分析.

3 列車通過風(fēng)區(qū)過渡段的氣動性能

通過上節(jié)兩側(cè)壓差實(shí)時數(shù)據(jù)的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，列車在大風(fēng)作用下通過某些特定的區(qū)段時，兩側(cè)壓差產(chǎn)生較大程度的突變，突變的同時便隨著列車的晃車現(xiàn)象，通過在同一區(qū)段多次往返試驗(yàn)比對發(fā)現(xiàn)，兩側(cè)壓差突變跟晃車現(xiàn)象均與列車運(yùn)行里程具有相關(guān)性，即主要分布在路肩-塹頂過渡段之中.盡管由于環(huán)境風(fēng)風(fēng)速和風(fēng)向的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致壓差變化幅值和其出現(xiàn)位置以及晃車幅度有所變化，但由于地面設(shè)施位置固定，監(jiān)測結(jié)果證明晃車點(diǎn)的位置具有很高的重復(fù)性.

3.1 列車通過過渡段氣動橫向力變化情況

為深入分析風(fēng)區(qū)過渡段氣動力突變情況的規(guī)律，選取大風(fēng)試驗(yàn)過程中動車組運(yùn)行氣動力突變的地段，各區(qū)段的氣動力突變地段統(tǒng)計如圖10所示.

測試結(jié)果表明，多個過渡段兩側(cè)壓差(橫向力)短時間內(nèi)突然變向，即由負(fù)變正或由正變負(fù)，這對車輛的晃動影響較大.突變點(diǎn)主要出現(xiàn)在不同防風(fēng)設(shè)施過渡地段，尤其是路塹進(jìn)、出口.當(dāng)動車組通過過渡段時，由于邊界條件的突然變化，導(dǎo)致外部流場發(fā)生突然變化，從而引起了兩側(cè)壓差的突變，由上圖可以看出，列車在大風(fēng)條件下駛過連續(xù)過渡段時，會產(chǎn)生1 000～3 000 Pa的兩側(cè)壓差變化，致使列車產(chǎn)生晃車現(xiàn)象.

圖10 列車通過連續(xù)過渡段時兩側(cè)壓差變化

3.2 列車通過過渡段車體橫向加速度變化情況

針對車體振動的典型特征，在車體地板橫向中部位置和側(cè)墻垂向高1.7 m位置分別安裝了橫向加速度傳感器.圖11和圖12分別為通過過渡段時地板橫向加速度和側(cè)墻橫向加速度散點(diǎn)圖，圖中加速度的單位為重力加速度單位g，1g=9.81 m/s2.試驗(yàn)顯示，側(cè)墻橫向加速度明顯大于底板面的橫向加速度，整體上側(cè)墻橫向加速度為車體地板面的橫向加速度的1.5倍左右，說明車體下心滾擺明顯.

圖11 車體地板面橫向加速度散點(diǎn)圖

圖12 車體側(cè)墻橫向加速度散點(diǎn)圖

從上圖列車橫向加速度測試數(shù)據(jù)可以看出，列車在橫風(fēng)條件下運(yùn)行時，隨著運(yùn)行速度的提高，車體的加速度值不斷增加，在橫風(fēng)下側(cè)墻的加速度明顯大于地板.與過渡段的兩側(cè)壓差數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，橫向加速度變化與兩側(cè)壓差變化也基本一致，說明測試結(jié)果正確.

4 擋風(fēng)設(shè)施過渡段工程補(bǔ)強(qiáng)效果分析

為了減小列車通過過渡段的兩側(cè)壓差突變，鐵路部門對部分防風(fēng)過渡段的進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)施工，主要措施為對過渡段的路堤部分進(jìn)行挖方、路塹擋風(fēng)墻進(jìn)行加高及延長等.為對比分析防風(fēng)設(shè)施補(bǔ)強(qiáng)前后的效果，選取了進(jìn)行工程補(bǔ)強(qiáng)措施的9處典型過渡段區(qū)域進(jìn)行對比，列車以相同速度(180 km/h)同方向通過這9處過渡段區(qū)域的兩側(cè)壓差對比情況見圖13.

圖13 過渡段工程補(bǔ)強(qiáng)前后兩側(cè)壓差比較

由補(bǔ)強(qiáng)前后兩側(cè)壓差對比變化可以看出，經(jīng)過工程補(bǔ)強(qiáng)措施后過渡段的列車空氣動力學(xué)性能(兩側(cè)壓差)均得到了不同程度的改善，普遍的兩側(cè)壓差均比補(bǔ)強(qiáng)前減小30%～80%，其中兩側(cè)壓差最大減小為84.89%，工程補(bǔ)強(qiáng)效果明顯.

5 結(jié)論

本文從分別用數(shù)值計算和實(shí)車測試的方法對列車在風(fēng)區(qū)運(yùn)行的氣動性能進(jìn)行了研究，得到如下結(jié)論：

(1)目前對大風(fēng)條件下列車運(yùn)行的仿真計算研究較多，多從動力學(xué)及安全性能方面開展研究，但是缺乏實(shí)際大風(fēng)條件下動車組開行狀況的邊界條件，尚未建立符合實(shí)際情況的風(fēng)區(qū)動車組運(yùn)行研究的理論及實(shí)體模型進(jìn)行系統(tǒng)研究;

(2)列車在橫風(fēng)的作用下，不同擋風(fēng)結(jié)構(gòu)下列車風(fēng)風(fēng)場的渦流結(jié)構(gòu)和列車表面的壓力分布均差異明顯.在橫風(fēng)的作用下，有、無或不同擋風(fēng)結(jié)構(gòu)，列車受到的氣動載荷差異明顯，相同車速和風(fēng)速下，路堤有擋風(fēng)墻好于路堤無擋風(fēng)墻;

(3)風(fēng)區(qū)鐵路設(shè)置防風(fēng)明洞、隧道、路堤擋風(fēng)墻對抵御風(fēng)害具有非常好效果，通過擋風(fēng)設(shè)施時列車受兩側(cè)壓差變化明顯減小，尤其是在防風(fēng)明洞和隧道內(nèi)時兩側(cè)壓差值接近零，說明擋風(fēng)設(shè)施能夠有效的降低大風(fēng)對列車運(yùn)行的影響;

(4)風(fēng)區(qū)過渡段對列車運(yùn)行過程中的氣動橫向力影響很大，風(fēng)區(qū)過渡段是動車組在大風(fēng)區(qū)段運(yùn)行的影響敏感區(qū)段，應(yīng)重點(diǎn)考慮風(fēng)區(qū)過渡段的防風(fēng)、擋風(fēng)設(shè)施布置;

(5)經(jīng)過工程補(bǔ)強(qiáng)后列車通過過渡段的兩側(cè)壓差明顯減小，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示可減小30%～80%，此結(jié)論具有很好的理論應(yīng)用價值和意義，建議對蘭新全線風(fēng)區(qū)過渡段進(jìn)行摸底排查并進(jìn)行工程補(bǔ)強(qiáng)以增強(qiáng)線路的抵御風(fēng)害能力.

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