黃莎，李志偉，嚴(yán)冠章，曾廣志

（五邑大學(xué) 軌道交通學(xué)院，廣東 江門 529020）

在高速鐵路客運(yùn)運(yùn)輸快速發(fā)展的當(dāng)代，貨運(yùn)運(yùn)輸快速、重載的需求也逐漸增大，其中集裝箱運(yùn)輸以其運(yùn)輸能力強(qiáng)、裝載貨物多，在貨運(yùn)運(yùn)輸中發(fā)揮著重要作用[1].集裝箱列車箱體呈鈍體，隨著運(yùn)行速度的增大，氣動(dòng)特性顯著惡化，尤其在強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下，氣動(dòng)力迅速增加，影響列車橫向穩(wěn)定性，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生傾覆、翻車等安全事故，造成巨大的財(cái)產(chǎn)損失和負(fù)面的社會(huì)影響[2-4].2008年3月，英國(guó)一輛運(yùn)行時(shí)速121 km/h的貨車在橫風(fēng)作用下，造成兩節(jié)空載集裝箱吹翻傾覆，對(duì)接觸網(wǎng)設(shè)備和軌道造成一定的破壞[5]；我國(guó)蘭新鐵路風(fēng)區(qū)長(zhǎng)、風(fēng)速大，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，自2002年通車以來(lái)，大風(fēng)引起的列車脫軌、傾覆事故30起，吹翻貨車110輛，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[6].因此，研究提速集裝箱貨車在強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下的氣動(dòng)特性對(duì)保證列車風(fēng)區(qū)運(yùn)行安全至關(guān)重要.

中國(guó)地形地貌豐富多樣，使得鐵路風(fēng)沿線風(fēng)環(huán)境復(fù)雜多變.目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)橫風(fēng)作用下列車的非定常氣動(dòng)特性進(jìn)行大量的研究[7-10]，研究成果已成功用于工程上列車安全運(yùn)行速度限值制定、防風(fēng)設(shè)施優(yōu)化設(shè)計(jì)[11-12].然而，由于前期集裝箱貨車的運(yùn)行速度較低（小于120km/h），且大多風(fēng)區(qū)運(yùn)行為滿載或重載，橫風(fēng)氣動(dòng)效應(yīng)的關(guān)注程度并不高.

本文以提速單層集裝箱貨車為研究對(duì)象，采用k-ω湍流數(shù)值模擬方法，分析其在不同側(cè)風(fēng)風(fēng)向角作用下的表面壓力分布特性，為保證集裝箱貨車風(fēng)區(qū)安全高效運(yùn)行提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐.

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 列車幾何模型

如圖1所示，采用機(jī)車+3節(jié)單層集裝箱車輛的編組模型，定義DJ-1、DJ-2、DJ-3分別表示機(jī)車后第一節(jié)、第二節(jié)和第三節(jié)單層集裝箱車輛.集裝箱車輛長(zhǎng)、寬、高分別為13.23 m、3.80 m和2.75 m.

圖1 單層集裝箱貨車模型

1.2 數(shù)值計(jì)算區(qū)域與邊界條件

外部流場(chǎng)的數(shù)值模擬中，常常需要將實(shí)際問(wèn)題的無(wú)限空間轉(zhuǎn)化為具有一定大小的有限計(jì)算區(qū)域，因此計(jì)算域的設(shè)置顯得尤為重要，它將直接影響到計(jì)算的精確度.如圖2所示，機(jī)車前端面ABCD、側(cè)風(fēng)迎風(fēng)面BFGC給定速度入口邊界條件；速度入口的對(duì)應(yīng)面EFGH和AEHD設(shè)置為壓力出口邊界，給定靜壓為0；列車表面設(shè)定為無(wú)滑移邊界條件，為消除數(shù)值模擬中地面附面層的影響，地面DCGH設(shè)置為滑移壁面邊界，給定速度與車速大小相等、方向相反；頂面ABFE給定對(duì)稱邊界，將計(jì)算區(qū)域虛擬放大，避免流場(chǎng)附面層對(duì)空間流域的影響.

圖2 數(shù)值計(jì)算區(qū)域

列車車頭置于距速度入口-1（面ABCD）100 m處，尾端距離壓力出口-2（面EFGH）200 m，以保證足夠的空間避免尾流對(duì)出口邊界的影響；橫向方向上，列車迎風(fēng)側(cè)距離速度入口-2（面BFGC）100 m，背風(fēng)側(cè)距離壓力出口-2（面AEHD）200 m；計(jì)算區(qū)域高80 m，保證流場(chǎng)在有限計(jì)算空間的充分發(fā)展.

1.3 計(jì)算網(wǎng)格

由于單層集裝箱貨車機(jī)車具有復(fù)雜曲面及轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)，計(jì)算網(wǎng)格采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，車體表面網(wǎng)格較密集，空間網(wǎng)格由密向疏逐漸從車體表面向空間擴(kuò)散，空間網(wǎng)格總數(shù)為11200000，第一層網(wǎng)格無(wú)量綱厚度y+為106，符合k-ω湍流模型對(duì)網(wǎng)格附面層的要求.

圖3 數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格

1.4 湍流模型及求解設(shè)置

采用目前工程上應(yīng)用最廣的k-ω雙方程湍流模型，雖然雷諾時(shí)均湍流模型較大渦和分離渦湍流模型不能更準(zhǔn)確地捕捉列車在橫風(fēng)環(huán)境下周圍的各尺度渦旋結(jié)構(gòu)，但對(duì)于表面壓力分布的模擬具有足夠的精度.壓力速度耦合采用SIMPLEC算法求解，控制方程壓力項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散，動(dòng)量、湍流動(dòng)能、湍耗散率均采用QUICK格式進(jìn)行離散.殘差項(xiàng)均設(shè)置至10-6，以保證數(shù)值模擬精度.

2 數(shù)值方法驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，對(duì)快速單層集裝箱貨車氣動(dòng)特性進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)量.如圖4所示，本次試驗(yàn)在中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心8 m×6 m風(fēng)洞第二試驗(yàn)段進(jìn)行，試驗(yàn)段長(zhǎng)15 m，穩(wěn)定風(fēng)速范圍20～70 m/s.單層集裝箱貨車模型采用1：15縮比模型，置于中心可旋轉(zhuǎn)圓盤的中心，采用六分量天平測(cè)量單層集裝箱列車的氣動(dòng)力，定義無(wú)量綱阻力系數(shù)CD：

其中：FD表示集裝箱列車氣動(dòng)阻力；ρ=1.225kg/m3，表示空氣密度；V∞為風(fēng)洞來(lái)流風(fēng)速；S表示單層集裝箱貨車模型橫截面積.

圖4 風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖5 給出了合成風(fēng)速為60m/s，側(cè)風(fēng)風(fēng)向角分別為0°、30°、60°、90°時(shí)，風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)量所得機(jī)車后第二節(jié)集裝箱車輛氣動(dòng)阻力系數(shù)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果的對(duì)比.從圖中可以看出，數(shù)值計(jì)算結(jié)果略大于風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，這是由于風(fēng)洞試驗(yàn)地板面固定，附面層沿著列車長(zhǎng)度方向逐漸增厚，造成集裝箱車輛底部部分淹沒在附面層內(nèi)，而數(shù)值計(jì)算滑移地面消除地面附面層的影響，因此計(jì)算結(jié)果略大.數(shù)值計(jì)算第二節(jié)集裝箱車輛在0°、30°、60°和90°側(cè)風(fēng)風(fēng)向角下的氣動(dòng)阻力系數(shù)與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果差值分別為8.20%，3.41%，4.07%和3.65%，誤差值均在10%以內(nèi)，說(shuō)明數(shù)值計(jì)算方法正確，符合工程要求.

圖5 第二節(jié)集裝箱車輛氣動(dòng)阻力系數(shù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)比較

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

為了研究不同風(fēng)向角側(cè)風(fēng)影響下，單層集裝箱貨車表面壓力分布特性.設(shè)置如圖6所示，沿著三節(jié)集裝箱長(zhǎng)度、寬度和高度中心的縱切線、水平切線和橫截面切線，共9條切線，分別以Line_X，Line_Y和Line_Z表示表面切線的切面方向，后標(biāo)1，2和3表示機(jī)車后第一、第二和第三節(jié)單層集裝箱.同時(shí)，為了便于描述集裝箱車輛表面壓力分布特性，將表面不同切線分割成若干特征段進(jìn)行分析，如圖7所示.

圖6 集裝箱列車表面切線設(shè)置

圖7 集裝箱車輛不同方向切線分段定義

3.1 沿寬度中心縱剖線壓力分布

定義如圖8所示，列車車速和風(fēng)速的夾角為側(cè)風(fēng)風(fēng)向角α.圖9給出了單層集裝箱貨車以160 km/h運(yùn)行時(shí)，在側(cè)風(fēng)風(fēng)速30m/s，風(fēng)向角分別為0°、30°、45°、60°、75°、90°時(shí)，集裝箱DJ-1、DJ-2和DJ-3中心縱剖線Line_Y_1，Line_Y_2，Line_Y_3切線壓力系數(shù)分布.其中，壓力系數(shù)Cp表示為：

圖8 風(fēng)向角定義

其中：p表示列車表面壓力；V為列車車速和風(fēng)速的合成速度，可表示為V2=V車2+V側(cè)風(fēng)2.

圖9 集裝箱寬度中心縱剖線Line_Y壓力系數(shù)分布

從圖9可以看出：1）第一節(jié)集裝箱運(yùn)行方向前端面A1-B1段主要為正壓分布，最大正壓區(qū)位于集裝箱頂部拐點(diǎn)處；第二節(jié)和第三節(jié)集裝箱前端面A2-B2段和A3-B3段在風(fēng)向角較小時(shí)處于正壓分布，當(dāng)風(fēng)向角大于15°時(shí)呈負(fù)壓分布；2）拐點(diǎn)過(guò)后到達(dá)集裝箱頂面B-C段，壓力由最大正壓迅速減小至最大的負(fù)壓，隨后上升至平穩(wěn)的較小負(fù)壓值，沿著B-C段緩慢變化；3）到達(dá)集裝箱尾端面，壓力由平穩(wěn)的負(fù)壓再次出現(xiàn)波動(dòng)，這主要是由于兩集裝箱連接槽形結(jié)構(gòu)造成；尾端面壓力遠(yuǎn)小于前端面，這也是集裝箱壓差阻力形成的主要原因；4）隨著風(fēng)向角的增大，集裝箱縱剖線正壓值減小，負(fù)壓值增大，這主要是由于隨著風(fēng)向角的增大，沿著列車運(yùn)行方向的速度分量逐漸減小.0°、30°、60°和90°風(fēng)向角下集裝箱中心縱剖面壓力分布云圖如圖10所示.

圖10 集裝箱寬度中心縱剖面壓力云圖

3.2 沿高度中心水平切線壓力分布

圖11 給出了在不同側(cè)風(fēng)風(fēng)向角下，集裝箱車輛DJ-1、DJ-2和DJ-3高度中心水平切線Line_Z_1，Line_Z_2，Line_Z_3壓力系數(shù)分布，不同風(fēng)向角下集裝箱中心水平剖面壓力云圖見圖12.可以看出：1）集裝箱運(yùn)行方向前端面水平切線E-F壓力分布從背風(fēng)側(cè)拐點(diǎn)到迎風(fēng)側(cè)拐點(diǎn)變化表現(xiàn)為逐漸減小后迅速增大到最大正壓；尾端面表面為負(fù)壓，且集裝箱3（DJ-3）的尾端面負(fù)壓值最大；2）集裝箱迎風(fēng)側(cè)水平切線F-G為正壓分布，背風(fēng)側(cè)水平切線H-E為負(fù)壓分布，這也是集裝箱在側(cè)風(fēng)作用下橫向力較大的原因；3）隨著風(fēng)向角的增加，集裝箱列車迎風(fēng)側(cè)的正壓值逐漸增大，背風(fēng)側(cè)的負(fù)壓值逐漸增大，當(dāng)風(fēng)向角增加到75°后，表面壓力系數(shù)變化減緩.

圖11 集裝箱高度中心水平剖線Line Z壓力分布特性

圖12 集裝箱高度中心水平剖面壓力云圖

3.3 沿長(zhǎng)度中心橫截面切線壓力分布

圖13為不同側(cè)風(fēng)風(fēng)向角下，集裝箱車輛DJ-1、DJ-2和DJ-3長(zhǎng)度中心橫截面切線Line_X_1，Line_X_2，Line_X_3壓力系數(shù)分布，不同風(fēng)向角下三節(jié)集裝箱長(zhǎng)度中心橫截面壓力云圖見圖14.同水平剖面切線壓力系數(shù)分布類似，在集裝箱迎風(fēng)側(cè)切線I-J壓力為正壓值，背風(fēng)側(cè)切線K-L壓力為負(fù)壓值，且隨著風(fēng)向角的增大，迎風(fēng)側(cè)切線I-J正壓值逐漸增大，背風(fēng)側(cè)切線K-L負(fù)壓值亦逐漸增大，使得列車橫向力逐漸增大.集裝箱頂面壓力為較大的負(fù)壓，且隨著風(fēng)向角的增大，負(fù)壓值逐漸增大，這將造成列車氣動(dòng)升力逐漸增大.

圖13 集裝箱長(zhǎng)度中心橫截面剖線Line_X壓力分布特性

圖14 集裝箱長(zhǎng)度中心橫截面壓力云圖

4 結(jié)論

在不同風(fēng)向角側(cè)風(fēng)作用下，單層集裝箱貨車表面壓力發(fā)生較大的變化，直接影響列車運(yùn)行的安全性.本文采用數(shù)值模擬的方法對(duì)單層集裝箱列車表面壓力隨側(cè)風(fēng)風(fēng)向角的變化進(jìn)行了詳細(xì)分析，得到以下結(jié)論：

1）側(cè)風(fēng)作用下，集裝箱運(yùn)行方向前端面主要為正壓分布，最大正壓區(qū)位于集裝箱頂部拐點(diǎn)處和迎風(fēng)側(cè)拐點(diǎn)處；集裝箱迎風(fēng)側(cè)為正壓分布，背風(fēng)側(cè)為負(fù)壓分布；集裝箱頂面為負(fù)壓分布.

2）隨著風(fēng)向角的增加，集裝箱迎風(fēng)側(cè)正壓值和背風(fēng)側(cè)負(fù)壓值逐漸增大，頂面負(fù)壓值亦逐漸增大，這是造成集裝箱橫向力和升力增大的主要原因.