王希理， 張明祿

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

隨著列車運(yùn)營(yíng)速度的提高,強(qiáng)風(fēng)下高速列車的運(yùn)行安全問題日益突出[1]。由于強(qiáng)風(fēng)導(dǎo)致的列車脫軌傾覆事件在世界各個(gè)國(guó)家中均有發(fā)生[2-3]。高速列車在大風(fēng)環(huán)境中運(yùn)行時(shí)，列車運(yùn)動(dòng)引起的氣流和側(cè)風(fēng)共同在列車表面產(chǎn)生壓力差。當(dāng)壓力差過大時(shí)，將危及列車的行車安全性[4]。線路周圍地理形狀和建筑物能改變氣流的流動(dòng)方向和流速大小[5-6]，列車在側(cè)風(fēng)中的行車安全性與線路周圍環(huán)境有重要聯(lián)系。本文采用分析側(cè)風(fēng)效應(yīng)常用的合成風(fēng)法進(jìn)行數(shù)值模擬[7]，分析計(jì)算側(cè)風(fēng)條件下列車在橋上運(yùn)動(dòng)時(shí)列車周圍的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)力分布情況。

1 數(shù)學(xué)模型

采用大渦模擬( LES) 的湍流模型[8-9]，大渦模擬就是建立一個(gè)數(shù)學(xué)濾波函數(shù)，將Navier-Stokes( N-S) 方程中尺度比濾波函數(shù)小的渦過濾掉，分離出大渦的運(yùn)動(dòng)方程，小渦對(duì)大渦的影響由亞格子應(yīng)力體現(xiàn)。對(duì)于瞬時(shí)變量U包含所有湍流尺度，但通過濾波函數(shù)后就可以將其分解為式(1)。

(1)

經(jīng)過濾波函數(shù)過濾非定常不可壓Navier-Stokes方程，得到大尺度脈動(dòng)的控制方程為：

(2)

2 計(jì)算模型

2.1 計(jì)算工況

對(duì)于分析側(cè)風(fēng)下高速列車的外流場(chǎng)，本文采用目前國(guó)內(nèi)外通用的合成風(fēng)法。即列車靜止不動(dòng)，將外界側(cè)風(fēng)風(fēng)速(Vw)和與列車運(yùn)行速度大小相等方向相反的風(fēng)速(Vt)進(jìn)行矢量合成組合風(fēng)速(Vr)，各分量之間的關(guān)系(圖1)。

圖1 風(fēng)向示意

2.2 計(jì)算模型

本文是以CRH2動(dòng)車組為原型。完整的CRH2動(dòng)車組列車由多節(jié)車廂共同組成，車身較長(zhǎng)。如果對(duì)整列動(dòng)車組進(jìn)行流場(chǎng)和氣動(dòng)力進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算量會(huì)很大，這樣對(duì)計(jì)算機(jī)的要求較高，而比較難實(shí)現(xiàn)。由于動(dòng)車組中間車廂橫截面相同，所以列車中部的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)力的變化都趨于穩(wěn)定。因此，本文的計(jì)算模型采用3節(jié)車模型進(jìn)行數(shù)值模擬。即頭車25.5 m、中間車25 m、尾車25.5 m，三節(jié)車廂組成長(zhǎng)為76 m、寬為3.38 m、高為3.7 m的整車計(jì)算模型(圖2)。

圖2 計(jì)算模型示意

2.3 計(jì)算區(qū)域和計(jì)算網(wǎng)格

計(jì)算區(qū)域見圖3。其中橋面上方流場(chǎng)高50 m，橋面下方流場(chǎng)高10 m。

圖3 計(jì)算區(qū)域俯視(單位：m)

在劃分計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格時(shí)由于列車頭部和尾部曲面比較復(fù)雜，所以列車周圍內(nèi)部區(qū)域用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分(圖4)，外部區(qū)域用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)約為986×104個(gè)，內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域通過Interface面插值傳遞數(shù)據(jù)；這樣既能控制網(wǎng)格數(shù)量又能一定程度上保證計(jì)算速度和計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖4 列車周圍內(nèi)部區(qū)域網(wǎng)格

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 側(cè)風(fēng)下在橋上運(yùn)行的高速列車流場(chǎng)結(jié)構(gòu)

采用合成風(fēng)的方法對(duì)高速列車的外流場(chǎng)和氣動(dòng)力進(jìn)行了仿真計(jì)算。計(jì)算了側(cè)風(fēng)為30 m/s，時(shí)速為250 km/h的高速列車在在橋上的運(yùn)行狀態(tài)。圖5是列車在橋上運(yùn)行時(shí)流場(chǎng)的總壓等值面顯示的旋渦位置和形態(tài)。從圖5中可以看到列車在橋上側(cè)風(fēng)條件下運(yùn)行時(shí)，也會(huì)在列車背風(fēng)側(cè)產(chǎn)生4個(gè)渦(1渦、2渦、3渦、4渦)，在車身背風(fēng)側(cè)的橋面下也會(huì)由于橋梁結(jié)構(gòu)的影響，從前往后產(chǎn)生個(gè)多個(gè)旋渦。

圖5 橋上列車總壓等值面旋渦示意

從圖5中可以看見側(cè)風(fēng)條件下列車在橋面運(yùn)行時(shí)，橋面結(jié)構(gòu)引起多個(gè)旋渦，列車背風(fēng)側(cè)會(huì)產(chǎn)生4個(gè)旋渦和尾部2個(gè)尾渦。

從圖6中可以發(fā)現(xiàn)列車背風(fēng)側(cè)的1渦產(chǎn)生在列車的頂部，橋面結(jié)構(gòu)下沿背風(fēng)側(cè)的2個(gè)渦向右上方偏移。

圖6 橋上距車頭10 m處截面總壓

從圖7中可以發(fā)現(xiàn)在距車頭64 m處，橋面列車的3渦在列車的頂部形成并開始脫離列車表面，1渦、2渦脫離列車表面向右偏移，尾車背風(fēng)側(cè)由橋面結(jié)構(gòu)引起的渦在1渦作用下開始向橋面移動(dòng)。

圖7 橋上距車頭64 m處截面總壓

從圖8可以發(fā)現(xiàn)在距車頭73 m處，橋面列車的3渦脫離列車的頂部，在列車尾部上沿開始產(chǎn)生4渦，尾車背風(fēng)側(cè)由橋面結(jié)構(gòu)引起的渦上移到橋面上與1渦開始相互作用。

圖8 橋上距車頭73 m處截面總壓

對(duì)整體流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)側(cè)風(fēng)條件下，橋面運(yùn)行列車背風(fēng)側(cè)有橋面結(jié)構(gòu)引起的旋渦與列車引起的旋渦之間的相互作用(1渦與橋面結(jié)構(gòu)引起的卷上橋面的渦的相互作用)，也有列車引起的3渦與4渦之間的相互作用。

此外還計(jì)算了列車時(shí)速250 km/h，側(cè)風(fēng)速度為28 m/s和25 m/s時(shí)列車在橋上的運(yùn)行狀態(tài)，也可得到相同流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，在列車背風(fēng)側(cè)也會(huì)產(chǎn)生4個(gè)旋渦，只是由于側(cè)風(fēng)速度不一樣，列車背風(fēng)側(cè)渦脫的位置有所差別。

3.2 側(cè)風(fēng)下高速列車在橋上運(yùn)行的氣動(dòng)力特

圖9顯示的是側(cè)風(fēng)速度為30 m/s，列車以250 km/h的時(shí)速在橋上運(yùn)行時(shí)整車所受側(cè)力隨時(shí)間的變化；從圖9中可以看出側(cè)風(fēng)條件下列車在橋上運(yùn)行時(shí)列車的側(cè)力是波動(dòng)的；側(cè)風(fēng)下列車在橋上運(yùn)行的側(cè)力平均值為191 990.15 N，最大波動(dòng)幅值為214 39.32 N。分別分析各節(jié)車廂的側(cè)力，發(fā)現(xiàn)列車頭車和中間車側(cè)力波動(dòng)較小，尾車側(cè)力波動(dòng)最大。

圖9 整車側(cè)力隨時(shí)間變化

圖10顯示的是側(cè)風(fēng)速度為30 m/s，列車以250 km/h的時(shí)速在橋上運(yùn)行時(shí)尾車所受側(cè)力隨時(shí)間的變化；從圖10中可以看出側(cè)風(fēng)條件下列車在橋上運(yùn)行時(shí)的尾車側(cè)力波動(dòng)很大；側(cè)風(fēng)下列車在橋上運(yùn)行的尾車側(cè)力平均值為40 134.26 N,最大波動(dòng)幅值為14 216.54 N。

圖10 尾車側(cè)力隨時(shí)間變化

從圖5中整體來看側(cè)風(fēng)條件下列車在橋上運(yùn)行時(shí)，列車背風(fēng)側(cè)的旋渦渦系非常復(fù)雜，列車在橋面運(yùn)行時(shí)頭車和中間車背風(fēng)側(cè)產(chǎn)生的兩個(gè)渦比較穩(wěn)定，所以頭車和中間車側(cè)力波動(dòng)較小。尾車背風(fēng)側(cè)由橋面結(jié)構(gòu)引起的一個(gè)渦會(huì)在1渦的作用下卷上橋面，圖5和圖8中也可看出1渦和尾車背風(fēng)側(cè)由橋面結(jié)構(gòu)引起的卷上橋面的渦也發(fā)生交叉融合；從圖5中可以看到2渦脫離列車后會(huì)向下偏移至橋面邊緣發(fā)生衰減破裂；且在橋上運(yùn)行時(shí)3渦和4渦會(huì)相互交叉最后合成一個(gè)渦，進(jìn)而還會(huì)與一個(gè)尾渦相互作用。以上三種情況就引起了側(cè)風(fēng)下橋上運(yùn)行列車尾車背風(fēng)面壓力的振蕩，從而使得列車尾車側(cè)力劇烈振蕩，進(jìn)而引起整車側(cè)力的大幅振蕩。側(cè)風(fēng)速度為28 m/s和25 m/s時(shí)均能得到相同結(jié)論。

4 結(jié)論

研究的3車模型來說，側(cè)風(fēng)條件下列車在橋上運(yùn)行時(shí)，列車背風(fēng)側(cè)的流場(chǎng)有列車頂部和底部卷起形成的4個(gè)旋渦渦系；橋梁結(jié)構(gòu)會(huì)前后依次引起有多個(gè)旋渦渦系。旋渦的破裂和旋渦之間的相互交叉融合造成了列車側(cè)力的大幅振蕩。