左太輝，何旭輝，鄒云峰

(1.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；2.高速鐵路建造技術(shù)國家工程實驗室，湖南 長沙 410075)

橫風下高速鐵路列車氣動力是列車行車安全研究的重要前提，與在平地路面上行駛不同，由于路堤、高架橋干擾造成列車表面繞流形式改變，導致列車氣動力顯著改變，橫風效應更加突出，大大增加列車脫軌、傾覆的可能性。因此，研究路況情景對列車氣動力影響，探索其風荷載作用規(guī)律和機理，對優(yōu)化高速鐵路列車線路布置形式，提高列車行車安全性至關(guān)重要。國內(nèi)外學者通過實車測試、風洞試驗和計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)對列車氣動力特性開展廣泛的研究，得出了一些有價值的成果[1-2]。

文獻[3-4]在實際列車表面布置有規(guī)則的測壓孔，通過電子掃描閥全程記錄列車在不同地段時列車表面風壓力值，獲得不同風速和風向下列車氣動力，為列車行車安全性研究提供重要資料和參考。文獻[5-7]針對簡支梁橋和CRH2高速鐵路列車，研究車-橋組合下橋梁和列車氣動力特性，討論風環(huán)境參數(shù)對列車臨界風速的影響，分析來流風速、來流風向、列車運行速度等與列車氣動力之間的關(guān)系，并利用煙線法進行列車氣動干擾機理研究，結(jié)論指出雷諾數(shù)對車-橋氣動力影響有限，復線軌道列車布置形式和風偏角等參數(shù)對車橋氣動力影響顯著。李永樂等[8]利用交叉滑槽系統(tǒng)，研究車-橋組合下橋梁截面參數(shù)對列車和橋梁氣動力影響，獲得車-橋氣動力隨橋梁截面的變化規(guī)律。文獻[9-10]采用三維動網(wǎng)格技術(shù)對列車在強橫風作用下運行狀態(tài)進行模擬，分析列車位于平地、高架橋、路塹和路堤等下部路況場景下的氣動力和氣動力矩，結(jié)論發(fā)現(xiàn)列車位于高架橋上氣動力及力矩最大，位于路塹上最小，路堤高度低于20 m時，客車氣動力隨路堤高度的增加而增大。譚深根[11]針對路堤上高速鐵路列車進行數(shù)值模擬計算，分析橫風作用下列車周圍流場結(jié)構(gòu)，研究列車表面漩渦數(shù)量和漩渦起始位置隨路堤高度的變化規(guī)律。

Baker等[12]對列車分別進行實測和風洞試驗研究，獲得列車氣動力和氣動導納函數(shù)，結(jié)果表明風洞試驗和實測結(jié)果吻合較好，同時指出風洞試驗中應該充分模擬實際地貌粗糙度以保證結(jié)果的真實性和準確性。Bocciolone等[13]對比不同路況場景下靜止和運動的列車氣動力，結(jié)果表明運動狀態(tài)和靜止氣動力差別不大，采用靜止列車進行試驗研究是可行的。Cheil等[14]通過風洞試驗，研究ETR500列車位于不同路況場景的氣動力差異，發(fā)現(xiàn)來流風偏角較小時，列車位于路堤和平地上氣動力差別不大，均遠小于列車位于高架橋上。Tomasini等[15]通過風洞試驗，討論路堤布置形式對列車氣動力影響，發(fā)現(xiàn)車頭前方路堤長度和坡度對列車氣動力影響較小。Schober等[16]研究了橫風作用下ICE3列車在平地、有道砟與軌道的平地、路堤三種路況下的氣動力系數(shù)，發(fā)現(xiàn)橫風對列車的氣動作用不僅與列車外形有關(guān)，還和下部路況場景有很大的關(guān)系，應考慮下部路況場景對高速列車的氣動力的影響。

綜上所述，作為列車行車安全性研究的基礎(chǔ)和前提，國內(nèi)外學者對列車氣動力開展相關(guān)研究，取得了諸多成果，并指出路況場景等對列車氣動性能顯著影響。然而，受試驗技術(shù)及設備的限制，已有的研究較多采用測力模型風洞試驗獲得列車氣動力，利用CFD數(shù)值模擬得到列車表面流場分布，能夠考慮列車氣動外形、風場參數(shù)和線路布置形式影響，但是還沒有通過試驗深入研究路況場景對列車表面風壓及氣動力特性影響規(guī)律及機理。本文通過風洞測壓模型試驗，以ICE3高速鐵路列車頭車為背景，給出不同路況場景(平地、路堤和高架橋)下，列車表面風壓分布和氣動力特性變化規(guī)律；基于粒子圖像測速技術(shù)(Particle Image Velocimetry，PIV)展現(xiàn)列車模型周圍的流場特性，并據(jù)此分析3種路況場景對列車氣動特性影響機理。所得結(jié)論可為高速鐵路列車行車安全性研究提供數(shù)據(jù)參考。

1 剛性模型測壓風洞試驗

1.1 試驗概況及數(shù)據(jù)處理方法

剛性模型測壓試驗在中南大學“高速鐵路建造技術(shù)國家工程實驗室”風洞實驗室進行，試驗段截面尺寸為3 m×3 m×15 m?？紤]到阻塞率和試驗雷諾數(shù)的要求，模型的幾何縮尺比為1∶25。已有研究表明[12]，列車頭尾車的氣動力變化劇烈程度遠大于中車，基于此，本文對氣動力變化劇烈的頭車開展研究。在列車表面17個截面共布置334個測壓孔，頭車模型長度為L，車頭10個截面距離鼻尖分別為0.01L、0.03L、0.06L、0.09L、0.10L、0.12L、0.13L、0.16L、0.22L、0.28L，車身7個截面距離鼻尖分別為0.35L、0.43L、0.53L、0.62L、0.72L、0.83L、0.95L，測點布置見圖1。

圖1 列車車頭模型測點布置

風壓測量采用美國Scanivalue公司的DSM3400電子壓力掃描閥系統(tǒng)。每個測點采集10 000個數(shù)據(jù)，采樣頻率為312.5 Hz。為消除風壓信號途經(jīng)測壓管路系統(tǒng)產(chǎn)生的畸變，采用測壓管路系統(tǒng)的傳遞函數(shù)對風壓數(shù)據(jù)修正。

對各測壓孔測試的風壓時程Pi進行無量綱處理，得到風壓系數(shù)Cpi為

(1)

式中：P0為無窮遠處參考點的總壓；P∞為無窮遠處參考點靜壓；i為測壓點。

對考慮權(quán)屬面積的風壓時程積分可以得到列車氣動力；側(cè)力FD是列車前后表面壓力差的面積分；升力FL是列車上下表面壓力差的面積分；升力與側(cè)力的合力作用點與列車形心不一致時，會產(chǎn)生傾覆力矩M，傾覆力矩中心選為兩輪軌接觸點中心。氣動力可用無量綱系數(shù)為

(2)

式中：CD、CL、CM分別為風軸坐標系下的列車側(cè)力系數(shù)、升力系數(shù)、力矩系數(shù)；U為來流風速，m/s；ρ為空氣密度，取ρ=1.225 kg/m3；H、B、L分別為列車的高度、寬度、長度，m。

試驗工況見表1和圖2?？紤]列車位于平地(1 m高標準化道砟軌道)、路堤和高架橋3種路況場景，各路況比較了列車位于迎風側(cè)軌道和背風側(cè)軌道區(qū)別。試驗流場為均勻流場，紊流度小于0.5%，來流方向為垂直列車前進方向(橫風向)，試驗風速約為10 m/s，對應雷諾數(shù)約為1×105，試驗最大阻塞比不超過5%。

表1 試驗工況

圖2 路況場景與列車組合形式

3 列車氣動力系數(shù)及表面風壓

3.1 列車氣動力系數(shù)結(jié)果分析

3種工況下列車氣動力系數(shù)見表2。由表2可見，工況3列車側(cè)力系數(shù)明顯大于另外兩種工況，且當列車位于迎風側(cè)軌道時，這種差異更為顯著；升力系數(shù)的變化規(guī)律則相反：工況3列車升力系數(shù)小于另外兩種工況，且仍是列車位于迎風側(cè)軌道時差異更明顯。力矩系數(shù)是升力系數(shù)和側(cè)力系數(shù)綜合影響的結(jié)果，無明顯的規(guī)律性。此外，除工況1外，列車位于迎風側(cè)軌道時的側(cè)力系數(shù)明顯大于列車位于背風側(cè)軌道的工況，可見列車在背風側(cè)軌道運行時更為安全，這是因為橋梁和路堤的干擾造成前方來流加速，改變了列車表面繞流。

表2 路況場景對氣動力和力矩的影響

沿列車展向各截面氣動力系數(shù)變化規(guī)律見圖3和圖4。由圖3和圖4可知，車頭的圓弧形截面導致車頭氣動力系數(shù)變化比較劇烈，隨著與鼻尖距離的增大，截面逐漸鈍化，來流分離點固定，氣動力系數(shù)趨向平穩(wěn)。

圖3 沿列車展向各截面氣動力和力矩變化曲線(迎風側(cè)軌道)

圖4 沿列車展向各截面氣動力和力矩系數(shù)變化曲線(背風側(cè)軌道)

3.2 列車表面平均風壓系數(shù)結(jié)果分析

列車四個典型截面(x/L=0.01、0.03、0.16、0.53)的平均風壓系數(shù)Cp分布見圖5和圖6。由圖5和圖6可知：由于漩渦列車頭鼻尖處脫落，導致車頭部分出現(xiàn)較強的負壓；隨著截面的鈍化，車身迎風面出現(xiàn)小于1.0的正壓；在列車的迎風面頂部前緣，漩渦分離造成極大負壓，局部位置負壓小于-4.0；由于處于尾流漩渦分離區(qū)，列車背風面為負壓；列車背風面和底面負壓都比較均勻，由于頂面流場能自由發(fā)展而底部受到限制，列車頂面負壓大于底面。相比而言，工況3中列車迎風前緣弧頂處極值負壓絕對值大于工況1和工況2，但列車頂面和底面的負壓均小于工況1和工況2。由于迎風前緣的負壓是影響列車側(cè)力的主要因素，頂面和底面負壓主要影響升力，故工況3側(cè)力系數(shù)大于工況1和工況2，但是其升力系數(shù)小于另外兩種工況(見表2)。當列車位于背風側(cè)軌道時，由于路堤和橋梁的干擾，列車迎風面頂部弧角極值負壓小于列車位于軌道迎風側(cè)工況。

圖5 列車表面平均風壓系數(shù)(迎風側(cè)軌道)

圖6 列車表面平均風壓系數(shù)(背風側(cè)軌道)

4 列車風荷載作用機理研究

4.1 PIV試驗

為研究路況場景對列車氣動力特性的影響機理，通過PIV試驗，觀察列車模型周圍的繞流并量化流場特性。PIV試驗在中南大學開口直流式小型風洞中完成，風洞橫截面尺寸為0.45 m×0.45 m×1 m，試驗風速為10 m/s。模型幾何縮尺比為1∶120。PIV試驗裝置主要由雙脈沖激光器、CCD相機、同步器和軟件處理系統(tǒng)組成。通過調(diào)節(jié)相機和激光器的位置，獲得列車不同截面位置尾部流場信息。所拍攝照片像素為2 560×2 160，采樣頻率為5 Hz，采樣時長為40 s。本文所給出的流場特性均為對200張照片進行平均化處理后的結(jié)果。

4.2 迎風側(cè)軌道列車流場特性分析

根據(jù)文獻[17-18]的研究結(jié)果，列車迎風側(cè)和頂面剪切層較薄，在列車迎風前緣和頂部不容易觀察到漩渦。限于文章篇幅，本文僅對列車背面流場進行分析。列車位于軌道迎風側(cè)時，3.2節(jié)中所述四個典型截面后部YZ平面內(nèi)的速度云圖和速度流線見圖7。根據(jù)圖7可以得出結(jié)論：

圖7 迎風側(cè)列車模型后部YZ平面內(nèi)速度云圖

(1)由于車頭截面尺寸較小，尚未達到分離再附的條件，故其后部未形成明顯漩渦。車身后部形成有規(guī)律的旋渦脫落，且距離車頭鼻尖位置越遠，列車后部漩渦尺寸及其影響范圍越大，渦核更靠近列車表面。這即從機理上解釋了“車身負壓絕對值大于車頭”的現(xiàn)象，也導致車身側(cè)力系數(shù)大于車頭，這與文獻 [19]的研究結(jié)論吻合，即橫風作用下列車背面尾流旋渦的大小和位置影響了列車表面負壓分布。

(2)由于車下高架橋和路堤的干擾，工況2和工況3中列車車頭位置出現(xiàn)了小尺寸漩渦，車身截面出現(xiàn)類似于卡門渦街的旋渦脫落。相比而言，高架橋的干擾效應更明顯，導致工況3中列車背面旋渦結(jié)構(gòu)更顯著，出現(xiàn)周期交替脫落的對渦，且渦核更靠近列車表面。工況1和工況2尾流旋渦形狀和大小差別不大。

(3)尾流旋渦是影響列車表面負壓的關(guān)鍵因素，流場對渦的出現(xiàn)導致工況3列車側(cè)力系數(shù)明顯大于工況1和工況2，驗證了剛性測壓風洞試驗結(jié)果的可靠性，也從機理上解釋了前文的結(jié)論：工況1和工況2列車表面風壓系數(shù)和氣動力系數(shù)差別較小，但與工況的3差別較明顯。

4.3 背風側(cè)軌道列車流場特性分析

列車位于軌道背風側(cè)時，四個典型截面后部YZ平面內(nèi)的速度云圖和速度流線見圖8。由圖8可見，流場結(jié)構(gòu)變化規(guī)律和列車位于軌道迎風側(cè)時基本一致：隨著截面逐漸鈍化，尾流漩渦越來越明顯，車身位置后部可以觀測到比較明顯的尾流旋渦。工況3中的旋渦較工況1和工況2更為顯著，且渦核更接近車身表面。

圖8 背風側(cè)列車模型后部YZ平面內(nèi)速度云圖

與列車位于軌道迎風側(cè)的工況對比，主要差異如下：①列車背面旋渦尺寸比迎風側(cè)工況小，尤其是工況3，旋渦結(jié)構(gòu)形式與迎風側(cè)工況差異較大，未形成周期交替脫落的旋渦；②渦核距離列車表面更遠，造成了列車背面抽吸作用減弱，背風面風吸力減小，從機理上解釋了背風側(cè)工況的極值負壓和氣動側(cè)力系數(shù)小于迎風側(cè)工況的原因。這是因為列車位于軌道背風側(cè)時，來流前方路堤和橋梁的干擾作用使得列車浸沒在橋梁和路堤自身的回流區(qū)內(nèi)，這對列車頂部和上方來流分離造成影響，減弱了列車平面流場分離與再附作用。

5 結(jié)論

本文通過模型風洞測壓試驗和PIV粒子成像技術(shù)，研究下部場景工況對列車表面氣動力特性和風荷載的影響規(guī)律及其作用機理。所得主要結(jié)論如下：

(1)關(guān)于列車氣動力特性，當列車位于高架橋上時，側(cè)力系數(shù)大于平地和路堤工況，但升力系數(shù)小于另外兩種路況場景，列車在高架橋上運行的不安全性大于另外兩種路況場景；雙線軌道上迎風側(cè)軌道列車的側(cè)力系數(shù)明顯大于軌道背風側(cè)列車；列車車頭氣動力系數(shù)變化劇烈程度大于車身。

(2)關(guān)于列車表面風壓分布特性，由于三維流場效應和截面尺寸影響，車頭靠近鼻尖處幾乎沒有正壓，列車背風面、頂面和底面均為負壓區(qū)域，迎風前緣頂部弧形分離點處出現(xiàn)極值負壓區(qū)域；不同路況場景下，列車位于高架橋上時的負壓極值絕對值大于另外兩種路況，導致車橋組合工況下的氣動力特性和其他工況差別明顯。

(3)關(guān)于風荷載作用機理，列車背風面形成的漩渦可能是影響列車表面負壓的關(guān)鍵因素，由于橋梁繞流的干擾效應，列車背面形成尺寸較大的對渦，導致高架橋干擾下的列車表面極值負壓和側(cè)力系數(shù)大于其他下部結(jié)構(gòu)工況組合形式；路堤和平地路況列車背面漩渦差別并不明顯。