李芳，趙午云，劉延龍

(中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川綿陽(yáng) 621900)

0 前言

側(cè)風(fēng)是氣象對(duì)車輛行駛安全的一個(gè)重要影響因素，國(guó)內(nèi)外對(duì)側(cè)風(fēng)作用下的鐵路車輛與公路車輛的氣動(dòng)性能的影響研究較早，研究方法包括風(fēng)洞試驗(yàn)與仿真模擬等。

側(cè)風(fēng)對(duì)車輛行車安全的影響研究工作初始以鐵路車輛的行駛安全展開，20世紀(jì)90年代前主要研究方法為風(fēng)洞試驗(yàn)法，通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)鐵路車輛的氣動(dòng)特性做出研究，近年來(lái)隨著計(jì)算流體力學(xué)與計(jì)算機(jī)計(jì)算性能的提高，計(jì)算流體仿真研究也逐步開展。

早在1984年，COOPER利用鐵路車輛模型在風(fēng)洞中進(jìn)行了鐵路車輛的氣動(dòng)荷載特征研究，并對(duì)路面行動(dòng)車輛的側(cè)風(fēng)功率譜函數(shù)、互相關(guān)函數(shù)等函數(shù)進(jìn)行了推導(dǎo)。

后續(xù)研究者在研究側(cè)風(fēng)影響下的列車氣動(dòng)性能時(shí)考慮了鐵路材料對(duì)氣動(dòng)性能的影響，并對(duì)不同橋?qū)?、不同?cè)偏角、不同高度路基進(jìn)行了試驗(yàn)研究，還針對(duì)高速列車開展了基于壓力場(chǎng)測(cè)試的風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯俊?/p>

典型的研究成果包括通過(guò)Simple算法求解RANS方程，計(jì)算得出了列車在側(cè)風(fēng)影響下的流場(chǎng)基本結(jié)構(gòu)特征；以及使用流體力學(xué)軟件對(duì)高速列車的側(cè)風(fēng)效應(yīng)進(jìn)行模擬，并對(duì)網(wǎng)格劃分的密度與質(zhì)量、計(jì)算方法、紊流模型及邊界設(shè)置等對(duì)流體力學(xué)計(jì)算結(jié)果的影響進(jìn)行比較。

國(guó)內(nèi)如西南交通大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)對(duì)于側(cè)風(fēng)效應(yīng)研究也較多。如使用流體力學(xué)分析軟件對(duì)雙層的列車在側(cè)風(fēng)影響下的氣動(dòng)升力系數(shù)、側(cè)向力系數(shù)、側(cè)傾力矩系數(shù)等進(jìn)行了計(jì)算，并得到了各系數(shù)與車輛速度、側(cè)風(fēng)強(qiáng)度的數(shù)量變化關(guān)系。隨著CFD仿真軟件計(jì)算精度提高、計(jì)算成本較低，采用數(shù)值模擬方法求解列車周邊流體流動(dòng)及其氣動(dòng)性能的研究增多。2011年西南交大于夢(mèng)閣等假定側(cè)風(fēng)為定常流動(dòng)，外部流場(chǎng)選擇不可壓縮流場(chǎng)模型的設(shè)定，對(duì)列車在不同強(qiáng)度與側(cè)偏角的側(cè)風(fēng)影響下的車體與車輪行駛狀態(tài)做出分析。同年中南大學(xué)苗秀娟通過(guò)數(shù)值模擬手段對(duì)側(cè)風(fēng)影響下的列車氣動(dòng)系數(shù)以及其與側(cè)偏角的數(shù)量變化關(guān)系進(jìn)行了研究。

目前國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者主要致力于側(cè)風(fēng)對(duì)運(yùn)輸工具的安全性進(jìn)行研究，對(duì)于文中的研究對(duì)象和研究工況，即類似于高原或者勁風(fēng)等大風(fēng)速工況、迎風(fēng)面積較大的大型儲(chǔ)物箱的研究相關(guān)報(bào)道較少。而這種大型儲(chǔ)物箱在裝卸過(guò)程中也面臨側(cè)風(fēng)引起的滑移動(dòng)和傾覆等安全性問(wèn)題。針對(duì)這一問(wèn)題，本文作者以固定在移動(dòng)托盤上的圓柱形儲(chǔ)物箱為例，研究在平均風(fēng)速15 m/s和瞬時(shí)風(fēng)速25 m/s的情況下某種型號(hào)尺寸的儲(chǔ)物箱的安全性，文中主要以數(shù)值仿真的方法計(jì)算該儲(chǔ)物箱在不同風(fēng)速工況下的側(cè)向作用力和傾覆力矩，結(jié)合摩擦力和力矩計(jì)算結(jié)果，確定在平均風(fēng)速15 m/s和瞬時(shí)風(fēng)速25 m/s的情況下該儲(chǔ)物箱不會(huì)發(fā)生滑移和傾覆；針對(duì)該型儲(chǔ)物箱開展驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析一致，驗(yàn)證了數(shù)值仿真結(jié)果的有效性。

1 數(shù)學(xué)模型建立

1.1 原始模型

文中的研究對(duì)象為放置在移動(dòng)托盤上的某種大尺寸型儲(chǔ)物箱，兩者固聯(lián)為一個(gè)整體。移動(dòng)托盤材料為6061鋁合金，質(zhì)量為200 kg，托盤兩輪之間的寬度為1 600 mm；儲(chǔ)物箱的質(zhì)量為2.9 t，儲(chǔ)物箱直徑為1 400 mm，長(zhǎng)度為2 100 mm，質(zhì)心距離地面的高度為800 mm，如圖1—圖3所示。

圖1 移動(dòng)托盤和儲(chǔ)物箱組合

圖2 移動(dòng)托盤

圖3 儲(chǔ)物箱

移動(dòng)托盤滾輪為鋁合金外包覆聚氨酯材料，地面為硬化地面(一般為水泥地面)。

1.2 建立仿真模型

由于移動(dòng)托盤含有零件較多，實(shí)體尺寸跨度較大，在分析軟件中容易導(dǎo)致網(wǎng)格劃分規(guī)模過(guò)大、計(jì)算資源無(wú)法滿足的問(wèn)題。為此，文中仿真對(duì)移動(dòng)托盤的原始模型進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化。

由于主要分析側(cè)向風(fēng)對(duì)儲(chǔ)物箱側(cè)向作用力和力矩后的安全性，因此，只要保證側(cè)向迎風(fēng)面積不小于托盤側(cè)向迎風(fēng)面積即可。為此，將移動(dòng)托盤簡(jiǎn)化為一個(gè)長(zhǎng)方體，且不改變儲(chǔ)物箱的重心高度。這種簡(jiǎn)化填補(bǔ)了原來(lái)移動(dòng)托盤很多可以過(guò)風(fēng)的結(jié)構(gòu)，實(shí)際上增加了移動(dòng)托盤的迎風(fēng)面積，將使得儲(chǔ)物箱和移動(dòng)托盤整體的受力計(jì)算結(jié)果偏大，對(duì)其抗風(fēng)安全性的評(píng)估結(jié)論更趨于保守、可靠。簡(jiǎn)化后的模型如圖4所示。

圖4 簡(jiǎn)化后的托盤儲(chǔ)物箱模型

由于仿真模型具有對(duì)稱性，為此，可采用計(jì)算半個(gè)模型的方式進(jìn)行計(jì)算，半個(gè)模型外圍的風(fēng)場(chǎng)尺寸設(shè)置為3 000 mm×3 000 mm×6 000 mm，如圖5所示。

圖5 儲(chǔ)物箱外圍的風(fēng)場(chǎng)模型

1.3 網(wǎng)格劃分

利用ICEM CFD對(duì)流場(chǎng)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，綜合計(jì)算量和仿真結(jié)果最終選擇了最大網(wǎng)格尺寸設(shè)置為100 mm的網(wǎng)格劃分方式。在車體表面進(jìn)行網(wǎng)格加密，第一層網(wǎng)格尺寸設(shè)置為10 mm，網(wǎng)格層數(shù)為10層，形成的網(wǎng)格劃分情況如圖6和圖7所示。

圖6 托盤儲(chǔ)物箱網(wǎng)格劃分情況

圖7 風(fēng)場(chǎng)模型網(wǎng)格劃分情況

1.4 邊界條件設(shè)置

入口為速度入口，入口風(fēng)速根據(jù)任務(wù)需求分別設(shè)置為15、25 m/s，湍流強(qiáng)度為2%，湍流直徑為6 108 mm；

出口為壓力出口，出口壓力設(shè)置為0，湍流強(qiáng)度為2%，湍流直徑為6 108 mm；

對(duì)稱面設(shè)置為對(duì)稱邊界；

其余均設(shè)置為壁面邊界條件。

湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)-模型，在壁面處進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，求解器選擇基于壓力基的求解器，當(dāng)平均風(fēng)速為15 m/s時(shí)，選擇穩(wěn)態(tài)時(shí)間類型；當(dāng)瞬態(tài)風(fēng)速為25 m/s時(shí)，選擇瞬態(tài)時(shí)間類型。

2 仿真結(jié)果與討論

2.1 側(cè)風(fēng)對(duì)儲(chǔ)物箱的作用力和最小傾覆力矩計(jì)算

儲(chǔ)物箱和移動(dòng)托盤固聯(lián)為一個(gè)整體放在地面上，假定地面的滑動(dòng)摩擦因數(shù)為0.5，若儲(chǔ)物箱發(fā)生滑動(dòng)，則至少需要克服地面的滑動(dòng)摩擦阻力為15 190 N，計(jì)算方法見公式(1)。

===

(1)

式中：為摩擦因數(shù)，量綱一化；為摩擦阻力(N)；為正壓力(N);為重力(N)；為質(zhì)量(kg)；為重力加速度。

儲(chǔ)物箱和移動(dòng)托盤固聯(lián)為一個(gè)整體放在地面上，若儲(chǔ)物箱發(fā)生傾覆，則至少需要克服儲(chǔ)物箱和移動(dòng)托盤自重相對(duì)于移動(dòng)托盤輪胎形成的力矩24 303 N·m，計(jì)算方法見公式(2)。移動(dòng)托盤兩側(cè)輪胎間距為1 600 mm，即儲(chǔ)物箱重力相對(duì)輪胎的翻轉(zhuǎn)力臂為800 mm。

===

(2)

式中：為力矩(N·m)；為力臂(m);文中為重心相對(duì)于移動(dòng)托盤輪胎的距離。

2.2 數(shù)值仿真結(jié)果

通過(guò)數(shù)值仿真得到儲(chǔ)物箱在不同工況下受到的最大側(cè)向力和翻轉(zhuǎn)力矩分別為1 521 N和931 N·m，遠(yuǎn)小于理論上發(fā)生滑移的摩擦阻力和最小傾覆力矩，因此，該儲(chǔ)物箱在2種工況下均不發(fā)生滑移和傾覆，安全性能良好。通過(guò)數(shù)值仿真方法得到各儲(chǔ)物箱在不同工況下的壓力云圖見圖8。

圖8 不同工況下的壓力云圖

從圖8可看出:風(fēng)速越大儲(chǔ)物箱受到的側(cè)向壓力越大，且在迎風(fēng)面的壓力值最大，隨著儲(chǔ)物箱弧度的變化壓力逐漸減小，在儲(chǔ)物箱的頂端達(dá)到最小值。

綜上所述，儲(chǔ)物箱在瞬時(shí)風(fēng)速25 m/s時(shí)受到的側(cè)向力和翻轉(zhuǎn)力矩均高于在平均風(fēng)速15 m/s受到的側(cè)向力和翻轉(zhuǎn)力矩，即儲(chǔ)物箱在瞬時(shí)風(fēng)速25 m/s時(shí)受到的側(cè)向力和側(cè)向力矩最大，最大側(cè)向力為1 521 N，最大翻轉(zhuǎn)力矩為931 N·m。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用儲(chǔ)物箱1∶1質(zhì)量模擬件，安裝固定于移動(dòng)托盤上，移動(dòng)托盤靜置于地面。在儲(chǔ)物箱質(zhì)量模擬件的質(zhì)心位置附近，正側(cè)向施加靜態(tài)拉力載荷，模擬儲(chǔ)物箱及移動(dòng)托盤整體受到到強(qiáng)風(fēng)侵襲的工況。試驗(yàn)系統(tǒng)組成如圖9所示。

圖9 側(cè)向力加載驗(yàn)證試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)加載時(shí)，拉索的一頭系固于質(zhì)量模擬件的芯軸上(水平位置位于儲(chǔ)物箱的質(zhì)心位置)；加載力通過(guò)負(fù)載(鐵塊)重力穩(wěn)定施加；支架主要起到力的換向作用，讓負(fù)載重力轉(zhuǎn)換為對(duì)儲(chǔ)物箱的側(cè)向拉力；配重塊起到固定支架的作用。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)所加負(fù)載為3 193 N，由3塊尺寸相同的鐵塊焊接而成，單個(gè)鐵塊質(zhì)量108.6 kg。加載狀態(tài)如圖10所示。

圖10 側(cè)向力加載驗(yàn)證試驗(yàn)系統(tǒng)加載狀態(tài)

負(fù)載對(duì)移動(dòng)托盤和儲(chǔ)物箱質(zhì)量模擬件施加的側(cè)向拉力為3 193 N(3×108.6 kg×9.8 m/s)，試驗(yàn)結(jié)果表明：移動(dòng)托盤和儲(chǔ)物箱質(zhì)量模擬件整體無(wú)滑移、未側(cè)翻。

側(cè)向力的安全系數(shù)：3 193 N/1 521 N=2.1。

側(cè)向力的翻轉(zhuǎn)力矩安全系數(shù)：3 193 N×0.8 m/931 N·m=2.7。

其中：0.8 m為儲(chǔ)物箱質(zhì)心距地面距離;931 N·m為儲(chǔ)物箱在25 m/s瞬時(shí)風(fēng)速條件下所受翻轉(zhuǎn)力矩的仿真計(jì)算值。

按照仿真計(jì)算結(jié)果，儲(chǔ)物箱在25 m/s瞬時(shí)風(fēng)速條件下，至少具有2倍的抗風(fēng)安全系數(shù)，滿足安全性設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

針對(duì)大尺寸儲(chǔ)物箱在側(cè)風(fēng)作用下的安全性問(wèn)題，利用FLUENT軟件對(duì)儲(chǔ)物箱周圍的流場(chǎng)形態(tài)進(jìn)行模擬，得到了該儲(chǔ)物箱分別在平均風(fēng)速15 m/s和瞬時(shí)風(fēng)速25 m/s作用下的側(cè)向作用力和作用力矩。在不同工況下風(fēng)的最大側(cè)向力和翻轉(zhuǎn)力矩均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于儲(chǔ)物箱和移動(dòng)托盤整體相對(duì)于地面的滑動(dòng)摩擦阻力和最小傾覆力矩。針對(duì)該儲(chǔ)物箱質(zhì)量模擬件開展了模擬抗風(fēng)驗(yàn)證試驗(yàn)，當(dāng)側(cè)向加載力為3 193 N時(shí)，整體無(wú)側(cè)向滑移、未產(chǎn)生側(cè)翻，滿足在大風(fēng)速作用下在運(yùn)輸工具上裝卸的安全性要求。