摘"要：針對(duì)不同裝載情況的敞車，開展敞車在空載、半載、滿載3種情況下氣動(dòng)性能的研究。研究結(jié)果表明：?jiǎn)喂?jié)敞車氣動(dòng)力的變化規(guī)律與整車氣動(dòng)力的變化規(guī)律一致；空載敞車所受的氣動(dòng)阻力最大，半載敞車次之，滿載敞車最?。粷M載敞車所受的氣動(dòng)升力最大，半載敞車次之，空載敞車最小；3種敞車所受的側(cè)向力非常接近，最大差距僅為1.9％；空載敞車和半載敞車所受的氣動(dòng)力較為接近，而滿載敞車與前兩種車型有明顯差距。

關(guān)鍵詞：鐵路貨運(yùn)列車；裝載；敞車；氣動(dòng)性能；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：U272""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A""文章編號(hào)：1671-5276（2024）02-0025-04

Study on Aerodynamic Performance of Gondola Cars with Different Loadings under Crosswind

XIE Yujiang， WU Zhenfeng

（School of Mechanical Engineering，Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070， China）

Abstract：According to the different loading conditions of gondola car， the aerodynamic performance of the gondola car under three conditions of empty-load， half-load and full-load was studied. The reserch results show that the change law of the aerodynamic force of a single gondola car is consistent with that of the whole vehicle， the aerodynamic drag of empty-load train is the largest， followed by half-load train， and full-load train is the least. The aerodynamic lift force of full-load train is the largest， half-load train comes to the second， and empty-load train is the least. The lateral forces of the three trains are very close with the biggest difference as merely 1.9%. The aerodynamic force of empty-load and half-load gondola car is relatively close， while full-load gondola car has a significant gap with the former two models.

Keywords：railway freight train; load; gondola car; aerodynamic performance; numerical simulation

0"引言

蘭新鐵路是我國(guó)貨物運(yùn)輸?shù)闹匾ǖ?，由于特殊的地理位置，蘭新鐵路經(jīng)過(guò)了多個(gè)風(fēng)區(qū)，這些風(fēng)區(qū)環(huán)境惡劣，常年伴有強(qiáng)烈側(cè)風(fēng)，對(duì)我國(guó)貨運(yùn)列車的安全運(yùn)行帶來(lái)了威脅。針對(duì)側(cè)風(fēng)作用下貨運(yùn)列車的氣動(dòng)性能，國(guó)內(nèi)外的眾多學(xué)者主要作了以下研究。梁習(xí)鋒等［1］基于二維、非定常N-S方程，忽略車輛的轉(zhuǎn)向架，研究了側(cè)風(fēng)作用下敞車、棚車、罐車和客車的氣動(dòng)性能。周丹等［2］基于三維、非定常N-S方程，研究了側(cè)風(fēng)作用下不同類型鐵路貨車在5m路堤上運(yùn)行時(shí)的氣動(dòng)性能。何華等［3］基于二維、定常N-S方程，忽略了車輛的轉(zhuǎn)向架，研究了側(cè)風(fēng)作用下導(dǎo)流板對(duì)敞車氣動(dòng)性能的影響，并對(duì)敞車周圍的流場(chǎng)進(jìn)行了分析。金琦、熊小慧等［4-5］基于三維、定常N-S方程，研究了側(cè)風(fēng)作用下篷布對(duì)敞車氣動(dòng)性能的影響。HASSAN H等［6］使用大渦模擬法研究了側(cè)風(fēng)作用下貨運(yùn)列車的氣動(dòng)性能，得到了機(jī)車和集裝箱貨車周圍的壓力、流場(chǎng)分布以及相關(guān)的氣動(dòng)參數(shù)。

敞車是我國(guó)目前應(yīng)用數(shù)量最多、范圍最廣的鐵路貨車，占總體鐵路貨車數(shù)量的50％以上，具有非常高的研究?jī)r(jià)值。雖然有學(xué)者研究了側(cè)風(fēng)作用下敞車的氣動(dòng)性能，但這些研究或忽略了敞車的轉(zhuǎn)向架，或僅僅基于二維條件，對(duì)三維條件下帶有完整轉(zhuǎn)向架的敞車研究不足。敞車結(jié)構(gòu)特殊，內(nèi)部具有巨大的空腔，這就導(dǎo)致了敞車在空載和載物狀態(tài)下的外形有所不同。敞車在運(yùn)輸煤炭、道碴等物品時(shí)存在裝不滿的情況，由于這些物品呈顆粒狀，裝在一起時(shí)表面縫隙較小，故這種狀態(tài)下的敞車可以近似看做空腔裝滿一半物品的半載狀態(tài)；而敞車在運(yùn)輸鋼材、機(jī)械設(shè)備等畏雨物品時(shí)通常會(huì)蓋篷布，由于本文主要考慮敞車的氣動(dòng)特性，并不涉及流固耦合問題，故這種狀態(tài)下的敞車可以近似看做空腔裝滿物品的滿載狀態(tài)。因此本文針對(duì)側(cè)風(fēng)條件，對(duì)敞車在空載、半載、滿載3種情況下的氣動(dòng)性能進(jìn)行了研究。

1"研究方法

1.1"控制方程

連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程是控制流體流動(dòng)的基本方程。本文列車的運(yùn)行速度為120km/h，側(cè)風(fēng)速度為24.5m/s，馬赫數(shù)小于0.3，空氣不可壓縮。不可壓縮流之間的熱量交換很小，故本文不考慮能量守恒方程。對(duì)于恒定流，在不考慮流體壓縮性情況下的連續(xù)性方程為

（ρuj）xj=0（1）

式中：ρ表示流體密度；xj（j=1，2，3）表示直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)分量；uj（j=1，2，3） 表示直角坐標(biāo)系中速度矢量u沿xj方向的分量。動(dòng)量方程為

（ρui）t+（ρuiuj）xj=－pxi+τijxj（2）

式中：p表示作用在流體微元體上的壓強(qiáng)；τij表示因分子黏性而產(chǎn)生的作用在微元體的黏性應(yīng)力張量。

計(jì)算流體力學(xué)可以較為準(zhǔn)確地模擬湍流流動(dòng)，本文利用軟件Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬。湍流模型選用SST k-ω模型，其優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)存消耗低、精度較高、容易收斂，比較適合近壁自由流動(dòng)問題。為保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用SIMPLE算法求解雷諾平均N-S方程，并用二階迎風(fēng)格式對(duì)其進(jìn)行離散。

1.2"幾何模型和網(wǎng)格劃分

選取國(guó)內(nèi)某型電力機(jī)車分別牽引空載敞車、半載敞車、滿載敞車作為研究對(duì)象，對(duì)機(jī)車的車窗、車燈、轉(zhuǎn)向架進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化；忽略了受電弓、雨刮器、門把手。參照車鉤的基本信息，用長(zhǎng)寬高分別為40cm、20cm、16cm的長(zhǎng)方體代替車鉤［7］。敞車轉(zhuǎn)向架模型如圖1所示，機(jī)車模型和敞車模型如圖2所示，機(jī)車和敞車的基本尺寸如表1所示。

312

網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)仿真計(jì)算收斂性及結(jié)果準(zhǔn)確性至關(guān)重要［8］。由于貨運(yùn)列車外形復(fù)雜，故利用Workbench-meshing進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，然后用Fluent-meshing將非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格轉(zhuǎn)化為多面體網(wǎng)格。計(jì)算域共設(shè)有2層加密區(qū)，對(duì)車體表面、轉(zhuǎn)向架等區(qū)域進(jìn)行了局部加密，邊界層共設(shè)有12層，第1層邊界層網(wǎng)格厚度的y+值控制在30～100，計(jì)算域的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格數(shù)量在2 000萬(wàn)左右，轉(zhuǎn)化為多面體網(wǎng)格后在400萬(wàn)左右。列車及地面網(wǎng)格如圖3所示。

1.3"計(jì)算工況

目前有兩種方式可以模擬側(cè)風(fēng)作用下貨運(yùn)列車的運(yùn)行，一種是動(dòng)網(wǎng)格法，另一種是合成風(fēng)法［9］。本文選用合成風(fēng)法，列車運(yùn)行速度V1設(shè)置為120km/h，側(cè)風(fēng)速度V2設(shè)置為24.5m/s（10級(jí)風(fēng)），側(cè)風(fēng)角β設(shè)置為60°，運(yùn)行工況示意圖如圖4所示。

1.4"計(jì)算域和邊界條件

計(jì)算域和邊界條件的設(shè)置是數(shù)值模擬的關(guān)鍵，參照列車空氣動(dòng)力學(xué)性能數(shù)值仿真規(guī)范，對(duì)計(jì)算域的大小和邊界條件進(jìn)行了合理的設(shè)置［10］。列車計(jì)算域?yàn)殚L(zhǎng)方體，地面設(shè)置為與列車運(yùn)行速度大小相等，方向相反的滑移壁面；頂面設(shè)置為對(duì)稱邊界；車體表面設(shè)置為無(wú)滑移壁面，計(jì)算域入口條件為速度入口，出口條件為壓力出口，遠(yuǎn)場(chǎng)壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。模型計(jì)算域的大小如圖5所示，其中L表示列車長(zhǎng)度。

1.5"方法可行性驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所采用方法的正確性，參考中南大學(xué)團(tuán)隊(duì)利用風(fēng)洞試驗(yàn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行可行性驗(yàn)證。風(fēng)洞試驗(yàn)的列車為1節(jié)機(jī)車牽引3節(jié)棚車，路堤高度為5m，來(lái)流速度為60m/s，側(cè)滑角分別為30°、45°、60°、75°、90°。計(jì)算數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)中風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)對(duì)比如圖6所示。

從圖6可以看出，計(jì)算所得到的側(cè)向力及升力和文獻(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律一致，吻合性較好，因此認(rèn)為本文所采用的模型和數(shù)值計(jì)算方法是合理的。

2"計(jì)算結(jié)果與討論

2.1"氣動(dòng)力分析

側(cè)風(fēng)作用下，機(jī)車牽引3節(jié)空載敞車、半載敞車、滿載敞車所受的氣動(dòng)力如表2所示。

從表2可以看出，空載敞車所受的氣動(dòng)阻力最大，半載敞車次之，滿載敞車所受的氣動(dòng)阻力最小。其中空載敞車和半載敞車差距較小，差距僅為0.8％；空載敞車和滿載敞車差距較大，差距可達(dá)29.6％。滿載敞車所受的氣動(dòng)升力最大，半載敞車次之，空載敞車最小。其中空載敞車和半載敞車差距較小，差距僅為2.2％；空載敞車和滿載敞車差距較大，差距可達(dá)17.9％。3種敞車所受的側(cè)向力非常接近，最大差距僅為1.9％。無(wú)論是空載、半載還是滿載，每節(jié)敞車氣動(dòng)力的變化規(guī)律一致。對(duì)于同一種敞車而言，第1節(jié)車所受的氣動(dòng)阻力最大，第3節(jié)車次之，第2節(jié)車最??；第2節(jié)車所受的氣動(dòng)升力最大，第1節(jié)車次之，第3節(jié)車最?。坏?節(jié)車所受的側(cè)向力最大，第2節(jié)車次之，第3節(jié)車最小。值得注意的是，單節(jié)敞車氣動(dòng)力的變化規(guī)律與整車氣動(dòng)力的變化規(guī)律一致，空載敞車和半載敞車所受的氣動(dòng)力較為接近，而滿載敞車與前兩種車型有明顯差距。

2.2"壓力流場(chǎng)分析

為分析3種敞車的阻力變化情況，選擇前后都是相同車型的第2節(jié)車進(jìn)行研究，第2節(jié)敞車的頭尾部表面壓力如圖7所示。

從圖7可以看出，空載敞車和半載敞車的頭尾部壓力分布非常相似，這是空載敞車和半載敞車所受氣動(dòng)阻力非常接近的原因。雖然滿載敞車與前2種車的頭部壓力分布較為相似，但滿載敞車尾部所受的負(fù)壓明顯小于前2種車，因此滿載敞車的壓差小于前兩種車。這是滿載敞車所受氣動(dòng)阻力最小的原因。為分析同種敞車所受升力和側(cè)向力的變化情況，選擇敞車的3種典型橫截面進(jìn)行研究，第2節(jié)空載敞車的前輪、中間、后輪橫截面壓力流線圖如圖8所示。

從圖8可以看出，3種位置下的空載敞車左側(cè)都有一個(gè)較大的漩渦，且此漩渦隨著截面位置向后移動(dòng)而向敞車左側(cè)移動(dòng)。前輪截面和中間截面的漩渦分布非常類似，敞車空腔內(nèi)都有一個(gè)較大的漩渦，而后輪截面的漩渦分布則有所不同，敞車空腔內(nèi)較大的漩渦分離成3個(gè)較小的漩渦。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是空氣流速的不同，空氣流速快的地方壓力小，這也是前輪和中間截面空腔內(nèi)的負(fù)壓明顯大于后輪截面的原因。為進(jìn)一步分析同種敞車所受升力和側(cè)向力的變化情況，選擇流場(chǎng)變化最為穩(wěn)定的敞車中間橫截面進(jìn)行分析，每節(jié)空載敞車中間截面壓力流線圖如圖9所示。

從圖9可以看出，隨著位置向后移動(dòng)，敞車迎風(fēng)側(cè)的正壓會(huì)減小，最左側(cè)的漩渦也會(huì)向左移動(dòng)，這是第1節(jié)車側(cè)向力最大，第2節(jié)車次之，第3節(jié)車最小的原因。第3節(jié)敞車空腔內(nèi)的負(fù)壓明顯小于前2節(jié)車，這是第3節(jié)車升力最小的原因。與圖8對(duì)比可知，第3節(jié)敞車空腔內(nèi)的漩渦也發(fā)生了分離。為進(jìn)一步分析不同類型敞車所受升力和側(cè)向力的變化情況，選擇流場(chǎng)變化最為明顯的敞車后輪橫截面進(jìn)行分析，3種敞車的第2節(jié)敞車后輪橫截面壓力流線圖如圖10所示。

從圖10可以看出，3種敞車的流場(chǎng)差異非常大。3種敞車頂部漩渦的大小和數(shù)量都有所不同，這也導(dǎo)致了頂部壓力有所不同，滿載敞車頂部的負(fù)壓明顯較大，而半載和空載敞車的頂部壓力則較為接近，這也是滿載列車所受的升力最大，半載和空載列車所受的升力差距僅為2.2％的原因。值得注意的是，靠近3種敞車左側(cè)的漩渦數(shù)量都是3個(gè)，只是大小和位置的不同，3種敞車兩側(cè)的壓力分布非常相似，這是3種類型列車側(cè)向力都非常接近的原因。

3"結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)不同裝載情況下的敞車，開展了敞車在空載、半載、滿載3種情況下氣動(dòng)性能的研究。采用SIMPLE算法求解雷諾平均N-S方程，湍流模型采用SST k-ω模型。研究結(jié)果表明：空載敞車所受的氣動(dòng)阻力最大，半載敞車次之，滿載敞車所受的氣動(dòng)阻力最?。粷M載敞車所受的氣動(dòng)升力最大，半載敞車次之，空載敞車最??；3種敞車所受的側(cè)向力非常接近，最大差距僅為1.9％；對(duì)于同一種車型而言，每節(jié)車所受的氣動(dòng)力也有所不同；單節(jié)敞車氣動(dòng)力的變化規(guī)律與整車氣動(dòng)力的變化規(guī)律一致，空載敞車和半載敞車所受的氣動(dòng)力較為接近，而滿載敞車所受的氣動(dòng)力與前2種車型有明顯差距。此研究結(jié)果可為貨運(yùn)列車的安全運(yùn)行提供參考。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 梁習(xí)鋒，熊小慧. 4種車型橫向氣動(dòng)性能分析與比較［J］. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，37（3）：607-612.

［2］ 周丹，田紅旗，楊明智，等. 強(qiáng)側(cè)風(fēng)作用下不同類型鐵路貨車在青藏線路堤上運(yùn)行時(shí)的氣動(dòng)性能比較［J］. 鐵道學(xué)報(bào)，2007，29（5）：32-36.

［3］ 何華，田紅旗，熊小慧，等. 橫風(fēng)作用下敞車的氣動(dòng)性能研究［J］. 中國(guó)鐵道科學(xué)，2006，27（3）：73-78.

［4］ 金琦，梁習(xí)鋒，熊小慧. 橫風(fēng)對(duì)篷布?xì)鈩?dòng)升力的影響［J］. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，7（4）：96-100.

［5］ 熊小慧，梁習(xí)鋒，金琦. 橫風(fēng)作用下鐵路貨車篷布?xì)鈩?dòng)力數(shù)值模擬計(jì)算［J］. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，46（2）：728-735.

［6］ HASSAN H， CHRIS B. Large-eddy simulation of the flow around a freight wagon subjected to a crosswind［J］. Computers amp; Fluids，2010，39（10）：1944-1956.

［7］ 趙懷瑞. 車輛工程導(dǎo)論［M］. 北京：中國(guó)鐵道出版社，2015.

［8］ 李田，秦登，安超，等. 計(jì)算網(wǎng)格對(duì)列車空氣動(dòng)力學(xué)不確定性的影響［J］. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，54（4）：816-822.

［9］ PREMOLI A，ROCCHI D，SCHITO P，et al. Comparison between steady and moving railway vehicles subjected to crosswind by CFD analysis［J］. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2016，156：29-40.

［10］ TB/T 3503.4—2018鐵路應(yīng)用空氣動(dòng)力學(xué) 第4部分：列車空氣動(dòng)力學(xué)性能數(shù)值仿真規(guī)范［S］.

收稿日期：20221010