大風環(huán)境下單層客車臨界傾覆風速研究

周細賽，劉堂紅，陳爭衛(wèi)，鄒翔，葛盛昌

(1. 中南大學 交通運輸工程學院，軌道交通安全教育部重點實驗室，湖南 長沙 410075;

2. 烏魯木齊鐵路局，新疆 烏魯木齊 830011)

?

大風環(huán)境下單層客車臨界傾覆風速研究

周細賽1，劉堂紅1，陳爭衛(wèi)1，鄒翔1，葛盛昌2

(1. 中南大學 交通運輸工程學院，軌道交通安全教育部重點實驗室，湖南 長沙 410075;

2. 烏魯木齊鐵路局，新疆 烏魯木齊 830011)

摘要:采用基于k-ε方程的湍流數(shù)值模擬方法，研究單層客車在不同路堤、橋梁以及路塹運行時的氣動性能，得到氣動力系數(shù)與側(cè)滑角之間的關系；根據(jù)車輛傾覆穩(wěn)定性計算模型，得到不同高度路堤、橋梁以及不同深度路塹條件下車速和臨界傾覆風速關系。研究結(jié)果表明：列車在路堤上運行時，氣動力系數(shù)總體上隨側(cè)滑角的增大而增大，在側(cè)滑角為15°～70°之間變化較為明顯，之后變化緩慢；臨界傾覆風速隨著路堤高度的增加先增高后降低，其拐點在車速為120 km/h的位置；橋梁高度越高，臨界傾覆風速越低；路塹深度越深，臨界傾覆風速越高；車速相對較低時，相同高度條件下，車輛在路堤上的臨界傾覆風速大于在橋梁上的臨界傾覆風速，當車速超過分界車速時，車輛在橋梁上的臨界傾覆風速大于在路堤上的臨界傾覆風速。

關鍵詞：單層客車；大風環(huán)境；氣動性能；傾覆風速

強側(cè)風對行車安全、運行穩(wěn)定性和旅客舒適性有嚴重影響，在強側(cè)風作用下，列車受到的側(cè)向氣動力有可能使列車脫軌、甚至出現(xiàn)翻車和人員傷亡的事故[1-2]。蘭新鐵路西段(安北至阿拉山口)風口較多，風災事故頻發(fā)，主要強風地區(qū)(最大風速大于40 m/s)風口包括蘭新線百里風區(qū)、三十里風口和阿拉山口風口及南疆線前百公里風區(qū)。上述風口主要受西伯利亞寒流影響，加之特殊的地形地貌，風力強勁，大風頻繁，列車傾覆脫線的危險性很大[3]。據(jù)1960～2010年的統(tǒng)計資料，蘭新鐵路西段和南疆鐵路，大風吹翻列車重大事故21起。2000～2002年由于風災造成旅客滯留多達100多列次。為了預防事故的發(fā)生，國內(nèi)外很多研究人員針對大風環(huán)境下列車的氣動性能及穩(wěn)定性進行了系列研究。高廣軍等[4-5]研究了橫風下列車的傾覆穩(wěn)定性；Diedrichs等[6-8]研究了路堤上列車遭遇橫風時的氣動性能；楊明智等[9-10]對強橫風下在橋梁上運行客車的氣動性能進行了研究。由以往研究可知，車輛的氣動性能不僅和車輛自身的外形有關，還與運行的線路狀態(tài)密切相關，如路堤或橋梁的高度和形狀、路塹的深度和形狀及線路兩側(cè)是否有擋風墻等。目前，線路狀態(tài)對列車臨界傾覆風速的影響規(guī)律分析較少。為此，本文利用實車試驗和數(shù)值仿真方法，針對在不同高度路堤、橋梁以及不同深度路塹上運行的單層客車穩(wěn)定性進行計算和分析，得到不同地形條件下列車的臨界傾覆風速變化規(guī)律，為合理設定大風環(huán)境下運行速度限值提供科學依據(jù)。

1臨界傾覆風速計算方法

在不超過傾覆系數(shù)限值的情況下，鐵道機車車輛所能承受的最大風速(即臨界傾覆風速)是評估其橫風穩(wěn)定性的基本參數(shù)?？紤]列車速度、未被平衡橫向加速度、側(cè)滑角等因素的變化，可得到不同條件下的臨界傾覆風速曲線。

計算橫風條件下機車車輛傾覆穩(wěn)定性的方法目前有3種：二維簡單方法(靜態(tài)模型)、改進的準靜態(tài)方法(五質(zhì)量模型)以及多體系統(tǒng)動力學仿真方法(MBS方法)。為了確定車輛在某一線路的臨界傾覆風速曲線，需要考慮車型、線路、環(huán)境風等諸多參數(shù)的影響，采用多體系統(tǒng)動力學的方法工作量非常大。根據(jù)國外及我國研究成果[11-12]，在實際工程應用中，二維簡單方法更易于應用，本文采用二維簡單方法，即靜態(tài)模型開展單層客車在不同線路條件下的臨界傾覆風速研究。

在應用靜態(tài)模型評估方法時，被研究的機車車輛需要滿足一定的條件。首先，該方法只適用于具有2個轉(zhuǎn)向架的車輛。對于鉸接式列車或者車體之間采用類似側(cè)滾力矩傳遞方案的列車，都不宜采用該方法進行評估；其次，該方法應用于擺式列車時，應結(jié)合質(zhì)量分布、懸掛特征和車體重心運動的分析來考慮車體傾擺的影響。本文研究的單層客車只有2個轉(zhuǎn)向架，滿足該方法的適用條件。其靜態(tài)模型受力圖如圖1所示。

圖1　車輛受力圖Fig.1 Diagram of train force

車輛傾覆穩(wěn)定性計算模型如下：

(D·G-y)Fz2+D·G·Fz5+h1·(Fy2+Fy3)+

h2·Fy6+M=0

(1)

式中：y為車輛重心的橫向偏移；D為傾覆系數(shù)；G為輪對兩側(cè)輪軌接觸斑間距的1/2；Fz2為車體重力；Fz5為轉(zhuǎn)向架重力；h1為車體的重心距軌面高；M為以B點取的氣動傾覆力矩；Fy2為車體橫向振動慣性力；Fy3為車體離心力；Fy6為轉(zhuǎn)向架離心力；h2為轉(zhuǎn)向架的重心距軌面高。

通過對式(1)的求解，可得到車速與臨界傾覆風速關系，具體求解過程參見文獻[13]，對于公式中的氣動力參數(shù)，可通過風洞試驗、數(shù)值計算或工程估算得到。本文主要由數(shù)值計算得到。

2氣動性能計算分析

2.1數(shù)值計算模型

采用FLUENT大型流場流動仿真商用軟件，對列車周圍流場進行數(shù)值模擬。計算中選用的機車為DF11,單層客車為25G，采用4車編組的方式，即機車+3節(jié)客車。單層客車幾何模型見圖2。

圖2　單層客車幾何模型Fig.2 Geometrical model of single-layer car

計算區(qū)域尺寸的選取與邊界條件的給定，可參見文獻[14]。

計算區(qū)域采用非結(jié)構網(wǎng)格進行離散，其控制方程為三維雷諾平均N-S方程，湍流模型采用k-ε雙方程模型，采用有限體積法對其進行離散[15]。

對客車橫向力系數(shù)CS,升力系數(shù)CL以及傾覆力矩系數(shù)CM的計算公式如下：

2.2數(shù)值計算與實車試驗結(jié)果對比

2014-04-22～2014-04-24烏魯木齊鐵路局組織中南大學、新疆氣象局等單位開展了南疆線大風環(huán)境下單層客車、棚車空氣動力學現(xiàn)場測試試驗。為驗證本文所采用計算方法的正確性，模擬現(xiàn)場試驗的風速(21.2 m/s)、地形條件(路堤高度6.5 m，無擋風墻)以及線路位置(一線)，將客車的數(shù)值計算結(jié)果和試驗結(jié)果進行對比，如表 1 所示。實車試驗客車上測點布置示意圖參見文獻[16]。根據(jù)各測點所測得的壓力進行分塊積分求得試驗車輛氣動力和力矩[17]。從表1可以看出：除了升力系數(shù)兩者相差較大外(13.78%)，橫向力系數(shù)和傾覆力矩系數(shù)相對誤差均在8%之內(nèi)。兩者吻合較好，說明本文采用三維湍流模型是合理的。升力相差較大的原因主要一方面是數(shù)值模擬計算時未考慮列車車底的一些細小設備，另一方面是現(xiàn)場地形和地表粗糙度與數(shù)值計算有差異，從而導致兩者相差較大。且升力的力臂較小，對列車傾覆力矩的貢獻較小，因此，升力相對較大的誤差不會影響列車傾覆穩(wěn)定性計算結(jié)果。

表1數(shù)值計算與實車試驗結(jié)果對比

Table 1 Result comparison of numerical computation and full-scale test

方法CSCLCM實車試驗0.5340.9000.350數(shù)值模擬0.4930.7760.328誤差/%7.67013.786.290

2.3氣動力計算結(jié)果

為了得到列車在某一線路上的安全運行速度限值，需要對每一區(qū)段的路況條件進行歸類統(tǒng)計，然后通過數(shù)值計算得到列車在不同高度路堤、橋梁以及不同深度路塹等線路條件下運行時氣動力系數(shù)與側(cè)滑角的關系；需要計算的線路條件繁多，工況上萬種。受篇幅限制，這里以無擋風墻情況下5 m和10 m路堤為例，分析列車氣動性能的基本規(guī)律。數(shù)值計算時設置合成風速為60 m/s，側(cè)滑角β分別為15°,30°,45°,60°,70°,80°和90°共7個角度，計算結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出：列車在路堤上運行時，氣動力系數(shù)總體上隨側(cè)滑角的增大而增大，在側(cè)滑角為15°～70°變化較為明顯，之后變化緩慢；同時發(fā)現(xiàn)，升力系數(shù)遠大于橫向力系數(shù)，這是因為在路堤上運行時，由于存在路堤邊坡，將改變來流的方向，相當于氣流增加了一個攻角，使得升力顯著增加。通過比較5 m路堤和10 m路堤對應的氣動力系數(shù)可知：隨著路堤高度的增加，升力系數(shù)增大較為明顯，而橫向力系數(shù)和傾覆力矩系數(shù)變化不大，說明路堤高度對列車氣動性能的影響主要體現(xiàn)在升力上。

為了方便利用公式(1)對列車的連續(xù)臨界風速-車速曲線進行計算，其氣動力需要利用離散的計算結(jié)果得到連續(xù)變化曲線，在計算中采用4次擬合曲線，得到列車在5 m路堤和10 m路堤上氣動力系數(shù)與側(cè)滑角之間的關系如下：

(2)

(3)

式中：CS5，CL5和CM5分別為客車在5 m路堤上的橫向力系數(shù)、升力系數(shù)和傾覆力矩系數(shù)；CS10，CL10和CM10分別為客車在10 m路堤上的橫向力系數(shù)、升力系數(shù)和傾覆力矩系數(shù)。上述曲線擬合中，擬合系數(shù)R2均大于0.98。

(a) 5 m路堤;(b) 10 m路堤圖3　列車氣動力系數(shù)隨側(cè)滑角的變化Fig.3 Aerodynamic coefficients changed with slip angle

3臨界傾覆風速影響規(guī)律分析

3.1 路堤高度對臨界傾覆風速影響

車輛在路堤上運行時，由于存在路堤邊坡，將改變來流的方向，使列車迎風面的壓力增大，使得升力和側(cè)向力也隨之改變，這將對車輛的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。本文選取4種高度的路堤，分別為0 m路堤、3 m路堤、5 m路堤和10 m路堤，計算單層客車在不同路堤高度條件下運行時的臨界傾覆風速，計算結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出：車輛的臨界傾覆風速隨路堤高度的變化關系與列車的運行速度緊密相關。車速在0～110 km/h內(nèi)時，單層客車在相同速度下車輛臨界傾覆風速隨著路堤高度的增加而增高；車速在110～120 km/h內(nèi)時，相同速度下不同路堤高度下的車輛臨界傾覆風速基本相等；車速在120～160 km/h內(nèi)時，相同速度下車輛臨界傾覆風速隨著路堤高度的增加而降低。同時發(fā)現(xiàn)，相同路堤高度下，車輛臨界傾覆風速隨著車速的增加而降低，車速在0～80 km/h內(nèi)時，幾乎呈線性變化，在車速等于80 km/h的位置出現(xiàn)拐點，之后降低幅度開始減小。臨界傾覆風速隨路堤高度的變化與車速有關，主要是因為車速變化后，合成風速與線路的夾角(即側(cè)滑角)發(fā)生變化，而路堤高度對不同方向風速的影響規(guī)律不同所致。圖5為傾覆力矩系數(shù)隨路堤高度的變化曲線，從圖5也可以看出，側(cè)滑角小于45o時，傾覆力矩系數(shù)隨著路堤高度的增加而增大；側(cè)滑角大于60o時，傾覆力矩系數(shù)隨著路堤高度的增加而減小；側(cè)滑角為60o時，傾覆力矩系數(shù)基本不隨路堤高度的變化而發(fā)生變化。這主要是因為合成風速與線路的夾角增大后，隨著路堤高度的增加，路堤對氣流的抬升作用越明顯，部分氣流繞過車體，導致車體氣動力較小。因此，車速較小時，風速與車速的合成風速與線路的夾角較大，隨著路堤高度的增加，氣動力減小，臨界傾覆風速增大；車速較大時，風速與車速的合成風速與線路的夾角較小，隨著路堤高度的增加，氣動力增大，臨界傾覆風速減小。

圖4　不同路堤高度下的臨界傾覆風速隨車速變化曲線Fig.4 Critical overturning wind speed changed with vehicle speed on different heights of embankments

圖5　傾覆力矩系數(shù)隨路堤高度變化曲線Fig.5 Overturning moment coefficient changed with the height of embankment

3.2橋梁高度對臨界傾覆風速影響

為了分析不同橋梁高度對車輛臨界傾覆風速的影響，本文選取6種橋梁高度進行計算，分別為4,6,8,10,12和18 m，計算結(jié)果如圖6所示。

圖6　不同橋高條件下的臨界傾覆風速隨車速變化曲線Fig.6 Critical overturning wind speed changed with vehicle speed on different heights of bridges

從圖6可以看出，單層客車在不同橋梁高度的條件下，臨界傾覆風速在30～50 m/s范圍內(nèi)；相同車速下，橋梁高度越高，臨界傾覆風速越低。這是因為車輛在橋梁上運行時，雖然橋梁下方空氣可以自由流動，但由于自然風服從指數(shù)規(guī)律[8]，作用于橋上的風速隨著橋梁高度增加而增大，導致列車在橋上所受氣動力也增大。

為比較車輛在相同高度路堤和橋梁上運行的臨界傾覆風速相對大小，本文計算了單層客車在6，8和10 m 3個高度下的路堤和橋梁上運行的臨界傾覆風速，計算結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，車速相對較低時，相同高度條件下，車輛在路堤上的臨界傾覆風速要大于在橋梁上的臨界傾覆風速(約0～8%)，即在強側(cè)風下單層客車在橋梁上運行比在路堤上更容易發(fā)生傾覆事故；當車速超過某一速度值(稱為分界車速)，車輛在橋梁上的臨界傾覆風速要大于在路堤上的臨界傾覆風速，而且分界速度隨著路堤和橋梁高度的增加而增加；車輛在6 m高路堤和橋梁運行時的臨界傾覆風速分界車速為100 km/h，而路堤和橋梁高度為8 m時的分界車速為140 km/h。

3.3路塹深度對臨界傾覆風速影響

根據(jù)新疆鐵路風區(qū)路塹深度的實際情況，計算單層客車在0 m路塹、3 m路塹、5 m路塹以及8 m路塹深度條件下不同車速運行時的臨界傾覆風速，計算結(jié)果如圖8所示。

從圖8可以看出，單層客車在不同路塹深度的條件下，臨界傾覆風速在38～70 m/s范圍內(nèi)，臨界傾覆風速隨著路塹深度的增加而增高，相同路塹深度下的臨界傾覆風速隨車速的變化不大；當路塹深度為0 m時(即平地)，車輛的臨界傾覆風速最大為46 m/s左右，且隨車速的增加而緩慢降低；當路塹深度為8 m時，車輛的臨界傾覆風速達到70 m/s，且?guī)缀醪浑S車速變化。由此可見，車輛運行于路塹中，大風受到線路兩側(cè)邊坡的阻擋，其對車輛穩(wěn)定性的影響較小，有利于行車安全。

(a) 路堤6 m與橋梁6 m比較;(b) 路堤8 m與橋梁8 m比較;(c) 路堤10 m與橋梁10 m比較圖7　同等高度路堤與橋梁下臨界傾覆風速比較Fig.7 Critical overturning wind speed comparison between the same height of embankment and bridge

3.4工程化安全運行速度限值

為了探究單層客車在南疆線前百公里風區(qū)無擋風墻區(qū)段的安全運行標準，通過實地考察得到無擋風墻區(qū)段最大路堤高度為10 m，線路最小內(nèi)側(cè)、外側(cè)半徑均為1 600 m，對應超高為50 mm。通過計算得到單層客車臨界傾覆風速-車速曲線如圖9所示。由于臨界傾覆風速-車速曲線是一個連續(xù)的曲線，基于目前的行車指揮條件，尚無法實現(xiàn)連續(xù)的實時控制，因此將風速和車速分別劃分成若干檔，安全運行區(qū)域就形成了若干個“臺階”，每個“臺階”對應著不同的風速范圍和車速限值?！芭_階”以下為實際指揮行車的安全運行區(qū)域，“臺階”劃分的越細，對安全區(qū)的利用率越高，列車通過能力就越大，但安全性和行車指揮的便利性就會相應地下降。

圖8　不同路塹深度下的臨界傾覆風速隨車速變化曲線Fig.8 Critical overturning wind speed changed with vehicle speed on different depths of cuttings

圖9　單層客車安全運行風速-車速工程化限值Fig.9 Engineering limitation of vehicle speed with different wind speed for running safety

從圖9可以看出，在南疆線前百公里風區(qū)無擋風墻區(qū)段，當風速u≤25 m/s時，單層客車可以在120 km/h的車速范圍內(nèi)行駛；當25

4結(jié)論

1) 橫向力系數(shù)和傾覆力矩系數(shù)實車試驗結(jié)果和數(shù)值計算結(jié)果偏差在8%以內(nèi)，而升力系數(shù)兩者偏差較大但不超過14%，說明此次采用的數(shù)值模擬計算方法是可信的。

2) 車輛的臨界傾覆風速隨路堤高度的變化關系與列車的運行速度緊密相關。車速在0～120 km/h內(nèi)時，相同速度下車輛臨界傾覆風速隨著路堤高度的增加而增高；車速在120～160 km/h內(nèi)時，相同速度下車輛臨界傾覆風速隨著路堤高度的增加而降低；相同車速下，橋梁高度越高，臨界傾覆風速越低；臨界傾覆風速隨著路塹深度的增加而增高，相同路塹深度下的臨界傾覆風速隨車速的變化不大。

3) 在南疆線前百公里風區(qū)無擋風墻區(qū)段，當風速u≤25 m/s時，單層客車可以在120 km/h的車速范圍內(nèi)行駛；當25

參考文獻:

[1] 黃尊地, 常寧.強側(cè)風不同擋風墻下棚車氣動性能[J]. 鐵道科學與工程學報, 2012, 9(4): 102-105.

HUANG Zundi, CHANG Ning. Aerodynamic forces acting on a box car running on the railway alone with the wind-break wall under strong cross-wind[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2012, 9(4): 102-105.

[2] Cui Tao, Zhang Weihua, Sun Bangcheng. Investigation of train safety domain in cross wind in respect of attitude change[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2014, 130(4): 75-87.

[3] 葛盛昌, 蔣富強. 蘭新鐵路強風地區(qū)風沙成因及擋風墻防風效果分析[J].鐵道工程學報,2009,26(5):1-4.

GE Shengchang, JIANG Fuqiang. Analyses of the causes for wind disaster in strong wind area along Lanzhou-Xinjiang railway and the effect of windbreak[J]. Journal of Railway Engineering Society, 2009, 26(5): 1-4.

[4] 高廣軍, 段麗麗, 苗秀娟. 青藏線棚車在強橫風下的傾覆穩(wěn)定性[J]. 中南大學學報(自然科學版),2011,42(4): 1151-1155.

GAO Guangjun, DUAN Lili, MIAO Xiujuan. Overturing stability of box-car on Qinghai-Tibet railway line with strong cross wind[J]. Journal of Central South University(Science and Technology),2011, 42(4): 1151-1155.

[5] Dorigatti F, Sterling M, Baker C J, et al. Crosswind effects on the stability of a model passenger train-A comparison of static and moving experiments[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2015, 138(5): 36-51.

[6] Diedrichs B, Sima M, Orellano A, et al. Crosswind stability of a high-speed train on a high embankment[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit, 2007, 221(2): 205- 225.

[7] 李燕飛, 梁習鋒, 劉堂紅. 環(huán)境風對路堤上快運集裝箱平車氣動力性能影響[J]. 鐵道科學與工程學報, 2007, 4(5): 78-82.

LI Yanfei, LIANG Xifeng, LIU Tanghong. Influence of cross-wind on aerodynamic performances of high-speed container flat car running on embankment[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2007, 4(5): 78-82.

[8] 周丹, 田紅旗. 強側(cè)風下客車在不同路況運行的氣動性能比較[J]. 中南大學學報(自然科學版),2008, 39(3): 554-559.

ZHOU Dan, TIAN Hongqi. Comparison of aerodynamicperformance of passenger train traveling on different railway conditions up strong cross-wind[J]. Journal of Central SouthUniversity(Science and Technology),2008, 39(3): 554-559.

[9] 楊明智, 袁先旭, 魯寨軍, 等. 強側(cè)風下青藏線列車氣動性能風洞試驗研究[J]. 實驗流體力學, 2008, 22(1): 76-79.

YANG Mingzhi, YUAN Xianxu, LU Zhaijun, et al. Experimental study on aerodynamic characteristics of train running on Qinghai-Tibet railway under cross winds[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2008, 22(1): 76-79.

[10] Suzuki M, Tanemoto K, Fuji H, et al. A wind tunnel experimental method about aerodynamics acting on a vehicle in imitation of natural wind[J]. RTRI Report, 2003, 17(11): 47-52.

[11] 烏魯木齊鐵路局，中南大學. 強風地區(qū)運輸安全相關技術研究—強風地區(qū)行車組織辦法研究報告[R]. 烏魯木齊: 烏魯木齊鐵路局, 2010.

Urumqi Railway Bureau, Central South University. Rsesearch on vehicle transport technology and travel organization approach in strong wind areas[R]. Urumqi: Urumqi Railway Bureau, 2010.

[12] BS EN 14067-6, Railway applications —Aerodynamics Part 6: Requirements and test procedures for cross wind assessment [S]. London: British Standard Institute, 2010.

[13] 高廣軍. 強側(cè)風作用下列車運行安全性研究[D]. 長沙: 中南大學, 2008: 39-46.

GAO Guangjun. Research on train operation safety under strong side wind[D]. Changsha: Central South University, 2008: 39-46.

[14] 李志偉, 劉堂紅, 張潔, 等. 風區(qū)車站停留車輛縱向氣動力研究[J]. 中南大學學報(自然科學版),2013, 44(4): 1679-1683.

LI Zhiwei, LIU Tanghong, ZHANG Jie, et al. Longitudinal aerodynamic force of vehicles in wind area[J]. Journal of Central South University(Science and Technology),2013, 44(4): 1679-1683.

[15] 王福軍. 計算流體動力學分析[M]. 北京:清華大學出版社, 2004: 7-12.

WANG Fujun. Computational fluid dynamics analysis[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2004: 7-12.

[16] 張潔, 劉堂紅, 牛紀強. 蘭新鐵路擋沙墻位置對低矮路塹中客車氣動性能的影響[J]. 中南大學學報(自然科學版),2014, 45(11): 4044-4049.

ZHANG Jie, LIU Tanghong, NIU Jiqiang. Effect of sand control wall’s position on aerodynamic performance of passenger train in low cutting along Lanzhou—Xinjiang railway[J]. Journal of Central South University(Science and Technology),2014, 45(11): 4044-4049.

[17] 熊小慧, 梁習鋒, 高廣軍, 等. 蘭州-新疆線強側(cè)風作用下車輛的氣動特性[J]. 中南大學學報(自然科學版), 2006, 37(6): 1184-1188.

XIONG Xiaohui, LIANG Xifeng, GAO Guangjun, et al. Train aerodynamic characteristics in strong cross-wind on Lanzhou—Xinjiang railway line[J]. Journal of Central South University(Science and Technology)，2006, 37(6): 1184-1188.

(編輯陽麗霞)

Critical wind speed study on a single-layer car running in strong wind areas

ZHOU Xisai1, LIU Tanghong1, CHEN Zhengwei1, ZOU Xiang1, GE Shengchang2

(1. Key Laboratory of Traffic Safety on Track of Ministry of Education, School of Traffic &Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. Urumchi Railway Bureau，Urumchi 830011，China)

Abstract：Numerical simulation method based on k-ε turbulence equations was used to study the aerodynamic performance of a single-layer car running on different embankments, bridges and cuttings. The relationship between the aerodynamic coefficients and the slip angle was gotten. According to the vehicle stability calculation model， the relationship between running speed and critical overturning wind speed was also gotten under the conditions of different heights of embankments, bridges and different depths of cuttings. Results show that: When the single-layer car runs on embankment, the aerodynamic coefficients generally increase with the increase of slip angle. The aerodynamic coefficients change obviously when the slip angle is from 15° to 70°, then they change slowly. The critical overturning wind speed increases with the increase of embankment height first, and then decreases. The inflection point of vehicle speed is found to be about 120 km/h. The critical overturning wind speed decreases with the increase of bridge height, and it increases with the increase of cutting depth. At relatively low speed, the vehicle critical overturning wind speed on the embankment is greater than that on the bridge at the same height. When the speed of vehicle exceeds the boundary speed, the vehicle critical overturning wind speed on a bridge is greater than that on the embankment.

Key words：single-layer car; strong wind; aerodynamic performance; overturning wind speed

中圖分類號：U270

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)02-0345-07

通訊作者：劉堂紅(1976-)，男，湖南新化人，副教授，從事列車空氣動力學研究；E-mail: lthjd@163.com

基金項目：國家自然科學基金資助項目(U1334205);鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目(2014T001-A)

收稿日期：2015-07-29