擋風(fēng)墻后動(dòng)車組與普速列車交會(huì)氣動(dòng)特性

潘新先,姚松，曾林森

(1.烏魯木齊鐵路局，新疆 烏魯木齊 830011；2.中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院 軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

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擋風(fēng)墻后動(dòng)車組與普速列車交會(huì)氣動(dòng)特性

潘新先1,姚松2，曾林森2

(1.烏魯木齊鐵路局，新疆 烏魯木齊 830011；2.中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院 軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

摘要:采用三維、可壓縮、非定常N-S方程的數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)8輛編組的動(dòng)車組和5輛編組的普速列車在3.5 m擋風(fēng)墻和20 m/s橫風(fēng)環(huán)境下，以250/160 (km/h)速度交會(huì)時(shí)列車表面瞬變壓力和車體所受氣動(dòng)力及力矩進(jìn)行分析，并采用間接驗(yàn)證方法，將風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、實(shí)車試驗(yàn)得到的結(jié)果分別與數(shù)值模擬進(jìn)行對(duì)比。研究結(jié)果表明：間接驗(yàn)證方法所得的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的氣動(dòng)效應(yīng)變化規(guī)律基本一致，最大誤差在12%以內(nèi)，驗(yàn)證了本文數(shù)值方法及結(jié)果的可靠性。兩車橫風(fēng)下交會(huì)的整個(gè)過(guò)程中，同一時(shí)刻位于車頭不同位置的測(cè)點(diǎn)間壓力差別較大，位于列車中部同側(cè)的測(cè)點(diǎn)間壓力差別較?。涣熊囶^車所受橫向力及傾覆力矩幅值比中間車和尾車大，且處于二線列車所受橫向力及傾覆力矩幅值大于一線列車。列車橫風(fēng)下交會(huì)時(shí)，特別是在列車交會(huì)的尾波部分，車體所受氣動(dòng)效應(yīng)比單車運(yùn)行時(shí)更為顯著，對(duì)列車大風(fēng)下運(yùn)行帶來(lái)更大的安全隱患。

關(guān)鍵詞：動(dòng)車組；普速列車；橫風(fēng)；交會(huì)；氣動(dòng)效應(yīng)

大風(fēng)對(duì)行車安全危害極大，在其作用下，列車氣動(dòng)性能惡化，不僅氣動(dòng)阻力迅速增加，還嚴(yán)重影響列車的橫向穩(wěn)定性，行駛車輛左右擺動(dòng)加劇，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致列車脫軌傾覆[1]。由側(cè)向風(fēng)引發(fā)的行車安全事故在世界各國(guó)時(shí)有發(fā)生，大風(fēng)給鐵路運(yùn)輸安全、人民生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅，我國(guó)地形及氣象條件比較復(fù)雜，不少行車區(qū)段已處于強(qiáng)風(fēng)區(qū)，新疆地區(qū)曾先后發(fā)生大風(fēng)吹翻列車13次的重大事故，總計(jì)翻車79輛[2]。高速行駛的列車使其周圍的空氣流場(chǎng)受到強(qiáng)烈擾動(dòng)，當(dāng)兩相對(duì)行駛的列車交會(huì)時(shí)，這一擾動(dòng)將會(huì)更加激烈，尤其是鄰線列車的頭部或尾部通過(guò)的瞬間，將引起交會(huì)一側(cè)的空氣壓力發(fā)生突變，形成瞬態(tài)沖擊交會(huì)氣動(dòng)力，從而對(duì)行車安全、旅客的舒適性、環(huán)境等產(chǎn)生影響。交會(huì)過(guò)程中若遭遇較大的橫風(fēng)，可使交會(huì)壓力波幅值增加，列車將承受更大的橫向沖擊載荷[3-7]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已利用試驗(yàn)和仿真手段對(duì)交會(huì)壓力波特性開展了大量研究[8-10]，分析交會(huì)壓力波的影響因素、壓力波與不同地形、線間距、交會(huì)速度、列車編組方式、頭型、車體寬度等的關(guān)系。而在風(fēng)力較強(qiáng)的風(fēng)區(qū)，為防止列車事故，普遍采取的措施是修建擋風(fēng)墻[11-13]。本文以蘭新第二雙線鐵路為研究對(duì)象，對(duì)動(dòng)車組與普速列車在有擋風(fēng)墻及橫風(fēng)作用下交會(huì)時(shí)的車體表面測(cè)點(diǎn)壓力、車體所受橫向氣動(dòng)力及傾覆力矩變化進(jìn)行分析，為動(dòng)車組合普速列車在風(fēng)區(qū)內(nèi)交會(huì)安全性提供氣動(dòng)依據(jù)，具有很強(qiáng)的實(shí)際意義。

1數(shù)值模擬

1.1數(shù)學(xué)模型

本文采用三維、非定常N-S方程的數(shù)值計(jì)算方法對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值分析，由于列車車速與橫風(fēng)風(fēng)速的合成速度大于65 m/s，其馬赫數(shù)大于0.3，同時(shí)列車在交會(huì)過(guò)程中流場(chǎng)瞬變劇烈，因此按照可壓縮問(wèn)題進(jìn)行處理。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，溫度為20 ℃時(shí)空氣的運(yùn)動(dòng)黏度v=1.5×10-5m2/s，雷諾數(shù)Re=ul/v=8.57×10-6，遠(yuǎn)大于臨界雷諾數(shù)，列車處在湍流流場(chǎng)，因此，采用k-ε雙方程湍流模型[12]描述擋風(fēng)墻后列車周圍流場(chǎng)。參考近幾年已發(fā)表的文獻(xiàn)，本文計(jì)算時(shí)經(jīng)驗(yàn)常數(shù)取值如下：C1=1.47，C2=1.92，σk=1.0，σz=1.33。

1.2計(jì)算模型、網(wǎng)格及測(cè)點(diǎn)布置

計(jì)算中選用的普速列車采用5輛編組(SS8機(jī)車+3節(jié)25T型單層客車+SS8機(jī)車)，動(dòng)車組采用8車編組。計(jì)算工況選取普速列車和動(dòng)車組在一線和二線交替交會(huì)，擋風(fēng)墻高度為3.5 m，普速列車和動(dòng)車組運(yùn)行速度分別為160 km/h和250 km/h，橫風(fēng)風(fēng)速為20 m/s。圖1為動(dòng)車組和普速列車橫風(fēng)下交會(huì)計(jì)算區(qū)域。計(jì)算區(qū)域下游邊界盡可能遠(yuǎn)離列車尾部，以避免出口截面受到列車尾流的影響；初始時(shí)刻兩車頭相距100 m，保證兩車在交會(huì)時(shí)，風(fēng)場(chǎng)已發(fā)展充分。車體附近采用較細(xì)的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，遠(yuǎn)離車體處采用較為稀疏的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，車體表面網(wǎng)格如圖2所示。

為了對(duì)車體表面瞬變壓力進(jìn)行分析，在普速列車表面布置了多個(gè)測(cè)點(diǎn)。其中頭車和尾車布點(diǎn)方式相同，分別布置7個(gè)測(cè)點(diǎn)；2車布置9個(gè)測(cè)點(diǎn)；3車和4車布點(diǎn)方式相同，分別布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)。具體布點(diǎn)方式如圖3所示。

圖1　計(jì)算區(qū)域Fig.1 Computational zone

圖2　計(jì)算網(wǎng)格Fig.2 Computational mesh

圖3　普速列車模型測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.3 Points arrangement of Universal train model

2試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)于列車在擋風(fēng)墻-橫風(fēng)耦合作用下交會(huì)的復(fù)雜工況，采用的數(shù)值模擬方法很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行直接驗(yàn)證，文獻(xiàn)[14]提到，在對(duì)物理假說(shuō)進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，對(duì)于受實(shí)驗(yàn)水平的限制暫時(shí)達(dá)不到要求的情況，可以采用間接驗(yàn)證的方法?；谶@一思路，本文采用風(fēng)洞模型實(shí)驗(yàn)和實(shí)車試驗(yàn)，將動(dòng)車組和普速列車單列橫風(fēng)下運(yùn)行的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而嘗試間接驗(yàn)證本文所采用數(shù)值計(jì)算模型的可行性。

2.1動(dòng)車組模型數(shù)值仿真與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

橫風(fēng)作用下某型動(dòng)車組氣動(dòng)性能風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)在中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心8 m×6 m風(fēng)洞中進(jìn)行。該風(fēng)洞為閉口串聯(lián)雙實(shí)驗(yàn)段大型低速風(fēng)洞，按風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段尺寸，高速列車風(fēng)洞模型縮比為1∶15，圖4為此次實(shí)驗(yàn)的動(dòng)車組風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D，風(fēng)洞中合成風(fēng)速為60 m/s，側(cè)滑角β分別為0°，10°，20°，30°，40°，50°，60°，70°，80°和90°。從圖5的數(shù)值對(duì)比結(jié)果可以看出，數(shù)值計(jì)算與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)分別所得氣動(dòng)參數(shù)隨側(cè)滑角變化曲線吻合良好，曲線變化規(guī)律基本一致，所得最大氣動(dòng)升力系數(shù)Cl，橫向力系數(shù)Cs及傾覆力矩系數(shù)Cmx相差均在10%以內(nèi)，可說(shuō)明本文模擬橫風(fēng)所使用的動(dòng)車組模型計(jì)算方法是合理的。

圖4　風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)動(dòng)車組模型Fig.4 Model of EMU of wind tunnel test

圖5　風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果比較Fig.5 Comparison between wind tunnel test results and calculation results

2.2普速列車模型數(shù)值仿真與實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

2015年12月烏魯木齊鐵路局聯(lián)合中南大學(xué)在蘭新線“百里風(fēng)區(qū)”進(jìn)行了大風(fēng)下列車空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)(圖6)。表1為相同工況下，實(shí)車試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比。從表1可見：除了升力相差較大外(11.5%)，橫向力和傾覆力矩的相對(duì)誤差均在6%之內(nèi)。兩者吻合較好，從而驗(yàn)證了本文采用的普速列車計(jì)算模型是合理的。

圖6　25T實(shí)車試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)照片F(xiàn)ig.6 Photo of 25T real vehicle test points

Table 1 Comparison between calculation results and real vehicle test results

方法升力系數(shù)側(cè)向力系數(shù)傾覆力矩系數(shù)實(shí)車試驗(yàn)0.4231.0030.858數(shù)值模擬0.3741.0610.829相對(duì)誤差/%11.55.83.3

3橫風(fēng)和擋風(fēng)墻作用下的列車交會(huì)氣動(dòng)特性分析

3.1列車表面壓力及氣動(dòng)力

列車交會(huì)在擋風(fēng)墻-風(fēng)載荷的耦合作用下，擋風(fēng)墻的防風(fēng)特性使得橫風(fēng)有部分繞流形成了較復(fù)雜的漩渦現(xiàn)象，使得流場(chǎng)的變化非常劇烈。通過(guò)分析計(jì)算結(jié)果可得，當(dāng)兩車擋風(fēng)墻后交會(huì)過(guò)程中，最大、最小壓力值都出現(xiàn)在頭車測(cè)點(diǎn)，且各測(cè)點(diǎn)間壓力值差異較大；列車中部測(cè)點(diǎn)間壓力變化差異較小。普速列車車體表面測(cè)點(diǎn)最大壓力出現(xiàn)在鼻尖附近，值為1 332 Pa；最小壓力出現(xiàn)在鼻尖往上與車頂過(guò)渡的位置，值為-998 Pa。車頂測(cè)點(diǎn)全程處于負(fù)壓狀態(tài)，車頭鼻尖周圍位置全程處于正壓狀態(tài)，并從鼻尖往四周逐漸減小至負(fù)壓值，由于擋風(fēng)墻防風(fēng)過(guò)度的影響，鼻尖周圍的正壓區(qū)域向迎風(fēng)側(cè)方向偏移。

圖7為普速列車中部不同高度的測(cè)點(diǎn)壓力變化曲線，顯然同一節(jié)車在車身的不同高度壓力變化基本一致，而不同中部車因其在縱向的位置不同，頭波尾波到達(dá)的時(shí)間不同之外，其壓力變化規(guī)律也基本相同。圖8為普速列車中間車中部截面的各測(cè)點(diǎn)壓力變化曲線，交會(huì)側(cè)變化明顯，其峰峰值為793 Pa,非交會(huì)側(cè)變化幅值不超過(guò)150 Pa，且全程處于負(fù)壓狀態(tài)。

圖7　交會(huì)側(cè)不同高度壓力Fig.7 Curves of pressure for different height at theintersection part points

圖8　中間車截面測(cè)點(diǎn)壓力Fig.8 Curves of pressure for measuring at the central vehicle cross-section

圖9為兩車橫風(fēng)下交會(huì)時(shí)，各節(jié)車廂的橫向力峰值對(duì)比。對(duì)于普速列車，當(dāng)其位于一線會(huì)車時(shí)，車體所受最大正向橫向力為27.2 kN，出現(xiàn)在頭車；最大負(fù)向橫向力-36.1 kN，出現(xiàn)在中間車；當(dāng)普速車位于二線時(shí)，將比位于一線交會(huì)受到更大的氣動(dòng)載荷，其最大、最小橫向力均出現(xiàn)在頭車，分別為19 kN和-39.8 kN。對(duì)于動(dòng)車組，在一線會(huì)車時(shí)最大正峰值6.9 kN出現(xiàn)在頭車，頭車至尾車負(fù)向絕對(duì)幅值依次增大，最小負(fù)峰值-36.2 kN出現(xiàn)在尾車，最大峰峰值為頭車的26 kN；在二線交會(huì)時(shí)全車的最大正負(fù)峰值都出現(xiàn)在頭車，分別為19.1 kN和-39.2 kN，峰峰值為58.3 kN；動(dòng)車組位于二線交會(huì)的側(cè)向力最大絕對(duì)峰值和峰峰值分別比一線增長(zhǎng)了8.2%和123.2%。

(a)單客：1線，動(dòng)車組：2線；(b)單客：2線，動(dòng)車組：1線圖9　車體橫向力變化Fig.9 Lateral force acting of the train

3.2交會(huì)前后的氣動(dòng)性能比較

選取交會(huì)氣動(dòng)力性能比較惡劣的位于二線的普速列車進(jìn)行交會(huì)前后的氣動(dòng)效應(yīng)對(duì)比，從表2可得頭車的幅值增長(zhǎng)最大，其側(cè)向氣動(dòng)力和傾覆力矩分別比會(huì)車前增長(zhǎng)了17.9倍和7.5倍。交會(huì)前的列車雖然在擋風(fēng)墻的防風(fēng)過(guò)度下基本處于負(fù)壓狀態(tài)，但其絕對(duì)值比沒(méi)擋風(fēng)墻下的正壓值小很多，交會(huì)后列車的氣動(dòng)效應(yīng)幅值顯然比交會(huì)前增大不少，嚴(yán)重影響了列車的安全運(yùn)行穩(wěn)定性。

表2普速列車二線交會(huì)前后氣動(dòng)性能對(duì)比

Table 2 Comparison of aerodynamic performance before and after intersecion on the second line

車輛側(cè)向氣動(dòng)力/kN傾覆力矩/(kN·m)交會(huì)前交會(huì)中負(fù)峰值交會(huì)中正峰值交會(huì)前交會(huì)中負(fù)峰值交會(huì)中正峰值頭車-2.0-37.817.19.8-43.883.3二車-14-31.914.323.1-40.671.5三車-14.3-31.915.323.9-41.963.4四車-14.8-29.013.430.1-35.760.5尾車-2.7-20.010.810.3-33.439.8

4結(jié)論

1)動(dòng)車組和普速列車單列橫風(fēng)下運(yùn)行的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，所得的氣動(dòng)效應(yīng)變化規(guī)律基本一致，最大誤差為10%左右，說(shuō)明本文采用的計(jì)算模型及數(shù)值方法能夠較好地模擬橫風(fēng)下列車空氣動(dòng)力效應(yīng)問(wèn)題。

2)列車橫風(fēng)下交會(huì)過(guò)程中，最大、最小壓力值均出現(xiàn)在列車頭部，而列車中部不同測(cè)點(diǎn)間壓力值差異較小；最大正值出現(xiàn)在鼻尖位置,最小負(fù)值出現(xiàn)在鼻尖往上與車身交接的位置。車頂測(cè)點(diǎn)全程處于負(fù)壓狀態(tài)，車頭鼻尖周圍位置全程處于正壓狀態(tài)，并從鼻尖往四周逐漸減小至負(fù)壓值，由于擋風(fēng)墻防風(fēng)過(guò)度的影響，鼻尖周圍的正壓區(qū)域往迎風(fēng)側(cè)方向偏。

3)無(wú)論動(dòng)車組或是普速列車，列車位于二線比位于一線交會(huì)受到更大的氣動(dòng)載荷；相比于中間車而言，頭、尾車受到的氣動(dòng)橫向力更為顯著。

4)列車橫風(fēng)下交會(huì)比單車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生更加復(fù)雜的氣動(dòng)效應(yīng)，車體所受氣動(dòng)橫向力及傾覆力矩幅值在交會(huì)瞬間急劇增加，建議結(jié)合列車動(dòng)力學(xué)對(duì)橫風(fēng)下交會(huì)車體運(yùn)行穩(wěn)定性展開進(jìn)一步研究。

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* 收稿日期：2016-01-29

基金項(xiàng)目：中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2014T001-A)

通訊作者：姚松(1975-)，男，湖北公安人，副教授，從事軌道交通安全研究；E-mail: song_yao@csu.edu.cn

中圖分類號(hào)：U271.91；U25

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-7029(2016)06-1025-06

Aerodynamic effect of EMU and universal train passing by each other under wind-break wall

PAN Xinxian1,YAO Song2,ZENG Linsen2

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

Abstract:Based on unsteady N-S equation of three-dimensional and compressible viscous fluid, the transient pressure on the train surface, aerodynamic pressure and its moment were analyzed on the condition that the EMU consisting 8 carriages and the Universal train consisting 5 carriages interact with each other by speed of 250/160(km/h) under 3.5 m wind-break wall and crosswind speed of 20 m/s. The results obtained by wind tunnel test and moving model experiment with numerical simulation are used for comparison. The changing law of aerodynamic effect shows agreeable accordance with the error under 12%, and the reliability of the numerical method and the results are verified. When two trains are coming cross under crosswind, the difference of pressures at the head is great while that on the same side of middle part is little. In terms of lateral force and overturning moment, the head car shows the greatest aerodynamic effect and the train in the second line is danger than the first line. The aerodynamic effect is obviously increased, especially at the part of the wake wave. The aerodynamic effect of the train is worse than that before the intersection, which may seriously affected the safety of the train running.

Key words：EMU; universal train; crosswind; interact; aerodynamic effect