長大編組高速列車橫風(fēng)氣動特性研究

尚克明 杜健 孫振旭

?

長大編組高速列車橫風(fēng)氣動特性研究

尚克明1杜健1孫振旭2,?

1. 南車青島四方機車股份有限公司, 青島 266111; 2. 中國科學(xué)院力學(xué)研究所, 流固耦合系統(tǒng)力學(xué)實驗室, 北京 100190; ? 通信作者, E-mail: sunzhenxu@imech.ac.cn

采用定常RANS方法, 對長大編組高速列車的橫風(fēng)氣動特性進行分析, 從流場特性和氣動力特性兩個方面開展研究。結(jié)果表明, 橫風(fēng)條件下, 列車表面流動現(xiàn)象非常豐富, 列車首尾流線型存在較多流動分離、再附等現(xiàn)象, 且受橫風(fēng)側(cè)偏角影響較大。在列車背風(fēng)側(cè)出現(xiàn)兩個以上的復(fù)雜分離渦系, 從列車頭車下部開始, 向列車下游發(fā)展并逐漸遠離列車車體。分離渦系是列車承受非定常氣動力的根源。列車頭車是側(cè)向力、滾轉(zhuǎn)力矩最嚴峻的車廂, 且隨著橫風(fēng)側(cè)偏角增大, 側(cè)向力、滾轉(zhuǎn)力矩逐漸增大, 列車行車環(huán)境逐漸惡化。

橫風(fēng)效應(yīng); 長大編組高速列車; 湍流模式; 側(cè)向力; 滾轉(zhuǎn)力矩

列車高速運行時引起的空氣動力學(xué)問題十分復(fù)雜, 特別是列車在大風(fēng)條件下高速運行時, 存在不容忽視的安全風(fēng)險[1]。列車在橫風(fēng)條件下運行時, 氣動特性會發(fā)生顯著變化, 即高速列車橫風(fēng)效應(yīng)。這一效應(yīng)引起的橫向氣動力和傾覆力矩不僅會使列車產(chǎn)生共振, 導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞, 嚴峻條件下會增加列車橫擺超限以及脫軌的可能性。蘭新鐵路多次發(fā)生列車被大風(fēng)吹翻的事故, 造成人員傷亡和嚴重的經(jīng)濟損失[2]。京滬高速鐵路沿線最大風(fēng)速有可能超過30 m/s, 橫風(fēng)的威脅很大[3]。研究表明, 當(dāng)列車的運行速度超過200 km/h, 橫風(fēng)風(fēng)速大于30 m/s 時極有可能導(dǎo)致列車脫軌或傾覆[4–5]。因此, 橫風(fēng)會對列車高速運行的安全性、穩(wěn)定性和舒適性帶來重大影響。隨著運行速度的提高, 這一影響會越來越劇烈, 對高速列車運行安全性造成極大威脅。

當(dāng)前針對高速列車橫風(fēng)效應(yīng)的研究, 主要分為試驗研究和數(shù)值模擬研究。早期受計算條件的限制, 試驗研究較多。1986年, Baker[6]對鐵路客運列車進行了一系列1:50縮比模型風(fēng)洞試驗, 研究車輛在橫風(fēng)作用下的氣動特性。2003年, Sucuki等[7]利用風(fēng)洞試驗研究橫風(fēng)作用下車輛的氣動特性, 發(fā)現(xiàn)橫風(fēng)對車輛的作用不僅與車輛的外形有關(guān), 還與車輛下部結(jié)構(gòu)的外形有關(guān), 此后對氣動力進行評價時, 開始考慮自然風(fēng)的風(fēng)向、風(fēng)速和列車的運行速度。2004年, Sanquer 等[8]發(fā)展一種新的試驗方法來研究橫風(fēng)對高速列車的作用, 此方法能測定車輛每一個部分所受的氣動力, 并能可靠地評估橫風(fēng)作用下列車所受的氣動力。隨著計算機技術(shù)和計算流體力學(xué)的發(fā)展, 人們開始將風(fēng)洞試驗和數(shù)值模擬結(jié)合起來評估高速列車的空氣動力學(xué)特性。Khier 等[9]采用分離式的原始變量SIMPLE算法求解黏性流體動力學(xué)方程(N-S 方程), 對橫風(fēng)攻角不同情況下的流場結(jié)構(gòu)進行討論。Orellano 等[10]通過數(shù)值模擬和試驗研究高速列車的橫風(fēng)穩(wěn)定性, 分析不同來流攻角對列車氣動力的影響, 并給出橫風(fēng)作用下列車周圍氣流的運動軌跡。Hemida等[11]利用大渦模擬的方法研究 35°和 90°側(cè)偏角下列車流場機理, 并與試驗結(jié)果進行對比分析, 并討論了橫風(fēng)側(cè)偏角和尾渦結(jié)構(gòu)對列車氣動力的影響。郗艷紅等[12]針對三編組列車模型, 采用分離渦方法, 模擬恒定風(fēng)場中高速列車繞流的非定常流動, 在時域和頻域內(nèi)分析車輛氣動特性的瞬態(tài)性質(zhì)。劉加利等[13]針對列車車廂截面, 首先進行不同橫風(fēng)風(fēng)速下高速列車非定常氣動特性的分析, 進而將該截面拓展到整節(jié)車廂, 并結(jié)合多體動力學(xué)方法, 研究了橫風(fēng)對高速列車運行安全性的影響。

從研究對象上來看, 試驗研究以及數(shù)值模擬研究的對象通常為簡化模型, 或者較少編組模型(單節(jié)車廂或者三編組列車); 從數(shù)值模擬方法上來看, 高速列車橫風(fēng)氣動特性研究可以采用定常方法或者非定常方法。針對前者, 通常采用雷諾平均方法; 針對后者, 通常采用的方法包括非定常雷諾平均方法、分離渦方法或者大渦模擬方法。不同方法對計算網(wǎng)格的要求各不相同, 在求解流場結(jié)構(gòu)的精度上也存在差異。大渦模擬對計算網(wǎng)格要求最高, 由此獲得的流場細節(jié)也更為詳細?，F(xiàn)有研究結(jié)果表明, 橫風(fēng)條件下定常流動模擬的氣動力與氣動力矩與非定常流動模擬結(jié)果的均值盡管有一定差異, 但整體誤差在一定范圍內(nèi)。從流場結(jié)構(gòu)來看, 定常方法獲得的流場與非定常方法得到的流場具有大體相似的結(jié)構(gòu)。

中國當(dāng)前線上運行列車多為八編組或者十六編組, 橫風(fēng)條件下不同編組的氣動力特性以及流場特性等均為主機廠家關(guān)注的重點。然而, 常規(guī)研究中風(fēng)洞不可能復(fù)現(xiàn)長大編組工況, 數(shù)值分析時受限于非定常方法對網(wǎng)格的要求, 也不可能對長大編組進行非定常的細致分析。本文針對長大編組下列車的流場特性和氣動力特性進行分析, 采用折中的方法, 將定常雷諾平均方法作為本文的 CFD 分析方法, 既可以大致捕捉長大編組流場特性, 獲得不同編組的氣動特性, 也能降低數(shù)值分析難度, 提升數(shù)值分析效率。

1 計算方法

本文采用 RANS 方法進行長大編組高速列車橫風(fēng)氣動力特性分析, 選取合適的湍流模式對正確預(yù)測列車的氣動力非常關(guān)鍵。雙方程模式(如-e模式[14])可以較好地模擬遠離壁面充分發(fā)展的湍流流動, 但在近壁面附近會對湍流的輸運作用估計過度, 使流動分離延遲或不發(fā)生流動分離, 從而降低求解存在逆壓梯度和流動分離問題的精度。Wilcox的經(jīng)典-w雙方程模式[15]在求解壁面邊界層流動以及自由剪切流方面具有非常良好的性能, 可以更廣泛應(yīng)用于各種壓力梯度下的邊界層問題, 但對自由來流中的值過度敏感, 而-e模式不存在這種問題。為了綜合兩種模型的優(yōu)點, 本文采用Menter[16]提出的-eSST模式。這是一種在工程上廣泛應(yīng)用的混合模式, 在近壁面保留了原始的-w模型, 在遠離壁面的地方應(yīng)用模型。

在本文工況下, 流場的可壓縮性與熱傳導(dǎo)效應(yīng)均可以忽略, 因而流動方程可以寫為

,

其中,,u和分別是密度、速度和壓強;為渦黏系數(shù), 在-wSST模型中, 其表達式為

-eSST模式的兩個輸運方程形式為

,

-eSST模型中的常數(shù)可以表示為

。

1在近壁面區(qū)域趨近于 1, 模型近似于-w模型; 遠離壁面時1趨近于0, 模型轉(zhuǎn)化為-e模型。這樣可以將兩種模型取長補短。其中

,;

,,,

,

,

。

表示到物面的最小距離。

,,

式中,F為列車空氣阻力;F為列車氣動升力;F為列車側(cè)向力;M為列車傾覆力矩;為空氣密度;為列車運行速度;S為參考面積, 這里取列車最大迎風(fēng)面積;為參考長度。

2 計算模型和條件

本文的計算面向十六編組, 采用頭車+中間車(14 節(jié))+尾車+轉(zhuǎn)向架+車頂附件+受電弓模型形式, 計算模型如圖1所示。計算建模采用真實的幾何外形, 包括轉(zhuǎn)向架、受電弓、風(fēng)擋和空調(diào), 以便實現(xiàn)對列車氣動性能的準確模擬。

本文計算采用TRIM網(wǎng)格進行生成。TRIM網(wǎng)格對復(fù)雜外形的適應(yīng)性比較好, 通過設(shè)置不同大小的區(qū)域加密可以完成高速列車復(fù)雜模型的網(wǎng)格生成, 同時也能較好地保證生成網(wǎng)格質(zhì)量。為了準確地捕捉列車壁面附近的邊界層流動, 在列車壁面附近和地面、軌道等位置進行邊界層網(wǎng)格生成。邊界層總厚度為 30 mm。為了與六面體網(wǎng)格更好的銜接, 保證網(wǎng)格質(zhì)量, 共設(shè)置 6 層邊界層網(wǎng)格, 增長比為1.2, 網(wǎng)格的厚度及其與列車表面的正交性和貼體性, 保證了壁面函數(shù)的應(yīng)用于邊界層模擬的準確性。加密尾流、列車表面和受電弓三處對流場影響比較大的區(qū)域的網(wǎng)格?？偩W(wǎng)格數(shù)約 6000 萬單元。列車截面網(wǎng)格示意圖見圖2。

采用相對運動條件模擬列車附近的外流場。設(shè)定列車靜止, 地面移動, 空氣來流以與列車運行速度反向等值的速度繞流列車, 橫風(fēng)以速度垂直地吹向列車。主流方向空氣來流的速度是與的合成速度,=+, 速度三角形如圖3所示。

采用速度入口邊界, 設(shè)定速度為主流合速度; 采用壓力出口邊界, 給定出口壓力為 1 atm; 列車表面采用無滑移邊界; 地面設(shè)為移動壁面, 設(shè)定為列車運行速度, 與列車運行方向相反; 計算域上表面亦采用壓力出口邊界。本文橫風(fēng)計算工況如表1所示。

表1 橫風(fēng)計算工況

3 結(jié)果分析

3.1 流場特性分析

流場特性是氣動力特性的根源。橫風(fēng)條件下高速列車的流場結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜, 列車表面的流動現(xiàn)象非常豐富。本節(jié)以工況 2 (列車運行速度為 200 km/h, 橫風(fēng)速度為25 m/s)為例進行說明。

圖 4 為列車不同部位的表面壓力分布。橫風(fēng)效應(yīng)使列車承受壓力分布呈現(xiàn)非常強的非對稱性。如圖 4(a)所示, 鼻錐正前方的滯止區(qū)域向橫風(fēng)迎風(fēng)側(cè)發(fā)生較明顯的移動。同樣, 如圖 4(c)和(d)所示, 在受電弓、轉(zhuǎn)向架的橫風(fēng)迎風(fēng)側(cè)也出現(xiàn)較明顯的正壓區(qū)域。在橫風(fēng)背風(fēng)側(cè), 由于大量渦系的產(chǎn)生、發(fā)展和脫落, 背風(fēng)側(cè)出現(xiàn)大面積的負壓區(qū), 車身基本上為負壓。如圖 4(d) 所示, 在受到橫風(fēng)作用時, 列車迎風(fēng)面寬度增加, 會有更多的氣流流向車身底部與地面之間的空隙, 造成車身底部結(jié)構(gòu)承受的阻力增大, 各個轉(zhuǎn)向架在橫風(fēng)作用下承受氣動阻力均有大幅增加。

圖4 列車不同部位表面壓力分布

圖 5 為車身表面的表面流線。如圖 5(a)所示, 在橫風(fēng)作用下, 從迎風(fēng)側(cè)開始向背風(fēng)側(cè)觀察, 迎風(fēng)側(cè)基本上不會發(fā)生流動分離, 這是因為列車壁面之間的倒角足夠光順, 流動基本上沿著壁面向下游發(fā)展。在背風(fēng)側(cè)上拐角位置, 流動則發(fā)生分離(圖5(b)), 在尾車流線型背風(fēng)側(cè)也存在非常明顯的分離線, 這些流動分離使得橫風(fēng)條件下尾流區(qū)的流動更加紊亂。

為了更好地研究背風(fēng)側(cè)渦出現(xiàn)的強度以及這些渦的發(fā)展趨勢, 下面給出不同截面位置上的速度等值線 (圖 6)。在圖6中, 從第一中間車中部位置開始, 向下游每隔 50 m取一個新的截面, 直到最后一節(jié)中間車, 覆蓋列車的整個區(qū)域, 顯示列車背風(fēng)側(cè)尾流漩渦的產(chǎn)生、發(fā)展以及與列車表面脫離的情況。列車背風(fēng)側(cè)產(chǎn)生多個漩渦, 沿車身向后, 各漩渦的起始位置呈底部、中部和頂部交替變化?？梢钥闯? 背風(fēng)側(cè)渦的來源主要包括兩類: 從列車底部流經(jīng)的氣流在離開列車背風(fēng)側(cè)壁面時, 圍繞背風(fēng)側(cè)壁面形成第一個渦, 該渦受流線型的影響不大, 所以早在頭部流線型位置的地方就開始形成; 另一類是從列車上壁面流經(jīng)的氣流在離開背風(fēng)側(cè)壁面上端拐角位置時形成的渦, 該渦受車體截面形狀影響較大, 在車體截面部分, 因為車體截面是一個比較典型的鈍體, 流動經(jīng)過時即形成典型的鈍體繞流, 因而在背風(fēng)側(cè)壁面拐角位置形成大尺度的流動分離, 出現(xiàn)較大的渦。這兩類不同的渦在絕大多數(shù)橫截面上都可以觀察到, 各個截面上的渦聯(lián)合在一起形成兩種獨立的渦系。沿著流動方向向車體下游, 這兩個渦系強度均變得越來越大, 且其渦核中心位置越來越偏離列車壁面。

圖 7 為列車整車的等值面, 其中=100。從等值圖上可以看到橫風(fēng)條件下背風(fēng)側(cè)大尺度的脫落渦結(jié)構(gòu), 轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場特征也比較復(fù)雜。受轉(zhuǎn)向架復(fù)雜結(jié)構(gòu)的影響, 在區(qū)域內(nèi)也有較多不同尺度的渦結(jié)構(gòu)。

3.2 氣動力特性分析

在橫風(fēng)作用下, 由于相對于來流的迎風(fēng)面積增加, 各節(jié)車廂的氣動力均大幅提高。橫風(fēng)作用下列車的運行安全性存在重大危險, 極端嚴峻條件下有可能造成列車傾覆等惡性事故。在列車運行承受氣動力中, 側(cè)向力以及滾轉(zhuǎn)力矩與列車的傾覆息息相關(guān)。下面重點分析十六編組列車承受側(cè)向力和滾轉(zhuǎn)力矩的特性。

仍以工況 2 為例進行分析。首先給出不同車廂的側(cè)向力系數(shù)比較, 如圖8所示?？梢钥吹? 不同編組間側(cè)向力最為嚴峻的車廂是頭車, 側(cè)向力系數(shù)最大, 而倒數(shù)第1和第2節(jié)車廂側(cè)向力系數(shù)最小, 較為安全。從整車模型圖上可以看到, 第4節(jié)和第13節(jié)車廂上面放置升弓, 而第5節(jié)和第12節(jié)車廂上面放置降弓, 由于放置受電弓后增大了車廂的側(cè)向受力面積, 這4節(jié)車廂的側(cè)向力系數(shù)明顯大于周圍車廂。然而, 這4節(jié)車廂的側(cè)向力系數(shù)仍然小于頭車。滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)的比較也具有類似的規(guī)律, 說明在氣動力分析時考察最嚴峻場景, 可以重點分析頭車的運行安全性。

圖9為不同工況下頭車側(cè)向力系數(shù)的比較?？梢钥吹? 隨著運行速度降低, 橫風(fēng)風(fēng)速增大, 來流側(cè)偏角越來越大, 列車承受的側(cè)向力則大幅增加。

圖 10 為不同工況下頭車滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)的比較?？梢钥吹? 滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)具有與側(cè)向力系數(shù)一樣的規(guī)律。橫風(fēng)側(cè)偏角越大, 列車承受的氣動環(huán)境越惡化。隨著橫風(fēng)側(cè)偏角增大, 頭車側(cè)向力系數(shù)逐漸增大, 滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)也逐漸增大, 增加了對行車安全的威脅。

為了研究長大編組列車相對于短編組列車的橫風(fēng)氣動力差異, 本文對三編組以及八編組列車的側(cè)向力系數(shù)進行比較。三編組列車經(jīng)常用于高速列車風(fēng)洞試驗, 而八編組列車和十六編組列車是當(dāng)前線路上比較廣泛的列車編組方式。因為不同編組形式涉及受電弓的安裝問題, 本文假定三編組列車中間車上無受電弓, 八編組列車則按照實際運行情況在第 2 和第 5 中間車上方分別設(shè)置升弓與降弓。圖11 和 12 為三編組列車以及八編組列車承受側(cè)向力的情況。

為了詳細比較頭車側(cè)向力系數(shù), 圖 13 給出不同編組列車頭車側(cè)向力系數(shù)的比較。可以看到, 不同編組情況下, 列車頭車承受側(cè)向力系數(shù)非常一致, 說明頭車側(cè)向力幾乎不受編組條件影響。另外, 比較所有編組不同車廂的側(cè)向力, 可以發(fā)現(xiàn)頭車側(cè)向力最大, 說明研究列車的安全性時, 可以僅考察短編組下的頭車受力情況。

比較各編組條件下中間車廂的側(cè)向力還可以發(fā)現(xiàn), 十六編組條件下的尾車和最后一節(jié)中間車廂、八編組條件下尾車以及三編組尾車承受側(cè)向力遠小于其他車廂, 具有共性。此外, 放置受電弓升弓的列車其側(cè)向力由于受力面積的增大也大幅增加。不同編組條件下中間車廂側(cè)向力均值差異較大, 通常情況下列車上游中間車廂承受側(cè)向力較大, 而越靠近尾車區(qū)域, 側(cè)向力系數(shù)越小, 因而當(dāng)編組情況發(fā)生變化時, 中間車廂的受力分布狀況也會發(fā)生變化, 說明簡單采用短編組列車來評估整體列車受力是不可靠的。為了準確地評估長大編組列車的氣動力特性, 必須對具體編組情況進行分析。

4 結(jié)論

本文基于定常RANS分析方法, 針對當(dāng)前線路運行的長大編組高速列車進行橫風(fēng)運行特性分析。計算模型為十六編組實車模型, 包含受電弓、轉(zhuǎn)向架、風(fēng)擋、空調(diào)等附屬結(jié)構(gòu), 得到以下結(jié)論。

1) 橫風(fēng)使得高速列車表面壓力出現(xiàn)強非對稱性, 滯止區(qū)域的偏移造成迎風(fēng)側(cè)出現(xiàn)大幅正壓區(qū), 背風(fēng)側(cè)出現(xiàn)大幅負壓區(qū)。迎風(fēng)面積的增大也造成列車車體、轉(zhuǎn)向架等部位承受較大阻力。

2) 橫風(fēng)條件下, 列車表面流動現(xiàn)象非常豐富, 列車首尾流線型存在較多流動分離、再附等現(xiàn)象, 且受橫風(fēng)側(cè)偏角影響較大。在列車背風(fēng)側(cè)出現(xiàn)兩個以上的復(fù)雜分離渦系, 從列車頭車下部開始, 向列車下游發(fā)展并逐漸遠離列車車體。分離渦系是列車承受非定常氣動力的根源。

3) 列車頭車是側(cè)向力、滾轉(zhuǎn)力矩最嚴峻的車廂, 且隨著橫風(fēng)側(cè)偏角增大, 側(cè)向力、滾轉(zhuǎn)力矩逐漸增大, 列車行車環(huán)境逐漸惡化。如果僅需要評估列車的橫風(fēng)安全性, 則可以研究短編組列車橫風(fēng)特性, 且只需針對頭車進行安全特性分析即可。

4) 不同編組下列車中間車廂側(cè)向力分布差異較大, 通常情況下列車上游中間車廂承受側(cè)向力較大, 而越靠近尾車區(qū)域, 側(cè)向力系數(shù)越小。為了準確評估長大編組列車的氣動力特性, 必須針對具體編組情況進行氣動力分析。

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Investigation on Aerodynamic Characteristics of Long-Grouped High Speed Train Subjected to Crosswind

SHANG Keming1, DU Jian1, SUN Zhenxu2,?

1. CSR Qingdao Sifang Co. Ltd, Qingdao 266111; 2. Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190; ? Corresponding author, E-mail: sunzhenxu@imech.ac.cn

RANS approach is adopted to perform an investigation on aerodynamic characteristics of high speed trains in crosswind conditions. Both the flow structures and aerodynamic loads are analyzed in detail. Results reveal that abundant flow phenomena could be observed on the streamlined head and affected by the yaw angles of the incoming flow. Detached vortices can be found on the leeward side of train, which origin from the bottom of the streamlined head and develop along the train body and gets far away from the train body. The first car of the whole train owns the worst aerodynamic circumstance. As the yaw angle grows, the side force and the overturning moment of the first car gradually grow bigger, and the running circumstance of the train becomes worse.

crosswind effect; long-grouped high speed train; turbulence model; side force; overturning moment

10.13209/j.0479-8023.2015.137

U238

2015-05-21;

2015-06-08;

網(wǎng)絡(luò)出版日期: 2016-04-13