瞬態(tài)風(fēng)場(chǎng)下帶風(fēng)屏障的高架橋上高速列車(chē)氣動(dòng)特性

吳超,杜禮明

(大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

瞬態(tài)風(fēng)場(chǎng)下帶風(fēng)屏障的高架橋上高速列車(chē)氣動(dòng)特性

吳超,杜禮明

(大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

通過(guò)數(shù)值方法研究了中國(guó)帽型瞬態(tài)風(fēng)中高速列車(chē)在帶風(fēng)屏障的高架橋上運(yùn)行時(shí)的氣動(dòng)性能，并與恒定橫風(fēng)場(chǎng)下的情況進(jìn)行了對(duì)比分析.結(jié)果表明，恒定側(cè)風(fēng)下高速列車(chē)頭車(chē)周?chē)牧鲌?chǎng)結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜，氣動(dòng)載荷變化最顯著，而瞬態(tài)風(fēng)作用下高速列車(chē)氣動(dòng)性能表現(xiàn)出一定時(shí)滯性，列車(chē)時(shí)速為300 km/h時(shí)，風(fēng)速?gòu)?3.8 m/s遞增到23.46 m/s再遞減至13.8 m/s過(guò)程中，列車(chē)所受到的氣動(dòng)力及氣動(dòng)力矩均發(fā)生顯著波動(dòng)，這與穩(wěn)定橫風(fēng)下列車(chē)受到的恒定側(cè)向力明顯不同.當(dāng)列車(chē)以時(shí)速200～400 km/h運(yùn)行時(shí)，車(chē)速每增加50 km/h，列車(chē)運(yùn)行的最大阻力增長(zhǎng)9%～10%，其他氣動(dòng)力也隨車(chē)速穩(wěn)步增長(zhǎng)，氣動(dòng)力矩的增大幅度則隨車(chē)速的增長(zhǎng)有顯著加大趨勢(shì).

自然瞬態(tài)風(fēng)；高速列車(chē)；高架橋聲屏障；氣動(dòng)特性；數(shù)值分析

0 引言

強(qiáng)橫風(fēng)作用是影響高速列車(chē)側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性的主要因素之一，使列車(chē)發(fā)生脫軌或傾覆的危險(xiǎn)性增大.近年來(lái)，各國(guó)學(xué)者對(duì)高速列車(chē)風(fēng)致安全性問(wèn)題開(kāi)展了大量研究，以提出應(yīng)對(duì)大風(fēng)的策略.羅建斌等[1]采用數(shù)值模擬方法探討橫風(fēng)中高架橋聲屏障高度對(duì)高速列車(chē)氣動(dòng)特性的影響.然而，自然風(fēng)具有明顯的隨機(jī)性，穩(wěn)態(tài)方法無(wú)法預(yù)測(cè)其不確定性特征.文獻(xiàn)[2-3] 建立了陣風(fēng)環(huán)境下車(chē)輛運(yùn)行可靠性的分析方法.但理想陣風(fēng)是對(duì)自然風(fēng)的一種抽象形式，只考慮自然風(fēng)速的最大幅值和持續(xù)時(shí)間，不能預(yù)測(cè)出自然風(fēng)的脈動(dòng)特性.文獻(xiàn)[4]基于COOPER理論和諧波疊加法計(jì)算了隨高速列車(chē)移動(dòng)的點(diǎn)的脈動(dòng)風(fēng)速，并推導(dǎo)出非定常氣動(dòng)載荷的概率分布特性.但現(xiàn)階段該統(tǒng)計(jì)特性很難與計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)接，只能提供理論上的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，不能在三維模型上實(shí)現(xiàn)自然風(fēng)動(dòng)態(tài)的變化過(guò)程.

本文采用歐洲通用標(biāo)準(zhǔn)(TSI)提出的“Chinese hat”動(dòng)態(tài)風(fēng)場(chǎng)模型[5]來(lái)近似模擬動(dòng)態(tài)風(fēng)場(chǎng)，將動(dòng)態(tài)風(fēng)速歷程用雙三角函數(shù)描述，建立有風(fēng)屏障的雙線(xiàn)高架橋上高速列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)的仿真模型，并通過(guò)Fluent軟件的UDF功能模擬自然瞬態(tài)風(fēng)，分析列車(chē)表面壓力以及氣動(dòng)力，研究自然瞬態(tài)風(fēng)對(duì)高速列車(chē)氣動(dòng)性能的影響，并與恒定風(fēng)場(chǎng)下的情況進(jìn)行對(duì)比，為高速列車(chē)在帶風(fēng)屏障的高架橋上安全運(yùn)行提供參考.

1 數(shù)值模型與計(jì)算方法

1.1 仿真模型及氣動(dòng)力定義

列車(chē)是復(fù)雜的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，若對(duì)整列列車(chē)的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，不僅計(jì)算量大、對(duì)計(jì)算機(jī)的要求高.因此，經(jīng)簡(jiǎn)化后本文采用的雙線(xiàn)高架橋CAD模型如圖1所示，參考國(guó)內(nèi)某CRH型高速動(dòng)車(chē)組的幾何外形，采用頭車(chē)+中間車(chē)+尾車(chē)的三輛車(chē)編組的簡(jiǎn)化模型進(jìn)行仿真.

圖1 雙線(xiàn)高架橋及高速列車(chē)CAD模型

在瞬態(tài)風(fēng)環(huán)境中,流場(chǎng)對(duì)列車(chē)的作用一般等效為氣動(dòng)作用力和力矩.為便于計(jì)算,本文在高速列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)模型中建立坐標(biāo)系,如圖2所示.分別為阻力Fx、側(cè)力Fy、升力Fz.側(cè)滾力矩Mx、點(diǎn)頭力矩My、搖頭力矩Mz.

圖2 氣動(dòng)力與氣動(dòng)力矩定義示意圖

1.2 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

在不影響列車(chē)附近流體的流動(dòng)情況下，為減少計(jì)算量，模擬時(shí)列車(chē)運(yùn)行的外流場(chǎng)只能取有限的空間，計(jì)算域如圖3所示.

圖3 計(jì)算域及坐標(biāo)系

為提高計(jì)算效率，劃分網(wǎng)格后需要對(duì)計(jì)算域網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化.通過(guò)錯(cuò)略網(wǎng)格的試算，最終確定的四面體網(wǎng)格總數(shù)約為3×106，如圖4所示.

圖4 計(jì)算網(wǎng)格

1.3 自然瞬態(tài)風(fēng)模型

現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)表明，自然風(fēng)速總是圍繞某一穩(wěn)定值波動(dòng)，其穩(wěn)定值即平均風(fēng)速，而圍繞平均值波動(dòng)的部分即脈動(dòng)風(fēng)速，如圖5所示[5].鑒于以上分析，在考慮計(jì)算效率前提下，既不失自然風(fēng)脈動(dòng)規(guī)律性，同時(shí)考慮自然風(fēng)的極端變化情況，將模型簡(jiǎn)化為圖6所示.

圖5 自然風(fēng)觀(guān)測(cè)記錄

圖6 簡(jiǎn)化后自然風(fēng)模型

其中，動(dòng)態(tài)自然風(fēng)風(fēng)速由穩(wěn)定風(fēng)速和脈動(dòng)風(fēng)速疊加

(1)

式中，U為自然風(fēng)風(fēng)速，u0為穩(wěn)定風(fēng)風(fēng)速，uG為脈動(dòng)風(fēng)速，T為脈動(dòng)風(fēng)持續(xù)時(shí)間，0～4s為不同風(fēng)速變化規(guī)律時(shí)間區(qū)段，umax為最大風(fēng)速，其與穩(wěn)定風(fēng)速u(mài)0的比值A(chǔ)為動(dòng)態(tài)風(fēng)速脈動(dòng)幅值比.根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)[6]，在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算過(guò)程中，取T=1s, A=1.7.

由圖5可知，“Chinesehat”雙三角函數(shù)自然風(fēng)模型描述的動(dòng)態(tài)風(fēng)速變化可由分段函數(shù)表示

1.4 模擬方法及邊界設(shè)置

基于Fluent軟件提供的用戶(hù)自定義函數(shù)接口UDF，編寫(xiě)自然瞬態(tài)風(fēng)函數(shù)程序，并將該程序動(dòng)態(tài)加載到Fluent上.由于自然瞬態(tài)風(fēng)與列車(chē)風(fēng)的最大合成速度馬赫數(shù)小于0.3，因此列車(chē)周?chē)臍怏w流動(dòng)可按三維、黏性、不可壓縮湍流流動(dòng)處理，湍流模型選用兩方程模型，壓力與速度耦合處理方式選用SIMPLEC算法,數(shù)值離散采用二階迎風(fēng)格式.

參照?qǐng)D2所示的計(jì)算域，邊界條件設(shè)置如下：

(1)計(jì)算域流動(dòng)入口：列車(chē)前進(jìn)方向入口ABCD施加均勻風(fēng)場(chǎng)，其大小為列車(chē)運(yùn)行速度，本文中取列車(chē)的運(yùn)行速度為300 km/h，方向與列車(chē)運(yùn)行方向相反；橫風(fēng)速度入口BCFG參考國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)力等級(jí)表中6級(jí)風(fēng)速上限值，即13.8 m/s;

(2)計(jì)算域流動(dòng)出口：使用壓力出口邊界條件，壓力設(shè)置成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓;

(3)列車(chē)表面：列車(chē)表面設(shè)置成有一定粗糙度的固定壁面邊界，考慮列車(chē)表面邊界層效應(yīng)的影響;

(4)地面：為了消除地面效應(yīng)的影響，更加準(zhǔn)確地模擬列車(chē)運(yùn)動(dòng)情況，地面采用滑移壁面邊界條件.

1.5 計(jì)算方法適用性驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文數(shù)值模擬方法適用性及準(zhǔn)確性，參照文獻(xiàn)[7]中在中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心8m×6m風(fēng)洞進(jìn)行的縮尺模型試驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)，與縮尺模型的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，對(duì)比數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 縮尺模型試驗(yàn)與相應(yīng)數(shù)值模擬的結(jié)果對(duì)比

由表1可知，數(shù)值模擬與其縮尺模型試驗(yàn)的氣動(dòng)力系數(shù)誤差在10%左右，在工程允許的誤差范圍內(nèi).

2 結(jié)果與分析

2.1 橫風(fēng)作用下列車(chē)的氣動(dòng)特性

為了對(duì)比分析瞬態(tài)風(fēng)對(duì)高速列車(chē)的影響，首先對(duì)恒定風(fēng)速下的高速列車(chē)頭車(chē)、中間車(chē)、尾車(chē)的氣動(dòng)特性進(jìn)行分析.取列車(chē)運(yùn)行速度為300km/h，橫風(fēng)風(fēng)速13.8 m/s，風(fēng)向角90°，即風(fēng)垂直吹向列車(chē)側(cè)面，圖7為頭車(chē)迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)表面氣動(dòng)壓力的對(duì)比.

圖7 頭車(chē)表面壓力云圖

如圖7所示，在橫風(fēng)環(huán)境下頭車(chē)迎風(fēng)側(cè)為正壓，背風(fēng)側(cè)為負(fù)壓.最大正壓出現(xiàn)在迎風(fēng)一側(cè)的鼻尖處.這是由于橫風(fēng)的影響，雖然有風(fēng)屏障的阻擋，但仍有部分氣流吹向列車(chē)一側(cè)，從而最大壓力偏向迎風(fēng)側(cè)鼻尖處.

圖8 尾車(chē)表面壓力云圖

圖8為尾車(chē)表面的氣動(dòng)壓力分布，在列車(chē)車(chē)尾的迎風(fēng)側(cè)出現(xiàn)了負(fù)壓區(qū)，而背風(fēng)側(cè)出現(xiàn)大面積的正壓區(qū)，導(dǎo)致列車(chē)車(chē)尾所受到橫向力的作用方向正好與頭車(chē)相反.

在列車(chē)長(zhǎng)度方向上取三個(gè)截面，得到列車(chē)在運(yùn)行時(shí)頭車(chē)、中間車(chē)、尾車(chē)橫截面上的壓力云圖和速度流線(xiàn)分布如圖9所示.

(a) 頭車(chē)截面

(b) 中間車(chē)截面

(c) 尾車(chē)截面

根據(jù)圖9，高速列車(chē)的迎風(fēng)側(cè)與背風(fēng)側(cè)均為正壓，只是在不同位置處壓差有微小的變化.隨著遠(yuǎn)離頭車(chē)鼻尖處，迎風(fēng)側(cè)的壓力逐漸減小.而在背風(fēng)側(cè)，隨著遠(yuǎn)離頭車(chē)鼻尖處，壓力增加.

橫向來(lái)流首先遇到風(fēng)屏障的阻擋，來(lái)流被抬升，使車(chē)頂附近的流速增大.由于風(fēng)屏障的存在，導(dǎo)致列車(chē)迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)均形成了較大的漩渦，由漩渦形成的壓差橫向力可能對(duì)列車(chē)的氣動(dòng)性能起到主要的作用.

由頭車(chē)、中間車(chē)、尾車(chē)的速度流線(xiàn)圖對(duì)比可知，中間車(chē)和尾車(chē)由于處在橫風(fēng)及列車(chē)速度的合成速度的遠(yuǎn)端，湍流發(fā)展的空間更大，流場(chǎng)發(fā)展更為充分，形成的漩渦范圍更大，即列車(chē)背風(fēng)側(cè)形成的漩渦區(qū)域頭車(chē)最小，尾車(chē)最大.

表2為橫風(fēng)中列車(chē)在高架橋運(yùn)行時(shí)各車(chē)所受到的氣動(dòng)力及氣動(dòng)力矩值.由該表可知，頭車(chē)的橫向氣動(dòng)力受橫風(fēng)的影響最為嚴(yán)重.

表2 各車(chē)氣動(dòng)力及氣動(dòng)力矩值

2.2 瞬態(tài)風(fēng)作用下列車(chē)的氣動(dòng)特性

在高架橋加裝風(fēng)屏障后，列車(chē)周?chē)牧鲌?chǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，從而影響到列車(chē)的氣動(dòng)性能.下面重點(diǎn)分析高速列車(chē)頭車(chē)的表面壓力， 取列車(chē)的運(yùn)行速度為300 km/h，風(fēng)向角為90°，最大風(fēng)速為23.46m/s，穩(wěn)定風(fēng)速為13.8 m/s，最小風(fēng)速為4.14 m/s.圖10為瞬態(tài)風(fēng)作用下不同時(shí)刻頭車(chē)的表面壓力分布.

圖10 瞬態(tài)風(fēng)作用下列車(chē)頭車(chē)表面的壓力云圖

由圖10可知，瞬態(tài)風(fēng)下列車(chē)表面的壓力隨時(shí)間變化而變化.在t=0.2s時(shí)橫風(fēng)風(fēng)速為5.52m/s，由于風(fēng)速數(shù)值較小，且流場(chǎng)發(fā)展未穩(wěn)定，在風(fēng)屏障作用下列車(chē)迎風(fēng)側(cè)與背風(fēng)側(cè)壓力都為正壓且相差不大，僅為1 700Pa左右；在t=0.6,t=2.6和t=4.2s三個(gè)時(shí)刻時(shí)，雖然標(biāo)定風(fēng)速值均為13.8m/s，但頭車(chē)的表面壓力云圖卻有明顯差異，這是各時(shí)間點(diǎn)的前期風(fēng)速值不同所致，即前一時(shí)刻風(fēng)場(chǎng)的遲滯效應(yīng)影響.t=2.6s時(shí)列車(chē)表面壓差達(dá)到最大值8 500Pa，這是由于此刻正處于風(fēng)速由最大值23.46m/s向最小值4.14m/s過(guò)渡時(shí)期，列車(chē)氣動(dòng)性能最為惡劣，流場(chǎng)壓力分布較復(fù)雜；在t=1.6s時(shí)，風(fēng)速達(dá)到最大值，由于風(fēng)屏障的阻擋，氣流大部分從車(chē)頂上風(fēng)繞過(guò)，少部分氣流會(huì)在車(chē)體兩側(cè)形成漩渦，此時(shí)車(chē)體表面迎風(fēng)側(cè)及背風(fēng)側(cè)均為負(fù)壓；在t=3.6s時(shí)，風(fēng)速達(dá)到極小值，車(chē)體表面壓力分布較t=0.2s時(shí)復(fù)雜.

圖11為不同時(shí)刻頭車(chē)橫截面的速度流線(xiàn)分布，可以更直觀(guān)觀(guān)察流場(chǎng)分布及漩渦所在位置.

同一橫截面在不同時(shí)刻的速度流線(xiàn)圖是不同的，隨著時(shí)間的變化而變化.t=0.2s時(shí)， 列車(chē)迎風(fēng)側(cè)與風(fēng)屏障形成出現(xiàn)漩渦，列車(chē)背風(fēng)側(cè)氣流正常通過(guò)；在t=0.6,t=2.6和t=4.2s三個(gè)時(shí)刻時(shí)，雖然標(biāo)定風(fēng)速值均為13.8m/s，但速度流線(xiàn)圖卻呈現(xiàn)出延后性，即與各自的前一時(shí)刻的流線(xiàn)圖類(lèi)似.隨著時(shí)間推進(jìn)，與恒定風(fēng)場(chǎng)的流線(xiàn)圖相比，不同時(shí)刻的背風(fēng)側(cè)的漩渦的幾何尺寸和位置均發(fā)生變化，且每個(gè)時(shí)刻的流線(xiàn)圖也不相同.可見(jiàn)，在整個(gè)過(guò)程中列車(chē)的周?chē)鲌?chǎng)在瞬態(tài)風(fēng)場(chǎng)下是不穩(wěn)定的.

圖11 瞬態(tài)風(fēng)作用下列車(chē)頭車(chē)橫截面速度流線(xiàn)圖

由以上分析可知，在瞬態(tài)風(fēng)作用下，列車(chē)頭車(chē)周?chē)鲌?chǎng)情況最為復(fù)雜，頭車(chē)的氣動(dòng)載荷變化最明顯，運(yùn)行安全性最差.因此，有必要分析列車(chē)頭車(chē)所受到的氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩隨時(shí)間變化關(guān)系，如圖12所示.

瞬態(tài)風(fēng)場(chǎng)中列車(chē)受到的氣動(dòng)力受風(fēng)速值的影響顯著.由圖12(a)可知，在瞬態(tài)風(fēng)速作用下，氣動(dòng)阻力和側(cè)向力的非穩(wěn)態(tài)變化規(guī)律基本相同，瞬態(tài)風(fēng)速值的波動(dòng)對(duì)二者的影響明顯比對(duì)升力影響大.圖12(a)中，在0～1s內(nèi)，由于風(fēng)速在前0.5s內(nèi)迅速增長(zhǎng)，在后0.5s內(nèi)維持恒值不變，阻力，升力和側(cè)向力變化由急到緩；在1～2s內(nèi)，風(fēng)速經(jīng)歷了由恒值向最大值的波動(dòng)過(guò)程，所以導(dǎo)致氣動(dòng)力也經(jīng)歷了由大到小的變化過(guò)程；在2～3s內(nèi)，風(fēng)速維持恒值不變，在考慮到各氣動(dòng)力響應(yīng)滯后因素的前提下，各氣動(dòng)力保持大致恒定；在3～4s內(nèi)，風(fēng)速經(jīng)歷了第二次波動(dòng)，此過(guò)程與第一次波動(dòng)類(lèi)似，不再贅述；在4s之后風(fēng)速維持恒定，各氣動(dòng)力才逐漸趨于穩(wěn)定.

(a)氣動(dòng)力隨時(shí)間變化

(b)氣動(dòng)力矩隨時(shí)間變化

由圖12(b)可知，點(diǎn)頭力矩和搖頭力矩則受風(fēng)速值影響明顯，且表現(xiàn)出與氣動(dòng)力類(lèi)似的特征，即在時(shí)間上有明顯的延遲性.

2.3 瞬態(tài)風(fēng)作用下車(chē)速對(duì)列車(chē)氣動(dòng)載荷影響

以下分析高速列車(chē)以不同速度通過(guò)帶有風(fēng)屏障的高架橋時(shí)車(chē)速對(duì)列車(chē)所受氣動(dòng)載荷的影響.瞬態(tài)風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速值仍按圖5所示的規(guī)律變化，列車(chē)分別以200、250、300、350和400km/h通過(guò)計(jì)算區(qū)域時(shí)，列車(chē)頭車(chē)所受到的氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)如圖13所示.

(a)氣動(dòng)阻力變化曲線(xiàn)

(b)側(cè)向力變化曲線(xiàn)

由圖13可看出，在瞬態(tài)風(fēng)作用下，同一時(shí)刻隨著車(chē)速增加，列車(chē)運(yùn)行的氣動(dòng)阻力和側(cè)向力均相應(yīng)增加，表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)性.車(chē)速由200km/h以50km/h的增幅逐漸遞增到400km/h時(shí)，列車(chē)運(yùn)行的最大氣動(dòng)阻力增長(zhǎng)率分別為9.82%、10%、8.83%和9.13%.表明，在瞬態(tài)風(fēng)作用下帶風(fēng)屏障的高架橋上，車(chē)速的變化不會(huì)對(duì)周?chē)鲌?chǎng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯變化，但會(huì)明顯改變列車(chē)所受的氣動(dòng)載荷.

圖14 不同車(chē)速下頭車(chē)的側(cè)滾力矩變化歷程

圖14表明，車(chē)速的變化對(duì)側(cè)滾力矩影響很大.列車(chē)的側(cè)滾力矩同時(shí)受到瞬態(tài)風(fēng)風(fēng)速和列車(chē)運(yùn)行速度的影響，在瞬態(tài)風(fēng)風(fēng)速值變化過(guò)程中，雖然風(fēng)向保持為90°，但列車(chē)運(yùn)行的側(cè)滾力矩方向隨風(fēng)速值而發(fā)生改變.在不同車(chē)速范圍內(nèi)，影響側(cè)滾力矩的主要因素不同，當(dāng)列車(chē)運(yùn)行速度小于250km/h時(shí)，側(cè)滾力矩幅值隨瞬態(tài)風(fēng)風(fēng)速值變化而變化，表現(xiàn)出幅值大小不隨車(chē)速的變化而變化；當(dāng)列車(chē)運(yùn)行速度大于250km/h時(shí)，車(chē)速是影響列車(chē)側(cè)滾力矩變化的主要因素，由圖中1～2s圖像可以看出，對(duì)應(yīng)車(chē)速300、350和400km/h時(shí)的側(cè)滾力矩幅值變化依此增大，且增大幅度比例升高，不再表現(xiàn)出車(chē)速小于250km/h，側(cè)滾力矩變化趨勢(shì)基本不受車(chē)速影響，所以建議列車(chē)運(yùn)行安全車(chē)速小于250km/h.

3 結(jié)論

(1)恒定側(cè)風(fēng)下頭車(chē)周?chē)牧鲌?chǎng)結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜.表現(xiàn)為頭車(chē)的橫向氣動(dòng)力受橫風(fēng)的影響最為嚴(yán)重，當(dāng)車(chē)速為300km/h，橫風(fēng)風(fēng)速為13.8m/s，頭車(chē)受到的橫向力是中間車(chē)的3.6倍，是尾車(chē)的4.9倍;

(2)恒定風(fēng)場(chǎng)下，列車(chē)所受到氣動(dòng)力基本穩(wěn)定不變，而中國(guó)帽型瞬態(tài)風(fēng)作用下高速列車(chē)的氣動(dòng)性能表現(xiàn)出明顯的延時(shí)性;

(3)平均風(fēng)速值相同情況下，中國(guó)帽型瞬態(tài)風(fēng)場(chǎng)下高速列車(chē)的運(yùn)行安全性比恒定風(fēng)場(chǎng)下差得多.當(dāng)列車(chē)以300km/h運(yùn)行在有風(fēng)速波動(dòng)的時(shí)域范圍，列車(chē)所受到的氣動(dòng)力及氣動(dòng)力矩均發(fā)生明顯波動(dòng);

(4)中國(guó)帽型瞬態(tài)風(fēng)場(chǎng)下，車(chē)速對(duì)列車(chē)受到的氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩的影響規(guī)律不同.車(chē)速由200km/h以50km/h的增幅逐漸遞增到400km/h時(shí)，列車(chē)運(yùn)行的最大氣動(dòng)阻力增長(zhǎng)率均在9%～10%，而側(cè)滾力矩的增幅則越來(lái)越大，這表明列車(chē)運(yùn)行速度越高，穩(wěn)定性越差.

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Aerodynamic Characteristics of High-Speed Train Runing on a Viaduct with Wind Barriers under in Transient Wind

WU Chao, DU Liming

(School of Traffic and Transportation Enginerering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028)

Aerodynamic performances of high-speed train runing on a viaduct with wind barriers in Chinses-hat transient wind was numerically investigated. The data were compared with those produced in constant crosswind. The results show that the flow field of the first carriage is the most complicated among the whole high-speed train and the aerodynamic loads change most significantly in the constant crosswind. While in transient wind, the aerodynamic performances of the high-speed train show some certain time lag. When the train speed is 300km/h, the aerodynamic forces and aerodynamic moments of the trains fluctuate significantly during wind speed increasing from 13.8 m/s to 23.46 m/s, then declining to 13.8 m/s. The phenomenon is significantly different from the constant lateral force of the train running in steady crosswind. When the train running in speed between 200 km/h and 400 km/h, the maximum aerodynamic resistance of the train increases 9-10% for every increase in the speed 50 km/h, and the other aerodynamic forces steadily increase with the train speed. It also indicates that the increasing amplitude of aerodynamic torques obviously increase with the train speed.

natural transient wind; high-speed train; wind barriers on viaduct; aerodynamic characteristics; numerical analysis

1673- 9590(2017)02- 0021- 07

2016-03-12

吳超(1989-)，男，碩士研究生; 杜禮明(1972-)，男，博士，教授，主要從事機(jī)車(chē)車(chē)輛流體動(dòng)力學(xué)方面的研究

A

E- mail:dlm@djtu.edu.cn.