動車組在防風(fēng)設(shè)施過渡段氣動性能仿真分析

肖 政 何德華

（1.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院 江西南昌 330013；2.中國鐵道科學(xué)研究院 北京 100081）

動車組在防風(fēng)設(shè)施過渡段氣動性能仿真分析

肖 政1何德華2

（1.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院 江西南昌 330013；2.中國鐵道科學(xué)研究院 北京 100081）

我國鐵科院在進行蘭新二線大風(fēng)試驗期間，動車組試驗列車在多處防風(fēng)設(shè)施過渡段均有明顯的晃車現(xiàn)象，對列車運行安全性產(chǎn)生了不利影響。防風(fēng)設(shè)施過渡段是限制大風(fēng)條件下行車速度提升的關(guān)鍵影響因素。文章針對8編組CRH5型動車組建立模型，采用trim+prism layer的體網(wǎng)格類型通過STAR-CCM+軟件對列車通過某一處典型防風(fēng)設(shè)施過渡段進行仿真計算來探尋分析動車組通過防風(fēng)設(shè)施過渡段的氣動性能的方法。分析表明，該仿真計算方法能很好的反映出動車組通過該過渡段時的氣動特性，這對探索評估和驗收防風(fēng)設(shè)施過渡段具有很強的現(xiàn)實意義。

防風(fēng)設(shè)施過渡段；trim+prism layer體網(wǎng)格；氣動性能

我國對列車在風(fēng)區(qū)過渡段空氣動力學(xué)性能研究開展目前尚處于起步階段。蘭新鐵路第二雙線是世界上第一條大風(fēng)環(huán)境下的高速鐵路，正線通過安西風(fēng)區(qū)、煙墩風(fēng)區(qū)、百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)、達坂城風(fēng)區(qū)等五大風(fēng)區(qū)，其中百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)的風(fēng)力最為強勁，部分區(qū)段年均大于8級大風(fēng)天氣達到兩百多天，最大風(fēng)速60米/秒，相當(dāng)于17級風(fēng)。蘭新鐵路第二雙線為了達到少停輪，少限速、少停車的運營目標(biāo)，進行了新的防風(fēng)工程設(shè)計，總線一共設(shè)置了四百多千米防風(fēng)工程，包括路基擋風(fēng)墻、橋梁擋風(fēng)屏和防風(fēng)明洞三種防風(fēng)結(jié)構(gòu)。為了研究新設(shè)計的防風(fēng)工程的效果，在鐵路總公司的總體組織和領(lǐng)導(dǎo)下，鐵科院2014年在蘭新二線百里風(fēng)區(qū)累計開展了8次大風(fēng)試驗，由于未系統(tǒng)的研究列車通過防風(fēng)設(shè)施過渡段時的空氣動力學(xué)性能，導(dǎo)致過渡段成為薄弱環(huán)節(jié)，嚴重影響到了試驗的順利進行[1]。綜上所述，亟需一種方法對防風(fēng)設(shè)施過渡段進行靜態(tài)驗收，但是過渡段受地形地貌影響很大，各過渡段差異較大，沒有統(tǒng)一的評估方法可用，鑒于此，探索一種等效的仿真計算方法對過渡段防風(fēng)效果進行統(tǒng)一評估具有非常重要的現(xiàn)實意義。

一、三維地形地貌建模

選取大風(fēng)試驗線路上一處空氣動力學(xué)性能較為不利，對行駛安全會造成威脅的防風(fēng)設(shè)施過渡段位置進行現(xiàn)場考察，該過渡段由擋風(fēng)墻、路基以及涵洞構(gòu)成。測量采集該過渡段位置環(huán)境數(shù)據(jù)，包括地形地貌等高線、風(fēng)速等。該過渡段位置如圖1所示：

圖1 實地勘察圖

仿真模型盡可能還原真實環(huán)境，按照實測參數(shù)進行擋風(fēng)墻、路基及涵洞的1:1三維建模，涵洞部分模型圖如下：

圖2 涵洞仿真模型

除擋風(fēng)墻、路基、涵洞以外，實際地形地貌按照等高線地形圖進行1:1三維建模，地形示意圖如下：

圖3 地形地貌三維建模示意圖

二、數(shù)值計算說明

仿真計算采用穩(wěn)態(tài)模型，通過相對坐標(biāo)系計算列車運行至某一位置時的流場情況。利用軟件STAR-CCM+進行仿真計算。網(wǎng)格的劃分以及網(wǎng)格質(zhì)量對計算結(jié)果效率、收斂性和精確性最為重要。根據(jù)試算，在高速列車的橫風(fēng)效應(yīng)計算中，采用trim+prismlayer的體網(wǎng)格類型。在整個空間計算域采用較大尺寸的網(wǎng)格，對流場變化比較大的區(qū)域進行網(wǎng)格細化，主要包括車身周圍、尾流及受電弓等區(qū)域，采用從細網(wǎng)格到粗網(wǎng)格采用逐層過渡的方案[2-3]。

列車邊界層的首層厚度的選擇原則是計算得到的Y+值在30100范圍內(nèi)。采用六面體網(wǎng)格，在地面處以及車體表面生成邊界層網(wǎng)格，邊界層的總厚度為30mm。為了保證網(wǎng)格質(zhì)量以及更好的銜接六面體網(wǎng)格，設(shè)置增長比為1.2的邊界層網(wǎng)格6層，網(wǎng)格的厚度以及與列車表面的正交性與貼體性，可以保證壁面函數(shù)的應(yīng)用于邊界層模擬的準確性。加密對流場影響比較大的區(qū)域的網(wǎng)格如尾流、列車表面和受電弓三處。為了減少了網(wǎng)格數(shù)量又不降低計算的精度，遠離列車流暢平穩(wěn)區(qū)域的空間網(wǎng)格則設(shè)置較大。本文計算網(wǎng)格采用的是TRIM網(wǎng)格進行生成，由于TRIM網(wǎng)格對于復(fù)雜外形的適應(yīng)性比較好，可以通過設(shè)置不同大小的區(qū)域加密來完成高速列車復(fù)雜模型的高質(zhì)量網(wǎng)格生成。生成網(wǎng)格時在列車壁面附近和地面、軌道等位置也進行邊界層網(wǎng)格生成，這樣就能夠準確的捕捉列車壁面附近的邊界層流動[4]。

三、動車組穩(wěn)態(tài)仿真計算分析

（一）計算條件。列車模型為8編組CRH5型列車，總長為212m，車體最大橫截面積S=12.206。列車運行速度80km/h，風(fēng)速35m/s，風(fēng)向角67.50，即列車由東向西開行，風(fēng)向來流為西偏北67.50。本次計算由于列車運行速度不高，氣流處于不可壓縮狀態(tài)，因而采用不可壓求解器進行分析，來流密度：1.225kg/m。邊界條件包括固定壁面邊界、速度入口邊界條件、壓力邊界條件。

采用相對運動來模擬列車附近的外流場。設(shè)定列車為靜止的，而地面移動，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)以固定速度垂直吹向列車。

（1）入口邊界條件。包括列車風(fēng)和橫風(fēng)的速度入口條件。假設(shè)入口邊界來流的三維速度分布不會受到模型的擾動，除運動方向外，另外兩個方向的速度分量均為零，沿運動方向的速度在另外兩個方向上均勻分布。流入速度取理論上的無窮遠處的來流速度，平行于列車方向的主流風(fēng)速取為列車運行速度；垂直于列車方向速度取為橫風(fēng)風(fēng)速；

（2）出口邊界條件。壓力邊界條件，出口壓力取為一個標(biāo)準大氣壓強[4]；

（3）列車表面邊界條件：由于在列車表面存在邊界層效應(yīng)的影響，故列車表面設(shè)定為有摩擦的固壁邊界 (無滑移邊界)，接近于實際情況，可較為精確的計算出列車表面的摩擦阻力，即粘性剪切力，以及表面的壓力分布等參數(shù)；

（4）計算域上表面。由于選擇的流場計算區(qū)域足夠大，故可認為外圍邊界對列車周圍的流場幾乎無影響。為了與相對運動的條件相對應(yīng)，將計算區(qū)域的外圍邊界設(shè)定為壓力出口條件[5]。

為了便于分析，定義無量綱系數(shù)如下：

列車氣動阻力系數(shù)CD，其表達式為：

式中，F(xiàn)x為列車空氣阻力，ρ為空氣密度，V為列車運行速度，Sx為參考面積，這里取列車最大迎風(fēng)面積，本次計算取為12.206m2。

升力系數(shù)CL，其表達式為：

式中，F(xiàn)Z為列車氣動升力，ρ為空氣密度，V為列車運行速度，Sx為參考面積，本次計算取為12.206m2。

側(cè)向力系數(shù)Cs，其表達式為：

式中，F(xiàn)s為列車側(cè)向力，ρ為空氣密度，V為列車運行速度，Sx為參考面積，本次計算取為12.206m2。列車滾轉(zhuǎn)力矩系數(shù)CMx，其表達式為：

式中，Mx為列車滾轉(zhuǎn)力矩，ρ為空氣密度，V為列車運行速度，Sx為參考面積，這里取列車最大迎風(fēng)面積，本次計算取為12.206m2。L為參考長度，取距中心為每節(jié)列車中心位置。

列車傾覆力矩系數(shù)CMy，其表達式為：

式中，My為列車傾覆力矩，ρ為空氣密度，V為列車運行速度，Sx為參考面積，這里取列車最大迎風(fēng)面積，本次計算取為12.206m2。L為參考長度，取距中心為每節(jié)列車中心位置。列車偏航力矩系數(shù)，其表達式為：

式中，為Mz列車偏航力矩，為空氣密度，V為列車運行速度，為Sx參考面積，這里取列車最大迎風(fēng)面積，本次計算取為12.206m2。L為參考長度，取距中心為每節(jié)列車中心位置。

（二）網(wǎng)格分布。計算采用直角切割網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)約5000萬單元。利用國家超算中心服務(wù)器進行大規(guī)模并行計算。計算區(qū)域及網(wǎng)格示意圖如下圖所示。

圖4 計算區(qū)域及網(wǎng)格示意圖

（三）流場分布情況。高速列車在行駛時，由于空氣的粘性作用，列車將帶動列車尾部周圍的空氣隨之運動，形成列車尾流，并以速度場和壓力場的形式表現(xiàn)出來。如果有強橫風(fēng)的作用，列車空氣動力性能惡化，不僅列車的空氣阻力、升力和橫向力迅速增加，還影響列車的橫向穩(wěn)定性，嚴重時將導(dǎo)致列車傾覆[6]。

由于列車所受空氣動力由列車周圍流場產(chǎn)生，列車周圍的流場分布情況直接影響列車各個部分氣動力的大小，而且

列車尾流結(jié)構(gòu)反映了全車各部分分離狀態(tài)和相互作用的綜合效果，包含了車身繞流的大量信息，因此需要對列車周圍流場進行研究。

列車整車氣動力分布取決于表面的壓力分布，列車表面壓力的分布情況會直接影響列車各個部分氣動力的大小[7-10]。本文首先就列車表面壓力分布進行分析，先給出列車表面整體壓力分布云圖和各個特征部位的壓力分布云圖：

圖5 流場壓力云圖

圖6 列車和路基、擋風(fēng)墻壓力云圖

圖7 頭車壓力云圖

圖8 第三至第六節(jié)車廂壓力云圖

為清楚直觀的研究地形地貌對列車的影響，下面分析列車的空間流線分布：

圖9 空間流線分布

為更清楚直觀地分析氣流繞過擋風(fēng)墻的過程，下面再分析橫截面上的流線分布：

圖10 橫截面上的流線分布

（四）氣動力統(tǒng)計。計算得出列車各部分的受力統(tǒng)計：

表1 氣動力系數(shù)

四、結(jié)語

（一）通過列車表面整體壓力分布云圖和各個特征部位的壓力分布云圖可以得出，擋風(fēng)墻及涵洞明顯改變了區(qū)域內(nèi)的流場分布，涵洞后方即列車第五六兩節(jié)車廂的表面壓力要明顯小于涵洞前方即列車第三四節(jié)車廂的表面壓力，在涵洞和擋風(fēng)墻的共同作用下，列車受力不均，以涵洞為界限，前半部分車廂表面壓力要大于后四節(jié)車廂表面壓力，這容易加重列車的不穩(wěn)定性，影響行車安全。

（二）通過列車的空間流線分布可以得出：1.擋風(fēng)墻對橫風(fēng)起到了一定的阻擋作用；2.涵洞對氣流起到了抽吸作用，涵洞出口氣流對列車尤其是后四節(jié)車廂的周圍流場起到了較強的擾動作用。

（三）通過橫截面上的流線分布圖可以得出，氣流一部分通過涵洞，一部分繞過擋風(fēng)墻，形成的渦系結(jié)構(gòu)主要存在于兩個區(qū)域：列車與擋風(fēng)墻之間、涵洞出口與地形之間。這兩個較大渦系的存在，會顯著影響列車的受力及運行穩(wěn)定性。

（四）通過列車各部分的受力統(tǒng)計可以得出，列車受力主要有2個特點：1.后四節(jié)車廂升力顯著增大，升力過大會影響列車車輪與軌道的接觸力，嚴重時會導(dǎo)致脫軌、傾覆；2.列車側(cè)向力在四五六七節(jié)車廂顯著增大并且所受合力的方向發(fā)生改變，這意味著涵洞前和通過涵洞后流場發(fā)生了顯著的改變，導(dǎo)致列車受力不均衡，這種情況下會明顯影響列車的穩(wěn)定性。

本文的仿真計算針對的是動車組中部通過該涵洞過渡段位置瞬時的情況，后續(xù)可以進行盡可能多時刻的仿真計算，通過這些靜態(tài)離散多時刻的仿真計算計算結(jié)果就能夠直觀的描述出動車組各個位置壓力分布隨時間變化的情況。這將為探索對過渡段防風(fēng)效果進行統(tǒng)一評估的仿真計算方法提供良好的基礎(chǔ)。

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U292.91+4

A

2095-0438（2017）11-0149-04

2017-05-27

肖政（1993－），男，江西吉安人，華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院碩士研究生，研究方向：建筑與土木工程研究。

國家自然科學(xué)基金項目（編號：51048010）。

[責(zé)任編輯 鄭麗娟]