大風(fēng)環(huán)境下高速列車加速運(yùn)行氣動(dòng)特性研究

劉智超， 周 丹， 梁習(xí)鋒， 牛紀(jì)強(qiáng)

(1. 中南大學(xué) 軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長(zhǎng)沙 410075； 2. 中南大學(xué) 軌道交通安全關(guān)鍵技術(shù)國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長(zhǎng)沙 410075；3. 中南大學(xué) 軌道交通列車安全保障技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心， 湖南 長(zhǎng)沙 410075； 4. 中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410075)

高速列車具有速度高、質(zhì)量輕、抗傾覆能力差等特點(diǎn)，相對(duì)于無(wú)風(fēng)環(huán)境，大風(fēng)環(huán)境下其氣動(dòng)特性變化更加顯著[1-4]。高速列車在運(yùn)行過(guò)程中不可避免的存在出站等加速運(yùn)行的情況，而當(dāng)存在環(huán)境風(fēng)時(shí)，高速列車在加速運(yùn)行過(guò)程中氣動(dòng)力、力矩等會(huì)發(fā)生較大變化，影響乘客乘坐舒適性，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)威脅到列車的運(yùn)行安全。

為了提高列車在風(fēng)環(huán)境中的運(yùn)行安全性，近幾十年國(guó)內(nèi)外研究人員通過(guò)實(shí)車試驗(yàn)、模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)列車在橫風(fēng)下的空氣動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行了大量研究。Baker等[5-7]對(duì)橫風(fēng)下高速列車的氣動(dòng)特性及周圍流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究得到橫風(fēng)下氣動(dòng)載荷的頻率及利用陣風(fēng)模擬自然風(fēng)的可行性。考慮到橫風(fēng)作用下的非定常特性，部分學(xué)者采用DES方法對(duì)高速列車橫風(fēng)下非定常氣動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬[8-9]。田紅旗[10-11]和毛軍等[12]分別通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法得到了大風(fēng)環(huán)境下高速列車阻力系數(shù)與風(fēng)速、風(fēng)向角及車速之間的關(guān)系表達(dá)式，并提出部分減阻措施。意大利學(xué)者通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)研究了不同地形及橫風(fēng)對(duì)高速列車氣動(dòng)性能的影響[13-14]。Cheli等[15]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法重點(diǎn)研究了EMUV250高速列車在橫風(fēng)狀態(tài)下的運(yùn)行狀況并得到其氣動(dòng)載荷系數(shù)。大部分學(xué)者主要研究了橫風(fēng)環(huán)境下高速列車勻速運(yùn)行時(shí)氣動(dòng)載荷及周圍流場(chǎng)變化，而對(duì)于高速列車勻加速過(guò)程中氣動(dòng)載荷及流場(chǎng)變化的研究則鮮有涉及。

本文采用數(shù)值計(jì)算方法，利用滑移網(wǎng)格技術(shù)，對(duì)橫風(fēng)風(fēng)速為15 m/s時(shí)，高速列車分別以加速度0.5、1.0、1.5 m/s2勻加速運(yùn)行過(guò)程的流場(chǎng)進(jìn)行了仿真模擬。根據(jù)模擬結(jié)果，得到了高速列車加速過(guò)程中列車表面壓力、周圍流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)力及力矩的變化規(guī)律及不同加速度對(duì)高速列車氣動(dòng)載荷的影響。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 數(shù)值求解方法

本文列車運(yùn)行最高速度為200 km/h，橫風(fēng)速度為15 m/s，對(duì)應(yīng)的馬赫數(shù)小于0.3，在計(jì)算中空氣按照不可壓縮黏性流考慮[16]。采用基于有限體積法的國(guó)際主流CFD軟件——Fluent求解列車周圍流場(chǎng)；計(jì)算中通過(guò)Fluent中的UDF功能控制列車的運(yùn)行速度，以實(shí)現(xiàn)列車的勻加速。橫風(fēng)下列車周圍流場(chǎng)處于強(qiáng)湍流狀態(tài)。計(jì)算初始時(shí)刻，首先對(duì)大風(fēng)條件下列車靜止在線路上進(jìn)行計(jì)算，直到在整個(gè)計(jì)算區(qū)域列車初始狀態(tài)下的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)建立起來(lái)之后，再模擬列車的加速運(yùn)行過(guò)程。采用三維、非定常、不可壓縮的N-S方程和Realizablek-ε湍流模型求解整個(gè)流場(chǎng)。壓力-速度耦合的求解采用SIMPLE算法，空間壓力采用標(biāo)準(zhǔn)格式離散。為獲得更高的計(jì)算精度，提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，動(dòng)量方程、湍流方程、湍流耗散率均采用具有二階精度的二階迎風(fēng)離散格式。為了能通過(guò)相對(duì)較少的時(shí)間求出給定時(shí)刻的解，時(shí)間離散格式采用一階全隱離散格式[17]。由于列車加速運(yùn)行過(guò)程中車速一直在變化，經(jīng)過(guò)多次試算，選擇以最高運(yùn)行速度200 km/h運(yùn)行時(shí)的最優(yōu)時(shí)間步長(zhǎng)0.005 s作為整個(gè)加速過(guò)程的時(shí)間步長(zhǎng)，能兼顧計(jì)算效率和計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1.2 模型與網(wǎng)格

為保證高速列車運(yùn)行過(guò)程中氣動(dòng)力和力矩模擬的精確性，在計(jì)算模型中保留了列車的轉(zhuǎn)向架、風(fēng)擋等結(jié)構(gòu)；考慮到計(jì)算能力的限制和編組長(zhǎng)度中中間車變化規(guī)律一致等特點(diǎn)[12]，將列車縮減為3節(jié)(頭車，中間車和尾車)，以車高3.7 m為特征長(zhǎng)度H,則全長(zhǎng)20.65H，寬0.91H，高H。圖1為列車幾何模型。

采用滑移網(wǎng)格技術(shù)模擬列車在橫風(fēng)下勻加速運(yùn)行狀況，流場(chǎng)信息通過(guò)交換面進(jìn)行傳遞。采用開(kāi)源軟件Openfoam對(duì)車體周圍滑移區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格離散，車身表面設(shè)置10層網(wǎng)格來(lái)模擬附面層，使y+數(shù)值控制在30～300之間。其網(wǎng)格見(jiàn)圖2。

1.3 計(jì)算域與邊界條件

圖3為列車的計(jì)算域和邊界條件。整個(gè)計(jì)算域長(zhǎng)1 000H，包括列車加速運(yùn)行距離(1 m/s2加速運(yùn)行距離長(zhǎng)418H)、勻速運(yùn)行距離、車尾預(yù)留距離，其中車尾距離出口端50H；寬81H，迎風(fēng)側(cè)入口距離軌道中心線26H，背風(fēng)側(cè)距離軌道中心線55H；高25H。數(shù)值模擬計(jì)算中一般將實(shí)際問(wèn)題劃分為有限區(qū)域進(jìn)行，在區(qū)域邊界上給定邊界條件。列車前進(jìn)方向?yàn)閄軸正方向，水平面上垂直于列車前進(jìn)方向?yàn)閅軸方向，垂向水平面為Z軸方向。橫風(fēng)方向沿Y軸，且按均勻來(lái)流給定速度大小，在橫風(fēng)入口為速度入口邊界條件(u,v,w)in=(uf,0,0)in，橫風(fēng)出口為壓力出口邊界條件，出口靜壓為0 Pa。由于整個(gè)計(jì)算域近尾車和近頭車的2個(gè)端面已經(jīng)遠(yuǎn)離列車主流區(qū)域(50H及以上)，基本不會(huì)對(duì)列車周圍流場(chǎng)產(chǎn)生影響。在尾車端面設(shè)置壓力入口邊界，近頭車端面設(shè)置壓力出口邊界，保證2個(gè)端面邊界處基本與周圍大氣一致。2個(gè)區(qū)域的邊界分界面設(shè)置為交換面邊界條件，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。列車所在區(qū)域的運(yùn)行速度為列車運(yùn)行速度。流域上下底面按光滑壁面處理，給定無(wú)滑移邊界條件。

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

2.1 氣動(dòng)系數(shù)計(jì)算公式

為便于研究分析，本文將列車表面壓力、阻力、側(cè)向力進(jìn)行無(wú)量綱化，得到無(wú)量綱系數(shù)——列車表面壓力系數(shù)Cp、阻力系數(shù)Cx、側(cè)向力系數(shù)Cy。其分別為:

壓力系數(shù)

( 1 )

阻力系數(shù)

( 2 )

側(cè)力系數(shù)

( 3 )

數(shù)值模擬中氣動(dòng)系數(shù)均方根值計(jì)算式為

( 4 )

式中：xi為各個(gè)時(shí)刻下空氣動(dòng)力系數(shù)；n為樣本總數(shù)。

2.2 風(fēng)洞試驗(yàn)

風(fēng)洞模型試驗(yàn)的試驗(yàn)介質(zhì)與真實(shí)情況相同，是研究列車氣動(dòng)特性應(yīng)用最廣泛的手段之一[16]。通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。風(fēng)洞試驗(yàn)在中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心低速所8 m×6 m風(fēng)洞中進(jìn)行，其試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖4。

2.3 風(fēng)洞與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比

列車勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下數(shù)值計(jì)算的非定常氣動(dòng)力系數(shù)均方根值與風(fēng)洞試驗(yàn)得到的阻力系數(shù)和側(cè)向力系數(shù)對(duì)比見(jiàn)圖5。

由于列車運(yùn)行過(guò)程中，頭車所受氣動(dòng)載荷的影響最大，本文以頭車和中間車的阻力系數(shù)及側(cè)向力系數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。由圖5可以看出無(wú)論是阻力系數(shù)還是側(cè)向力系數(shù)，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的規(guī)律基本一致，二者系數(shù)吻合較好，經(jīng)計(jì)算，最大誤差在10%之內(nèi)，滿足本次計(jì)算的要求。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 高速列車加速運(yùn)行氣動(dòng)性能變化規(guī)律

高速列車在大風(fēng)環(huán)境下勻加速運(yùn)行時(shí)，由于環(huán)境風(fēng)與列車風(fēng)的耦合作用及列車運(yùn)行速度的不斷變化，列車表面壓力、流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)載荷分布規(guī)律均不同于列車勻速運(yùn)行。因而，本文對(duì)高速列車以1.5 m/s2的加速度在15 m/s橫風(fēng)環(huán)境中勻加速運(yùn)行過(guò)程中， 0 s(列車靜止)、10 s(車速54 km/h)、20 s(車速108 km/h)、30 s(車速162 km/h)、37 s(車速200 km/h)時(shí)刻下的氣動(dòng)性能進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1.1 表面壓力

圖6為大風(fēng)環(huán)境下高速列車以1.5 m/s2勻加速運(yùn)行過(guò)程中， 0、10、20、30、37 s時(shí)刻下的車體表面壓力分布對(duì)比圖。

由圖6可以看出：高速列車靜止時(shí)，迎風(fēng)面為正壓，背風(fēng)面為負(fù)壓，且頭、尾車壓力呈現(xiàn)對(duì)稱分布。列車在勻加速運(yùn)行過(guò)程中，除尾部流線型區(qū)域外，列車的迎風(fēng)面基本處于正壓狀態(tài)；列車背風(fēng)面和頂面基本為負(fù)壓和微正壓狀態(tài)；隨著勻加速時(shí)間的增加(即車速的增加)，在頭車鼻尖偏向迎風(fēng)面的區(qū)域形成的正壓逐漸增大，氣流在頭車流線型過(guò)渡處與車體發(fā)生分離，導(dǎo)致此處壓力逐漸減小，形成負(fù)壓；尾車的鼻尖周圍區(qū)域逐漸形成較小的正壓，同時(shí)尾車流線型過(guò)渡處形成較大的負(fù)壓并隨著列車運(yùn)行時(shí)間的增加，負(fù)壓的絕對(duì)值迅速增加。

圖7為高速列車勻加速運(yùn)行不同時(shí)刻的縱向剖面表面壓力系數(shù)分布圖。從圖中可以看出在高速列車勻加速運(yùn)行的不同時(shí)刻，頭車、尾車和車輛連接部位壓力波動(dòng)存在明顯差異。隨著列車勻加速時(shí)間的增加，鼻尖附近的正壓區(qū)域逐漸增大，10 s(車速增加到與風(fēng)速大小相等)時(shí)，壓力波動(dòng)范圍最大。0 s時(shí)(列車靜止，在15 m/s的橫風(fēng)作用下)，整車的壓力關(guān)于中間車的中間位置對(duì)稱分布，鼻尖處為負(fù)壓，且與其他時(shí)刻的壓力分布差異顯著。

3.1.2 流場(chǎng)結(jié)構(gòu)

本文選取高速列車3個(gè)截面位置的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，其中中間車中間位置為0處，頭車選取離中心-6.76H處，尾車為6.76H處。圖8為高速列車截面位置示意圖，圖9為勻加速不同時(shí)刻列車截面流線圖。

由圖9可以看出，在橫風(fēng)作用下，高速列車周圍流場(chǎng)結(jié)構(gòu)隨勻加速運(yùn)行過(guò)程不斷發(fā)生改變。0 s(即高速列車靜止，僅受到橫風(fēng)作用)時(shí)，列車背風(fēng)側(cè)車體附近形成2個(gè)近似上下對(duì)稱的渦結(jié)構(gòu)系。同一時(shí)刻，列車表面(X=-6.76H)形成的渦不斷向列車后方運(yùn)動(dòng)，并最終脫離列車表面而漸漸消失。隨列車運(yùn)行時(shí)間的增加，列車下方的渦漸漸遠(yuǎn)離列車表面并最終與列車表面脫離，列車上方的渦逐漸向列車下方移動(dòng)，得到充分發(fā)展后逐漸遠(yuǎn)離列車表面，渦強(qiáng)減弱，最終消失。20 s時(shí)，X=6.76H處截面可以看出，在勻加速后列車下方的渦幾乎完全消失。

3.1.3 氣動(dòng)載荷

圖10為在15 m/s橫風(fēng)作用下,高速列車在以1.5 m/s2勻加速運(yùn)行過(guò)程中，側(cè)向力、阻力和傾覆力矩的變化曲線。由圖10可知，高速列車在勻加速運(yùn)行過(guò)程中側(cè)向力、阻力、傾覆力矩呈非線性增大趨勢(shì)，其中頭車變化最大。高速列車勻加速37 s后頭車的側(cè)向力是勻加速10 s后的2.03倍，中間車為1.46倍，尾車為0.61倍。勻加速37 s后中間車的阻力為勻加速10 s后阻力的6.96倍，尾車為6.23倍。勻加速37 s后頭車的傾覆力矩是勻加速10 s后的1.74倍，中間車為1.42倍，尾車為1.11倍。

為進(jìn)一步探索加速過(guò)程中氣動(dòng)載荷產(chǎn)生變化的原因，將車速和風(fēng)速進(jìn)行無(wú)量綱化,即橫坐標(biāo)為車速與風(fēng)速的比值RVtw=Vt/Vw。圖11、圖12，分別表示阻力系數(shù)、側(cè)向力系數(shù)與RVtw值之間的關(guān)系。

由圖11可以看出，頭車阻力系數(shù)隨車速的增加由負(fù)轉(zhuǎn)正；中間車阻力系數(shù)隨車速的增加而增大；尾車阻力系數(shù)隨車速的增加而減小。在勻加速過(guò)程中，各車阻力系數(shù)變化率隨RVtw值的減小而減小，且在RVtw值大于3時(shí)，各車阻力系數(shù)的變化率低于0.05。

圖12顯示頭車的側(cè)向力系數(shù)在車速小于風(fēng)速數(shù)值時(shí)，先增加后迅速減?。恢虚g車和尾車的側(cè)向力系數(shù)隨車速的增加而減小。側(cè)向力系數(shù)的變化率隨RVtw的減小而迅速減小，且在RVtw值大于3時(shí)，各車側(cè)向力系數(shù)的變化率低于0.6。

因此，在橫風(fēng)風(fēng)速一定時(shí)，隨著列車運(yùn)行速度的增加，風(fēng)速對(duì)阻力系數(shù)和側(cè)向力系數(shù)的影響不斷減小。氣動(dòng)力系數(shù)的變化率隨RVtw值的增大而迅速減小。

3.2 加速度對(duì)列車氣動(dòng)性能影響分析

在橫風(fēng)作用下，高速列車勻加速運(yùn)行過(guò)程中，氣動(dòng)性能不斷發(fā)生變化。當(dāng)采用不同加速度時(shí)，達(dá)到相同速度所需的時(shí)間不一致，其側(cè)向力、阻力、傾覆力矩在不同時(shí)間也將產(chǎn)生相應(yīng)的變化。由于在列車勻加速過(guò)程中頭車氣動(dòng)載荷變化最大，本文選取不同加速度下頭車的阻力、側(cè)向力、傾覆力矩進(jìn)行分析，得到不同加速度對(duì)高速列車勻加速過(guò)程中氣動(dòng)性能的影響。圖13為高速列車在15 m/s橫風(fēng)作用下，分別以0.5、1.0、1.5 m/s2的加速度從靜止勻加速到200 km/h過(guò)程中側(cè)向力、阻力、傾覆力矩隨時(shí)間的變化圖。

由圖13可以看出，高速列車以不同加速度運(yùn)行過(guò)程中，側(cè)向力、阻力、傾覆力矩的變化規(guī)律基本相同，即隨著列車勻加速時(shí)間的增加，頭車的側(cè)向力、阻力、傾覆力矩不斷增大。在列車以0.5 m/s2加速度運(yùn)行時(shí)，頭車側(cè)向力變化率為0.251 6 kN/s，而當(dāng)加速度達(dá)到1.5 m/s2時(shí)，頭車側(cè)向力變化率達(dá)到0.755 kN/s，即在勻加速過(guò)程中，隨著加速度的增加，側(cè)向力、阻力、傾覆力矩隨時(shí)間的變化率不斷增大。變化率越大，短時(shí)間內(nèi)高速列車氣動(dòng)載荷變化越大，可能嚴(yán)重影響列車的安全運(yùn)行和乘客的舒適性。

為進(jìn)一步分析高速列車運(yùn)行過(guò)程中加速度對(duì)車速與氣動(dòng)載荷的影響，對(duì)高速列車以0.5、1.0、1.5 m/s2的加速度從靜止勻加速到200 km/h過(guò)程中側(cè)向力、阻力、傾覆力矩隨車速的變化進(jìn)行了研究，見(jiàn)圖14。

由圖14可以看出，無(wú)論高速列車的加速度為多少，列車運(yùn)行到相同速度時(shí)的氣動(dòng)載荷是一致的。高速列車運(yùn)行過(guò)程中，氣動(dòng)載荷隨車速的變化規(guī)律與氣動(dòng)載荷隨時(shí)間的變化規(guī)律一致。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)在15 m/s的大風(fēng)環(huán)境下高速列車從靜止勻加速到200 km/h運(yùn)行過(guò)程中的壓力、速度、氣動(dòng)載荷等進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

(1) 在橫風(fēng)的作用下，高速列車在勻加速運(yùn)行過(guò)程中，迎風(fēng)面(除尾部流線型部位外)基本為正壓，背風(fēng)面和頂面基本為負(fù)壓；列車靜止時(shí)鼻尖處不再為正壓，且整車的壓力關(guān)于中間車中間位置呈對(duì)稱分布。

(2) 高速列車勻加速的不同時(shí)刻，頭車、尾車和車輛連接部位壓力存在明顯波動(dòng)，當(dāng)列車運(yùn)行速度大小與風(fēng)速大小相等時(shí)，壓力波動(dòng)最劇烈。

(3) 大風(fēng)環(huán)境中，高速列車靜止時(shí)背風(fēng)側(cè)形成2個(gè)近似上下對(duì)稱的渦系，隨著勻加速時(shí)間的增加，列車下方的渦得到充分發(fā)展后逐漸遠(yuǎn)離列車表面，渦強(qiáng)度減弱，最終消失。

(4) 在橫風(fēng)風(fēng)速一定時(shí)，隨著列車運(yùn)行速度的增加，風(fēng)速對(duì)阻力系數(shù)和側(cè)向力系數(shù)的影響不斷減小。氣動(dòng)力系數(shù)的變化率隨車速與風(fēng)速比值的增大而迅速減小。當(dāng)車速與風(fēng)速的比值大于3時(shí)，各車阻力系數(shù)的變化率降到0.05以下，側(cè)向力系數(shù)的變化率降到0.6以下。

(5) 當(dāng)高速列車以0.5 m/s2加速度運(yùn)行時(shí)，頭車側(cè)向力變化率為0.251 6 kN/s，而當(dāng)加速度達(dá)到1.5 m/s2時(shí)，頭車側(cè)向力變化率達(dá)到0.755 kN/s。高速列車在以不同的加速度運(yùn)行時(shí)，隨著加速度的增加，側(cè)向力、阻力、傾覆力矩的變化率不斷增大，將導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)高速列車氣動(dòng)載荷的變化增大，可能嚴(yán)重影響列車的安全運(yùn)行和乘客的舒適性。