強側(cè)風下城際動車組非定常氣動特性研究

李玉坤，周丹

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強側(cè)風下城際動車組非定常氣動特性研究

李玉坤，周丹

(中南大學 軌道交通安全教育部重點實驗室，湖南 長沙 410075)

通過分離渦模擬(DES)數(shù)值計算方法，對強側(cè)風中不同行駛工況下某新型城際動車組的非定常氣動特性進行研究，計算得到各工況下該型城際動車組所受非定常氣動力的時域特性、頻域特性，以及列車周圍的非定常流場結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果表明：在強側(cè)風作用下，列車所受氣動力存在明顯的非定常性，隨著路堤高度的增加，非定常性更加顯著；非定常氣動載荷的主要頻率出現(xiàn)在0~50 Hz，峰值頻率主要出現(xiàn)在0~8 Hz，應(yīng)考慮氣動載荷頻率與車身固有頻率接近而可能造成的共振問題；隨著路堤高度的增加，轉(zhuǎn)向架和風擋區(qū)域流場擾動更加劇烈。

強側(cè)風；城際動車組；非定常；分離渦方法

城際鐵路成為軌道交通行業(yè)未來發(fā)展的新趨勢，城際鐵路以短途、快速、運轉(zhuǎn)靈活等特點，與普通鐵路和高速鐵路形成優(yōu)勢互補。《城際鐵路設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：城際鐵路是指專門服務(wù)于相鄰城市間或城市群，旅客列車設(shè)計速度200 km/小時及以下的快速、便捷的交通設(shè)施。隨著城際鐵路的快速發(fā)展，由于動車組的輕量化設(shè)計，導致動車組自重輕，抗傾覆能力低，強側(cè)風下城際動車組的空氣動力學問題越來越突出[1]。在某些特殊的風環(huán)境，如高架橋、路堤、丘陵及山口的風口地段，列車的擾流流場改變更為突出，導致列車脫軌、傾覆的可能性大大增加。由大風導致的事故在世界各國時有發(fā)生，對乘客的生命和財產(chǎn)安全構(gòu)成嚴重威脅[2?3]。過去大風導致的事故通常發(fā)生在普速列車上，而動車組出于安全性的考慮，在設(shè)計之初就進行了相關(guān)優(yōu)化，因此目前為止還沒有相關(guān)事故在動車組上發(fā)生過，但由于動車組的輕量化設(shè)計，導致動車組自重輕，抗傾覆能力低，因此對強側(cè)風下動車組的氣動特性進行研究是很有必要的。已有的研究多針對于運行時速低于120 km/h的普速列車和高于250 km/h的高速列車，針對強側(cè)風城際動車組氣動性能的研究尚且不多。邢海英等[4]利用動模型試驗的方法對CRH3A型城際動車組的氣動性能進行了研究；于慶斌[5]利用風洞試驗的方法對城際動車組的氣動性能進行了研究；張亮等[6]將空氣動力學與多體系統(tǒng)動力學結(jié)合起來，研究了橫風下高速列車的非定常氣動特性及安全性；郗艷紅等[7]用采用分離渦方法模擬了恒定風場中高速列車繞流的非定常流動，在時域和頻域內(nèi)分析了車輛氣動特性的瞬態(tài)性質(zhì)；劉加利等[8]在列車空氣動力學和系統(tǒng)動力學相結(jié)合的基礎(chǔ)上研究了橫風下高速列車氣動載荷。Hassan等[10]通過研究指出，橫風導致列車所受非定常氣動力的頻率較低，接近列車的固有頻率。以往由于受計算規(guī)模的限制，多將計算簡化為定常問題或者將三維問題簡化為二維問題進行研究。本文以我國某新型城際動車組為分析對象，利用三維分離渦方法(DES)模擬列車周圍的瞬態(tài)流場，研究了該車所受氣動載荷的非定常性及列車周圍非定常流場結(jié)構(gòu)，并分析了路堤高度對于該型城際動車組所受非定常氣動載荷的影響，以期為我國城際動車組在強側(cè)風環(huán)境下的行車安全設(shè)計提供參考。

1 數(shù)學模型與計算方法

本文計算采用DES方法求解整個流場。DES方法可視為非穩(wěn)態(tài)RANS方法與LES方法的結(jié)合。該方法在整個邊界層區(qū)域采用非穩(wěn)態(tài)RANS求解，用LES對其余部分進行模擬。所采用的RANS模型為SST-2方程模型。

本文數(shù)值計算工作利用流場計算軟件fluent完成。計算中馬赫數(shù)小于0.3，按不可壓處理；速度壓力耦合采用SIMPLEC算法?？紤]計算精度和計算效率2方面原因，確定非定常計算時間步長為5×10?5s，通過監(jiān)測流動變量的殘差以保證每一個時間步內(nèi)的計算收斂。

2 計算模型、區(qū)域及邊界條件

2.1 計算模型

本文計算模型采用3車編組的某新型城際動車組模型，即由1節(jié)頭車、1節(jié)中車、1節(jié)尾車組成，長度分別為6.7，6.3和6.7，如圖1所示，其中為車高(此處為3.85 m)，車輛之間以風擋連接。為了較真實地計算城際動車組所受的氣動載荷，對轉(zhuǎn)向架、風擋等細部特征進行了模擬。圖2給出了模擬所用的路堤模型示意圖。

圖1 列車模型圖

圖2 路堤模型圖

2.2 計算網(wǎng)格

采用OpenFOAM軟件中的SnappyHexMesh模塊對數(shù)值計算區(qū)域進行離散。為了準確模擬城際動車組所受氣動載荷，對車體周圍主要關(guān)心區(qū)域進行了加密處理。車體表面采用10層棱柱形網(wǎng)格模擬附面層邊界，計算網(wǎng)格及附面層見圖3，網(wǎng)格總數(shù)超過5 000萬。

圖3 計算網(wǎng)格

2.3 計算區(qū)域

計算域及邊界條件設(shè)置如圖4所示。為保證橫風下列車周圍流場的充分發(fā)展以及減小邊界條件的影響，列車前部距離為10，距離橫風出口為18.8；計算域高度為10。將面和面設(shè)置為速度入口，面和面設(shè)置為壓力出口，面、面給定壁面邊界條件。

圖4 計算域及邊界條件

2.4 氣動力系數(shù)定義

空氣壓力、力和力矩系數(shù)定義為：

2.5 計算方法驗證

為驗證數(shù)值模擬計算方法的可靠性，在中國空氣動力研究與發(fā)展中心低速所8 m×6 m大型低速風洞中進行列車風洞試驗，試驗?zāi)Ｐ蜑镃RH2動車組模型，如圖5所示。數(shù)值計算中建立與風洞試驗相同的1:8縮比列車模型及風洞流域尺寸計算模型。將風洞來流速度60 m/s，風偏角19.8°作為數(shù)值計算中的來流速度，以保證風洞試驗與數(shù)值模擬的雷諾數(shù)等相關(guān)參數(shù)的一致；將地面設(shè)為無滑移壁面邊界條件，以保證和風洞試驗的地面條件一致。

將數(shù)值計算結(jié)果時均化后與風洞試驗結(jié)果比較，對比結(jié)果見表1和表2。從對比結(jié)果可以看出，本文所使用的計算方法及各項設(shè)置是合理的。

圖5 CRH2動車組模型

表1 數(shù)值計算側(cè)向力系數(shù)與風洞試驗對比

表2 數(shù)值計算升力系數(shù)與風洞試驗對比

Table 1 Comparison between experimental results and calculation results for the lift force coefficient

3 計算結(jié)果分析

3.1 車體所受氣動載荷的時域特性

通過對平地和不同路堤高度(3，6和9 m)上運行的城際動車組進行數(shù)值模擬，得到城際動車組在各種工況下所受非定常氣動載荷信息及其周圍非定常流場結(jié)構(gòu)。計算發(fā)現(xiàn)，頭車所受各項氣動載荷均為最大，此處以來流速度60 m/s，側(cè)滑角19.8°，不同高度路堤上運行的城際動車組頭車為代表，進行車體所受非定常氣動載荷的時域分析。圖6給出了該不同工況下，頭車的側(cè)向力、升力及傾覆力矩系數(shù)隨時間變化的時程曲線。

表3給出了不同路堤高度下頭車所受各項氣動力的均方根值。由表3可以看出：當路堤高度從0增加到9 m，頭車各項氣動力及力矩均大幅增加，其中側(cè)向力增大了64.5%，升力增大了108.1%，傾覆力矩的絕對值增大了57.4%，升力的增幅最為顯著，應(yīng)考慮升力大幅增加而可能引起的運行安全性問題。

(a) 側(cè)向力系數(shù)；(b) 升力系數(shù)；(c) 傾覆力矩系數(shù)

3.2 車體所受氣動載荷的頻域特性

為了進一步研究城際動車組在強側(cè)風作用下所受非定常氣動力的脈動特性，對不同高度路堤上頭車所受非定常氣動力信號進行快速傅里葉變換，得到其頻譜分布情況。

3.2.1 側(cè)向力的頻域特性

圖7所示為不同路堤高度上列車各部分的側(cè)向力功率譜密度曲線。由圖5可知，不同工況下列車各部分的側(cè)向力功率譜密度峰值主要集中于0~50 Hz的范圍內(nèi)，但各部分的功率譜密度峰值的最大值以及最大值所對應(yīng)的頻率有所不同。對于頭車來說，功率譜密度峰值最大值為3.3×10?4，出現(xiàn)在平地上，對應(yīng)頻率為2 Hz，其次為9 m路堤，6 m路堤和3 m路堤上，對應(yīng)的功率譜密度峰值為1.47×10?4，1.05×10?4和1.31×10?5，對應(yīng)頻率為12，2和2 Hz；對于中車來說，功率譜密度峰值最大值為1.9×10?3，出現(xiàn)在9 m路堤上，對應(yīng)頻率為2 Hz，其次為6 m路堤，3 m路堤和平地上，對應(yīng)的功率譜密度峰值為1.1×10?3，7.58×10?4和5.74×10?4，對應(yīng)頻率分別為4，2和2 Hz；對于尾車來說，功率譜密度峰值的最大值為3.56×10?3，出現(xiàn)在6 m路堤上，對應(yīng)頻率為2 Hz，其次為9 m路堤，3 m路堤和平地上，對應(yīng)功率譜密度峰值為1.02×10?3，8.86×10?4和2.84×10?4，對應(yīng)頻率分別為6，4和2 Hz。

表3 頭車各項氣動力系數(shù)均方根值

(a) 頭車；(b) 中車；(c) 尾車

3.2.2 升力的頻域特性

圖8所示為不同路堤高度上列車各部分升力系數(shù)的頻域特性曲線，由圖6可知，不同工況下列車各部分的升力系數(shù)功率譜密度峰值主要集中于0~50 Hz的范圍內(nèi)，但各部分的功率譜密度峰值的最大值以及最大值所對應(yīng)的頻率有所不同。對于頭車來說，功率譜密度峰值最大值為1.28×10?3，出現(xiàn)在9 m路堤上，對應(yīng)頻率為8 Hz，其次為6 m路堤、平地和3 m路堤上，對應(yīng)的功率譜密度峰值為7.9×10?3，6.28×10?4和2.02×10?4，對應(yīng)頻率分別為2，2和6 Hz；對于中車來說，功率譜密度峰值最大值為2.79×10?3，出現(xiàn)在9 m路堤上，對應(yīng)頻率為4 Hz，其次為3 m路堤、6 m路堤和平地上，對應(yīng)的功率譜密度峰值為2.34×10?3，1.66×10?3和9.24×10?4，對應(yīng)頻率為2，4和2 Hz；對于尾車來說，功率譜密度峰值的最大值為4.98×10?3，出現(xiàn)在9 m路堤上，對應(yīng)頻率為4 Hz，其次為6 m路堤，3 m路堤和平地上，對應(yīng)功率譜密度峰值為2.49×10?3，3.91×10?4和3.46×10?4，對應(yīng)頻率分別為4，2和2 Hz。

(a) 頭車；(b) 中車；(c) 尾車

3.2.3 傾覆力矩的頻域特性

圖9所示為不同路堤高度上列車各部分傾覆力矩系數(shù)的頻域特性曲線，由圖6可知，不同工況下列車各部分的升力系數(shù)功率譜密度峰值主要集中于0~50 Hz的范圍內(nèi)，但各部分的功率譜密度峰值的最大值以及最大值所對應(yīng)的頻率有所不同。對于頭車來說，功率譜密度峰值最大值為4.37×10?4，出現(xiàn)在平地上，對應(yīng)頻率為4 Hz，其次為9 m路堤、6 m路堤和3 m路堤上，對應(yīng)的功率譜密度峰值為2.00×10?4，1.08×10?4和3.27×10?5，對應(yīng)頻率分別為8，2和2 Hz；對于中車來說，功率譜密度峰值最大值為5.16×10?4，出現(xiàn)在9 m路堤上，對應(yīng)頻率為2 Hz，其次為6 m路堤、3 m路堤和平地上，對應(yīng)的功率譜密度峰值為1.83×10?4，8.53×10?5和3.96×10?5，對應(yīng)頻率為2，14和4 Hz；對于尾車來說，功率譜密度峰值的最大值為7.13×10?4，出現(xiàn)在6 m路堤上，對應(yīng)頻率為2 Hz，其次為9 m路堤，3 m路堤和平地上，對應(yīng)功率譜密度峰值為5.16×10?4，2.53×10?4和1.52×10?4，對應(yīng)頻率分別為26，4和2 Hz。

3.3 車體周圍流場結(jié)構(gòu)

列車周圍流場的非定常流動是產(chǎn)生非定常氣動力的主要原因，為進一步研究車體周圍流場的非定常流動以及路堤高度對列車周圍流場非定常流動的影響，對其周圍流場結(jié)構(gòu)進行分析。

針對瞬態(tài)流場，用等值面顯示漩渦的位置。定義為

式中：和是指速度梯度的對稱和反對稱，等值面圖取自=0.6 s時刻的流場，并由時均速度進行渲染。

從圖10可見，在強側(cè)風作用下，列車的背風側(cè)生成了許多尺度不同的渦。其中主要的渦有以下5個：1為頭車第一個轉(zhuǎn)向架部分產(chǎn)生的渦，這個渦的尺度僅次于2，并獨立與其他渦在背風側(cè)發(fā)展；2為氣流在車體背風側(cè)發(fā)生流動分離而產(chǎn)生的渦，這個渦尺度最大，影響范圍最廣；3為列車第1個風擋部位產(chǎn)生的渦，4為列車第2個風擋部位產(chǎn)生的渦，這2個渦的尺度相對都較小，最終與2融合在一起；5為氣流在尾車發(fā)生流動分離而生成的渦，尺度也較小，并最終與2，3和4融合在一起，并向下游發(fā)展，形成十分復雜的尾渦區(qū)。這些渦的生成、脫落、融合都具有很強的非定常性，這些非定常流場結(jié)構(gòu)是產(chǎn)生非定常氣動力的根本原因。為了進一步研究渦的生成和發(fā)展規(guī)律，以及路堤高度對流場結(jié)構(gòu)的影響，取不同工況下車身不同位置處橫截面的渦量圖如圖11所示。

(a) 頭車；(b) 中車；(c) 尾車

圖10 3 m路堤工況下列車Q等值面圖(Q=20 000)

圖9所示為不同路堤高度下車身不同位置處橫截面的渦量云圖，5個截面位置分別位于1，2，3，4和5這5個渦的產(chǎn)生位置處。從圖9可以看出，在不同路堤高度下車身不同位置處的流場具有相似的結(jié)構(gòu)：在1截面處，1開始生成，此時圖中僅有這一個渦存在；在2截面處，2開始生成，此時圖中有2個渦存在，1的影響范圍在擴大，但是渦量強度開始下降；在3截面處，3和3′開始生成，其中3'是列車第2、3個轉(zhuǎn)向架位置產(chǎn)生的渦，在等值面圖中由被2擋住，所以并沒有直觀地表現(xiàn)出來；在4截面處，4和4′開始生成，其中4′產(chǎn)生于列車第4、5個轉(zhuǎn)向架位置處，3由于與2融合所以并不明顯，3′進一步發(fā)展，尺度與2相當，1在此截面已經(jīng)不太明顯；在5截面處，由于前面的渦融合在一起，已經(jīng)不能明顯地區(qū)分每個渦的位置，僅能看出5的位置。而隨著路堤高度的增加，在超出路堤寬度的地方，列車背風側(cè)的流動不再受地面的限制，因此脫落渦得到了更充分的發(fā)展，渦強度進一步增強，導致列車所受氣動載荷的非定常性更加顯著。

結(jié)合圖9和圖10來看，在車輛的設(shè)計過程中如果將車輛表面設(shè)計得盡量光滑無突變結(jié)構(gòu)，可以減少風擋處分離渦的生成，提高車輛在強側(cè)風下的氣動特性。

為了分析不同工況下列車周圍的壓力分布，取不同工況下與圖11相同位置處車身橫截面壓力云圖與如圖12所示，由于5截面處已超出車身長度，該截面處各部分壓力分布趨于一致，因此未給出5截面處壓力云圖。由圖12可以看出，不同路堤高度上車身不同位置處壓力云圖具有相似的結(jié)構(gòu)，隨著路堤高度的增加，列車背風側(cè)負壓區(qū)的影響范圍逐漸增大，這是造成列車所受側(cè)向力和傾覆力矩增大的主要原因。

(a) 平地；(b) 3 m；(c) 6 m；(d) 9 m

圖12 不同工況下車身不同位置處橫截面壓力云圖

4 結(jié)論

1) 在強側(cè)風的作用下，作用在該型城際動車組上的氣動載荷具有非定常性，且隨著路堤高度的增大，各項氣動載荷系數(shù)迅速增大，波動也顯著增大，非定常性更加明顯，從平地到9 m路堤，頭車的側(cè)向力增大了64.5%，升力增大了108.1%，傾覆力矩的絕對值增大了57.1%。在設(shè)計線路時應(yīng)考慮側(cè)向力、升力及傾覆力矩急劇增大所帶來的后果。

2) 氣動載荷的峰值結(jié)果遠大于其時均化的結(jié)果，因此在計算強側(cè)風下城際動車組運行安全性分析時，必須考慮氣動載荷的非定常效應(yīng)。

3) 頻譜分析表明，非定常氣動載荷的頻率集中于0~100 Hz，氣動載荷峰值大致集中于0~8 Hz，隨路堤高度的增大，峰值出現(xiàn)的頻率范圍幾乎不變，但峰值的幅值有顯著的增加，應(yīng)注意到氣動載荷頻率與車身固有頻率接近所可能引起的共振問題。

4) 隨路堤高度的增加，列車轉(zhuǎn)向架和風擋處渦強度顯著增加，應(yīng)考慮轉(zhuǎn)向架區(qū)域氣流擾動可能帶來的行車安全性問題。

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Study on the unsteady aerodynamic characteristics of a intercity emu under strong crosswind

LI Yukun, ZHOU Dan

(Key Laboratory of Traffic Safety on Track, Ministry of Education, Central South University, Changsha 410075, China)

The detached-eddy simulation (DES) method is used to study the unsteady aerodynamic characteristics of a new type intercity EMU of different driving conditions, the time and frequency domain characteristics of the unsteady aerodynamic forces of the intercity EMU of different driving conditions are obtained ,what’s more, the structures of the flow field around the train are acquired. The results indicate that the aerodynamic forces of the train under strong crosswind have significant unsteady characteristics, with the increase of the embankment height, the unsteady characteristics become more significant; the main frequencies of the unsteady aerodynamic characteristics are between 0 and 50 Hz while the peak frequencies are between 0 and 8 Hz, thus the resonance problem may caused due to the similarity of the aerodynamic characteristics frequencies and the natural frequencies of the train; with the increase of the embankment height, the disturbance of the flow field around the bogie and the windshield is becoming more intense.

strong crosswind; inercity EMU; unsteady aerodynamic force; DES method

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2018.11.001

U270.1

A

1672 ? 7029(2018)11 ? 2721 ? 09

2017?10?11

國家科技支撐計劃資助項目(2015BAG12B01-24)

周丹(1980?)，女，湖北武漢人，副教授，從事列車空氣動力學研究；E?mail：zd_lzj@126.com

(編輯 蔣學東)