側(cè)風(fēng)作用下?lián)躏L(fēng)墻-列車系統(tǒng)的數(shù)值模擬

沙海慶, 高 慰, 張澤田

(西南交通大學(xué)，四川成都 610036)

隨著時(shí)代的發(fā)展，高速列車趨于輕質(zhì)化和高速化，這種特點(diǎn)使得列車在側(cè)風(fēng)環(huán)境下的安全性與舒適性降低，列車傾覆事故也時(shí)有發(fā)生。為了在不限制車速的前提條件下保證列車的安全性與舒適性，高鐵線路中的大風(fēng)區(qū)段往往設(shè)置擋風(fēng)墻來降低列車表面的氣動(dòng)力。因此，側(cè)風(fēng)作用下?lián)躏L(fēng)墻-列車系統(tǒng)氣動(dòng)特性方面的研究日益得到研究者們的重視。

風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)值模擬以及實(shí)車試驗(yàn)是研究列車氣動(dòng)特性的主要方式。相比于數(shù)值模擬，風(fēng)洞試驗(yàn)和實(shí)車試驗(yàn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力并且難以進(jìn)行機(jī)理分析，研究者在針對復(fù)雜系統(tǒng)的氣動(dòng)特性研究時(shí)更加傾向于通過數(shù)值模擬的方法。到目前為止，列車氣動(dòng)特性的數(shù)值模擬研究較多，列舉如下：張敏[1]等通過數(shù)值仿真得到列車車在明線交會(huì)、隧道交會(huì)和單車通過隧道時(shí)的氣動(dòng)特性，進(jìn)而計(jì)算了列車的動(dòng)力響應(yīng);孟東曉[2]等通過CFD數(shù)值模擬對不同車頭形狀列車的氣動(dòng)特性進(jìn)行了比較，并且計(jì)算了列車受電弓側(cè)擋板對列車的影響；霍卿[3]等模擬計(jì)算了軌道對列車氣動(dòng)特性的影響，得出軌道對列車的氣動(dòng)阻力影響非常明顯。同樣，研究者擋風(fēng)墻也進(jìn)行了一系列的研究。李鯤等[4]通過風(fēng)洞試驗(yàn)分析了大風(fēng)環(huán)境下不同擋風(fēng)墻的擋風(fēng)效果，進(jìn)而選取擋風(fēng)墻的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)；周志鵬等[5]利用CFD數(shù)值模擬對不同高度的擋風(fēng)墻進(jìn)行計(jì)算，研究了擋風(fēng)墻高度對交會(huì)列車的影響。

本文利用CFD模擬平臺建立了二維擋風(fēng)墻-平地列車系統(tǒng)網(wǎng)格模型，在不同風(fēng)速下對系統(tǒng)的氣動(dòng)特性進(jìn)行了模擬，同時(shí)分析了擋風(fēng)墻和平地列車相互之間的影響。

1 數(shù)值模型及參數(shù)定義

1.1 模型尺寸及邊界條件

本文采用二維網(wǎng)格模型進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算域以及列車、擋風(fēng)墻的尺寸和網(wǎng)格劃分如圖1所示。計(jì)算域整體為矩形，左邊為入口(Inlet)，右邊為出口(Outlet)，上下邊以及列車表面、擋風(fēng)墻表面為墻(Wall)。擋風(fēng)墻的高度設(shè)置為3 m，厚度設(shè)置為0.5 m，擋風(fēng)墻中心距列車中心4.25 m。列車的外形采用CRH3型列車的橫截面，截面高度為3.5 m，寬度為3.2 m，底部距離地面0.2 m。為了減小單元數(shù)量并且提高計(jì)算效率，模型未考慮列車的輪對以及地面上的軌道。列車表面最小邊界層厚度為0.005 m，擋風(fēng)墻表面最小邊界層厚度為0.01 m。網(wǎng)格整體質(zhì)量較好，最差網(wǎng)格質(zhì)量系數(shù)達(dá)到0.6(系數(shù)取0～1之間，系數(shù)越大表示質(zhì)量越好)。

1.2 參數(shù)定義

氣動(dòng)力系數(shù)是氣動(dòng)特性中一個(gè)非常重要的參數(shù)，其包含了側(cè)力系數(shù)、升力系數(shù)與力矩系數(shù)，系數(shù)的定義如下所示：

其中：CH表示側(cè)力系數(shù)，CV表示升力系數(shù)，CM表示力矩系數(shù)；FH、FV與MT分別表示物體受到的側(cè)向力、升力與力矩，具體方向如圖1所示，列車的力矩中心為列車橫截面形心，擋風(fēng)墻的力矩中心為擋風(fēng)墻橫截面的右下角部位；ρ表示空氣密度，這里取1.225 kg/m3；V表示來流風(fēng)速，B表示物體寬度，H表示物體高度。

1.3 工況布置

根據(jù)本文的研究目的，工況布置如表1所示，其中單一列車模型與單一擋風(fēng)墻模型的網(wǎng)格分布與擋風(fēng)墻-列車系統(tǒng)的網(wǎng)格分布相同，在此不詳細(xì)闡述。

表1 工況分布

2 側(cè)風(fēng)對擋風(fēng)墻-列車系統(tǒng)氣動(dòng)特性的影響

列車及擋風(fēng)墻的氣動(dòng)力系數(shù)隨風(fēng)速的變化情況如圖2所示?？梢钥闯觯?dāng)有擋風(fēng)墻存在時(shí)，列車的側(cè)力系數(shù)、升力系數(shù)與力矩系數(shù)為負(fù)數(shù)，即列車所受側(cè)力方向與來流風(fēng)的方向相反，升力方向向下，力矩方向?yàn)轫槙r(shí)針。而擋風(fēng)墻的側(cè)力系數(shù)、升力系數(shù)為正，力矩系數(shù)為負(fù)，即擋風(fēng)墻所受側(cè)力方向與來流風(fēng)的方向相同，升力方向向上，力矩方向?yàn)轫槙r(shí)針。值得注意的是，當(dāng)風(fēng)速增大時(shí)，列車與擋風(fēng)墻的側(cè)力系數(shù)、升力系數(shù)與力矩系數(shù)絕對值都有減小的趨勢，并且升力系數(shù)的數(shù)值都下降的非常明顯。

(a)列車的側(cè)力與風(fēng)速關(guān)系

(b)列車的升力與風(fēng)速關(guān)系

(c)列車的力矩系數(shù)與風(fēng)速關(guān)系

(d)擋風(fēng)墻的側(cè)力與風(fēng)速關(guān)系

(e)擋風(fēng)墻的升力與風(fēng)速關(guān)系

(f)擋風(fēng)墻的力矩系數(shù)與風(fēng)速關(guān)系

圖3為列車在不同風(fēng)速側(cè)風(fēng)作用下的流線圖。從圖中可以看出，風(fēng)速的變化對系統(tǒng)的整個(gè)流場結(jié)構(gòu)影響較小。當(dāng)側(cè)風(fēng)遇到擋風(fēng)墻阻擋時(shí)，擋風(fēng)墻的迎風(fēng)側(cè)壓力變大，同時(shí)背風(fēng)側(cè)壓力減小，而氣流從擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)(即列車迎風(fēng)側(cè))流到列車背風(fēng)側(cè)時(shí)，氣流的壓力有小幅度的提升，這也解釋了為什么擋風(fēng)墻-列車系統(tǒng)中列車的側(cè)力方向與來流風(fēng)方向相反。

3 列車與擋風(fēng)墻的相互影響

將單獨(dú)列車(無擋風(fēng)墻)、單獨(dú)擋風(fēng)墻(無列車)、擋風(fēng)墻-列車系統(tǒng)三個(gè)模型的氣動(dòng)特性進(jìn)行比較，進(jìn)而研究列車與擋風(fēng)墻之間的相互作用。

(a)風(fēng)速10 m/s

(b)風(fēng)速30 m/s圖3 不同風(fēng)速下?lián)躏L(fēng)墻-列車系統(tǒng)的流場圖比較

3.1 擋風(fēng)墻對列車的影響

表2為有無擋風(fēng)墻時(shí)列車的氣動(dòng)力系數(shù)對比。可以看出，在無擋風(fēng)墻時(shí)，列車的側(cè)力系數(shù)隨風(fēng)速的增大而減小，而升力系數(shù)與力矩系數(shù)隨風(fēng)速的增大而增大。當(dāng)有擋風(fēng)墻時(shí)，列車的氣動(dòng)力系數(shù)隨風(fēng)速的增大而減小。無擋風(fēng)墻和有擋風(fēng)墻這兩個(gè)工況的氣動(dòng)力系數(shù)正負(fù)值不同，即這兩個(gè)工況下列車所受的氣動(dòng)力方向是相反的。同時(shí)從兩個(gè)工況下氣動(dòng)力系數(shù)的大小比較中可以看出，擋風(fēng)墻可以非常有效地減小列車的氣動(dòng)力系數(shù)。

表2 有無擋風(fēng)墻工況下列車的氣動(dòng)力系數(shù)比較

圖4為有無擋風(fēng)墻工況的流場圖對比，從中可以得知列車在有無擋風(fēng)墻工況下的流場結(jié)構(gòu)差異非常明顯。在有擋風(fēng)墻阻擋側(cè)風(fēng)時(shí)，列車迎風(fēng)側(cè)的氣壓較小，并且還存在較多旋渦，而側(cè)風(fēng)在沒有受擋風(fēng)墻阻擋并且直接作用在列車車身上時(shí)，列車迎風(fēng)側(cè)的氣壓較大，這使得列車存在傾覆的隱患。

(a)有擋風(fēng)墻

(b)無擋風(fēng)墻圖4 有無擋風(fēng)墻工況的流場圖比較

3.2 列車對擋風(fēng)墻的影響

表3為有無列車時(shí)擋風(fēng)墻的氣動(dòng)力系數(shù)對比，其中的μ表示兩個(gè)工況氣動(dòng)力系數(shù)的差距，用公式表示為：

其中：CT與CW分別為有車工況和無車工況下?lián)躏L(fēng)墻的氣動(dòng)力系數(shù)。

可以看出，列車的存在使得擋風(fēng)墻的側(cè)力系數(shù)與力矩系數(shù)減小，升力系數(shù)增大。同時(shí)從μ的變化中也可以得出結(jié)論，隨著風(fēng)速的增大，兩種工況的氣動(dòng)力系數(shù)差異也越來越大。為了能夠研究其變化機(jī)理，有車與無車兩種工況的流線圖繪制如圖5所示，通過流場圖可以得知，有車與無車工況下流場差異很大，尤其是擋風(fēng)墻的背風(fēng)側(cè)區(qū)域?？梢钥闯觯熊嚨拇嬖谑沟脷饬鳒粼趽躏L(fēng)墻背風(fēng)側(cè)并且形成旋渦，而無車工況下氣流在通過擋風(fēng)墻后并未受到其他物體的滯留，這直接導(dǎo)致了無車工況下?lián)躏L(fēng)墻背風(fēng)側(cè)的氣壓比有車工況要小。這種現(xiàn)象也解釋了無車工況下?lián)躏L(fēng)墻的側(cè)力系數(shù)要比有車工況大。

(a)有列車工況

(b)無列車工況圖5 有無列車工況的流場圖比較

表3 有無列車工況下?lián)躏L(fēng)墻的氣動(dòng)力系數(shù)比較

4 結(jié)論

本文通過CFD數(shù)值模擬平臺對擋風(fēng)墻-列車系統(tǒng)的氣動(dòng)特性進(jìn)行了初步計(jì)算。通過改變風(fēng)速研究其對擋風(fēng)墻以及列車氣動(dòng)力系數(shù)的影響，并且通過對比單一列車模型、單一擋風(fēng)墻模型和擋風(fēng)墻-列車系統(tǒng)模型，研究了列車和擋風(fēng)墻之間的相互作用。具體結(jié)論如下：

(1)當(dāng)擋風(fēng)墻-列車系統(tǒng)受側(cè)風(fēng)作用時(shí)，列車所受側(cè)力方向與來流風(fēng)的方向相反，升力方向向下，力矩方向?yàn)轫槙r(shí)針。擋風(fēng)墻所受側(cè)力方向與來流風(fēng)的方向相同，升力方向向上，力矩方向?yàn)轫槙r(shí)針，當(dāng)風(fēng)速增大時(shí)，列車與擋風(fēng)墻的側(cè)力系數(shù)、升力系數(shù)與力矩系數(shù)絕對值都有減小的趨勢。

(2)在研究擋風(fēng)墻對列車的影響中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)沒有擋風(fēng)墻時(shí)，列車的側(cè)力系數(shù)隨風(fēng)速的增大而減小，而升力系數(shù)與力矩系數(shù)隨風(fēng)速的增大而增大。當(dāng)有擋風(fēng)墻時(shí)，列車的氣動(dòng)力系數(shù)隨風(fēng)速的增大而減小，并且這兩個(gè)工況下列車所受的氣動(dòng)力方向相反，同時(shí)從兩個(gè)工況下氣動(dòng)力系數(shù)的大小比 較中可以看出，擋風(fēng)墻可以非常有效地減小列車的氣動(dòng)力系數(shù)。

(3)在研究列車對擋風(fēng)墻的影響中可以發(fā)現(xiàn)，列車的存在使得擋風(fēng)墻的側(cè)力系數(shù)與力矩系數(shù)減小，升力系數(shù)增大，并且隨著風(fēng)速的增大，兩種工況的氣動(dòng)力系數(shù)差異也越來越大。