側(cè)風(fēng)下橋上高速列車的氣動力特性研究

王希理， 張明祿

(西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院， 四川成都 610031)

隨著列車運營速度的提高,強風(fēng)下高速列車的運行安全問題日益突出[1]。由于強風(fēng)導(dǎo)致的列車脫軌傾覆事件在世界各個國家中均有發(fā)生[2-3]。高速列車在大風(fēng)環(huán)境中運行時，列車運動引起的氣流和側(cè)風(fēng)共同在列車表面產(chǎn)生壓力差。當(dāng)壓力差過大時，將危及列車的行車安全性[4]。線路周圍地理形狀和建筑物能改變氣流的流動方向和流速大小[5-6]，列車在側(cè)風(fēng)中的行車安全性與線路周圍環(huán)境有重要聯(lián)系。本文采用分析側(cè)風(fēng)效應(yīng)常用的合成風(fēng)法進行數(shù)值模擬[7]，分析計算側(cè)風(fēng)條件下列車在橋上運動時列車周圍的流場結(jié)構(gòu)和氣動力分布情況。

1 數(shù)學(xué)模型

采用大渦模擬( LES) 的湍流模型[8-9]，大渦模擬就是建立一個數(shù)學(xué)濾波函數(shù)，將Navier-Stokes( N-S) 方程中尺度比濾波函數(shù)小的渦過濾掉，分離出大渦的運動方程，小渦對大渦的影響由亞格子應(yīng)力體現(xiàn)。對于瞬時變量U包含所有湍流尺度，但通過濾波函數(shù)后就可以將其分解為式(1)。

(1)

經(jīng)過濾波函數(shù)過濾非定常不可壓Navier-Stokes方程，得到大尺度脈動的控制方程為：

(2)

2 計算模型

2.1 計算工況

對于分析側(cè)風(fēng)下高速列車的外流場，本文采用目前國內(nèi)外通用的合成風(fēng)法。即列車靜止不動，將外界側(cè)風(fēng)風(fēng)速(Vw)和與列車運行速度大小相等方向相反的風(fēng)速(Vt)進行矢量合成組合風(fēng)速(Vr)，各分量之間的關(guān)系(圖1)。

圖1 風(fēng)向示意

2.2 計算模型

本文是以CRH2動車組為原型。完整的CRH2動車組列車由多節(jié)車廂共同組成，車身較長。如果對整列動車組進行流場和氣動力進行仿真計算，計算量會很大，這樣對計算機的要求較高，而比較難實現(xiàn)。由于動車組中間車廂橫截面相同，所以列車中部的流場結(jié)構(gòu)和氣動力的變化都趨于穩(wěn)定。因此，本文的計算模型采用3節(jié)車模型進行數(shù)值模擬。即頭車25.5 m、中間車25 m、尾車25.5 m，三節(jié)車廂組成長為76 m、寬為3.38 m、高為3.7 m的整車計算模型(圖2)。

圖2 計算模型示意

2.3 計算區(qū)域和計算網(wǎng)格

計算區(qū)域見圖3。其中橋面上方流場高50 m，橋面下方流場高10 m。

圖3 計算區(qū)域俯視(單位：m)

在劃分計算區(qū)域網(wǎng)格時由于列車頭部和尾部曲面比較復(fù)雜，所以列車周圍內(nèi)部區(qū)域用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分(圖4)，外部區(qū)域用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)約為986×104個，內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域通過Interface面插值傳遞數(shù)據(jù)；這樣既能控制網(wǎng)格數(shù)量又能一定程度上保證計算速度和計算結(jié)果的準確性。

圖4 列車周圍內(nèi)部區(qū)域網(wǎng)格

3 計算結(jié)果分析

3.1 側(cè)風(fēng)下在橋上運行的高速列車流場結(jié)構(gòu)

采用合成風(fēng)的方法對高速列車的外流場和氣動力進行了仿真計算。計算了側(cè)風(fēng)為30 m/s，時速為250 km/h的高速列車在在橋上的運行狀態(tài)。圖5是列車在橋上運行時流場的總壓等值面顯示的旋渦位置和形態(tài)。從圖5中可以看到列車在橋上側(cè)風(fēng)條件下運行時，也會在列車背風(fēng)側(cè)產(chǎn)生4個渦(1渦、2渦、3渦、4渦)，在車身背風(fēng)側(cè)的橋面下也會由于橋梁結(jié)構(gòu)的影響，從前往后產(chǎn)生個多個旋渦。

圖5 橋上列車總壓等值面旋渦示意

從圖5中可以看見側(cè)風(fēng)條件下列車在橋面運行時，橋面結(jié)構(gòu)引起多個旋渦，列車背風(fēng)側(cè)會產(chǎn)生4個旋渦和尾部2個尾渦。

從圖6中可以發(fā)現(xiàn)列車背風(fēng)側(cè)的1渦產(chǎn)生在列車的頂部，橋面結(jié)構(gòu)下沿背風(fēng)側(cè)的2個渦向右上方偏移。

圖6 橋上距車頭10 m處截面總壓

從圖7中可以發(fā)現(xiàn)在距車頭64 m處，橋面列車的3渦在列車的頂部形成并開始脫離列車表面，1渦、2渦脫離列車表面向右偏移，尾車背風(fēng)側(cè)由橋面結(jié)構(gòu)引起的渦在1渦作用下開始向橋面移動。

圖7 橋上距車頭64 m處截面總壓

從圖8可以發(fā)現(xiàn)在距車頭73 m處，橋面列車的3渦脫離列車的頂部，在列車尾部上沿開始產(chǎn)生4渦，尾車背風(fēng)側(cè)由橋面結(jié)構(gòu)引起的渦上移到橋面上與1渦開始相互作用。

圖8 橋上距車頭73 m處截面總壓

對整體流場結(jié)構(gòu)進行分析，發(fā)現(xiàn)側(cè)風(fēng)條件下，橋面運行列車背風(fēng)側(cè)有橋面結(jié)構(gòu)引起的旋渦與列車引起的旋渦之間的相互作用(1渦與橋面結(jié)構(gòu)引起的卷上橋面的渦的相互作用)，也有列車引起的3渦與4渦之間的相互作用。

此外還計算了列車時速250 km/h，側(cè)風(fēng)速度為28 m/s和25 m/s時列車在橋上的運行狀態(tài)，也可得到相同流場結(jié)構(gòu)，在列車背風(fēng)側(cè)也會產(chǎn)生4個旋渦，只是由于側(cè)風(fēng)速度不一樣，列車背風(fēng)側(cè)渦脫的位置有所差別。

3.2 側(cè)風(fēng)下高速列車在橋上運行的氣動力特

圖9顯示的是側(cè)風(fēng)速度為30 m/s，列車以250 km/h的時速在橋上運行時整車所受側(cè)力隨時間的變化；從圖9中可以看出側(cè)風(fēng)條件下列車在橋上運行時列車的側(cè)力是波動的；側(cè)風(fēng)下列車在橋上運行的側(cè)力平均值為191 990.15 N，最大波動幅值為214 39.32 N。分別分析各節(jié)車廂的側(cè)力，發(fā)現(xiàn)列車頭車和中間車側(cè)力波動較小，尾車側(cè)力波動最大。

圖9 整車側(cè)力隨時間變化

圖10顯示的是側(cè)風(fēng)速度為30 m/s，列車以250 km/h的時速在橋上運行時尾車所受側(cè)力隨時間的變化；從圖10中可以看出側(cè)風(fēng)條件下列車在橋上運行時的尾車側(cè)力波動很大；側(cè)風(fēng)下列車在橋上運行的尾車側(cè)力平均值為40 134.26 N,最大波動幅值為14 216.54 N。

圖10 尾車側(cè)力隨時間變化

從圖5中整體來看側(cè)風(fēng)條件下列車在橋上運行時，列車背風(fēng)側(cè)的旋渦渦系非常復(fù)雜，列車在橋面運行時頭車和中間車背風(fēng)側(cè)產(chǎn)生的兩個渦比較穩(wěn)定，所以頭車和中間車側(cè)力波動較小。尾車背風(fēng)側(cè)由橋面結(jié)構(gòu)引起的一個渦會在1渦的作用下卷上橋面，圖5和圖8中也可看出1渦和尾車背風(fēng)側(cè)由橋面結(jié)構(gòu)引起的卷上橋面的渦也發(fā)生交叉融合；從圖5中可以看到2渦脫離列車后會向下偏移至橋面邊緣發(fā)生衰減破裂；且在橋上運行時3渦和4渦會相互交叉最后合成一個渦，進而還會與一個尾渦相互作用。以上三種情況就引起了側(cè)風(fēng)下橋上運行列車尾車背風(fēng)面壓力的振蕩，從而使得列車尾車側(cè)力劇烈振蕩，進而引起整車側(cè)力的大幅振蕩。側(cè)風(fēng)速度為28 m/s和25 m/s時均能得到相同結(jié)論。

4 結(jié)論

研究的3車模型來說，側(cè)風(fēng)條件下列車在橋上運行時，列車背風(fēng)側(cè)的流場有列車頂部和底部卷起形成的4個旋渦渦系；橋梁結(jié)構(gòu)會前后依次引起有多個旋渦渦系。旋渦的破裂和旋渦之間的相互交叉融合造成了列車側(cè)力的大幅振蕩。