橫風(fēng)下高速列車駛?cè)胨淼罆r(shí)瞬態(tài)氣動(dòng)性能研究

鄧鍔 楊偉超 尹榮申 張平平

摘? ?要：針對(duì)列車高速駛?cè)胨淼罆r(shí)流場(chǎng)的三維、非定常及可壓縮湍流等特性，建立了精細(xì)化的隧道-列車-空氣三維CFD數(shù)值模型，對(duì)比分析洞口有無(wú)橫風(fēng)條件下列車駛?cè)胨淼肋^(guò)程中車體周邊的瞬態(tài)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、壓力分布，并研究橫風(fēng)條件下車體的5項(xiàng)氣動(dòng)荷載（氣動(dòng)橫向力、氣動(dòng)升力、傾覆力矩、偏航力矩和點(diǎn)頭力矩）指標(biāo)的瞬變特性以及風(fēng)速和車速變化對(duì)其最大瞬變幅值的影響情況.研究結(jié)果表明：當(dāng)列車在橫風(fēng)環(huán)境下駛?cè)胨淼溃赐獠糠周圀w兩側(cè)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和壓力分布差異顯著，而洞內(nèi)部分差異較小，從而引發(fā)列車進(jìn)洞前后車體壓差突變;列車在進(jìn)洞過(guò)程中，車體的各項(xiàng)氣動(dòng)荷載均存在瞬變效應(yīng)，且尾車同時(shí)呈現(xiàn)出傾覆、“上跳”、“蛇形”擺動(dòng)以及“點(diǎn)頭”等行為;風(fēng)速變化對(duì)尾車偏航力矩變化幅值影響較顯著，而車速變化對(duì)頭車偏航力矩變化幅值影響較顯著.

關(guān)鍵詞：隧道;橫風(fēng);高速列車;氣動(dòng)荷載;瞬變效應(yīng)

中圖分類號(hào)：U25? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674—2974（2019）09—0069—10

Abstract： Considering the three dimensional unsteady compressible turbulent characteristics of the flow field when a high-speed train （HST） enters the tunnel， a refined 3D CFD numerical model of tunnel-train-air was built to analyze the transient flow field structure and pressure distribution in the process of HST entering into tunnel under the conditions of crosswind and without crosswind comparatively. The transient change characteristics of the five aerodynamic loads （i.e. aerodynamic side force， lift force， rolling moment， yawing moment and nodding moment） of the train body under crosswind and the influence of wind and vehicle speeds on its maximum variation amplitudes were studied. The main results can be summarized as follow： When a HST enters into tunnel under crosswind environment， flow field structure and pressure distribution on both sides of the train body outside the tunnel have an obvious dissimilarity， and it's smaller inside the tunnel， which causes the sudden change of the train body pressure difference before and after the HST entering the tunnel. In the process of HST entering the tunnel， there are transient change effects in various aerodynamic loads of the train body， and the tail carriage presents capsizing，“jumping”，“snake-like” swing and “nodding” behavior at the same time. The change of the wind speed has a significant effect on the variation amplitude of the tail carriage yawing moment， while the change of the train speed has a significant effect on the variation amplitude of the head carriage yawing moment.

Key words： tunnel;crosswind;high-speed train （HST）;aerodynamic load;transient change effect

橫風(fēng)是影響高速列車運(yùn)行安全的重要因素，由強(qiáng)橫風(fēng)誘發(fā)的列車失穩(wěn)甚至傾覆等事故在世界各國(guó)均時(shí)有發(fā)生[1-2]. 近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者以車體的氣動(dòng)荷載為指標(biāo)，分別研究了橫風(fēng)條件下，高速列車在平地[3]、路堤[4-5]、橋梁[6-7]以及擋風(fēng)墻[8]等不同基礎(chǔ)設(shè)施上運(yùn)行時(shí)的氣動(dòng)特性. 結(jié)果表明，橫風(fēng)作用下，不同基礎(chǔ)設(shè)施型式對(duì)應(yīng)不同的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和車體氣動(dòng)荷載特性[4]. 當(dāng)列車由一種設(shè)施環(huán)境高速駛?cè)肓硗庖环N設(shè)施環(huán)境時(shí)，車體周邊的流場(chǎng)和氣動(dòng)荷載勢(shì)必將發(fā)生突變，而這往往是導(dǎo)致列車發(fā)生安全事故的重要原因.

相對(duì)于擋風(fēng)墻、路堤和橋梁等結(jié)構(gòu)，隧道屬于封閉結(jié)構(gòu)，當(dāng)列車由明線橫風(fēng)環(huán)境下的平坦地面高速駛?cè)胨淼罆r(shí)，車體氣動(dòng)荷載的變化將更為劇烈，而這又是我國(guó)大風(fēng)地區(qū)列車運(yùn)行常遇的情形. 迄今為止，針對(duì)此類問(wèn)題，國(guó)內(nèi)僅有晉永榮[9]和苗秀娟等[10]學(xué)者對(duì)強(qiáng)橫風(fēng)環(huán)境下高速列車駛出隧道時(shí)的氣動(dòng)性能進(jìn)行了研究，而對(duì)于強(qiáng)橫風(fēng)下列車高速駛?cè)胨淼罆r(shí)車體的氣動(dòng)荷載瞬變特性研究鮮有報(bào)道.

為此，本文針對(duì)高速列車駛?cè)胨淼肋^(guò)程中流場(chǎng)的三維、非定常及可壓縮湍流等特性，擬采用ANSYS ICEM CFD軟件建立隧道-列車-空氣三維數(shù)值模型，然后導(dǎo)入ANSYS FLUENT進(jìn)行計(jì)算求解，分析了洞口橫風(fēng)條件下列車高速駛?cè)胨淼肋^(guò)程中車體周邊流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和壓力的變化特性，以揭示列車在進(jìn)洞過(guò)程中車體的氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩等參數(shù)的瞬變特性及相應(yīng)的氣動(dòng)力學(xué)行為，并研究了風(fēng)速和車速變化對(duì)氣動(dòng)荷載變化幅值的影響規(guī)律，以期為后續(xù)列車運(yùn)行的舒適性和安全性評(píng)估提供參考.

1? ?數(shù)值模型

1.1? ?控制方程

針對(duì)本文所研究的工況特點(diǎn)，可知：1）列車高速突入隧道的過(guò)程中車體的位置時(shí)刻變化，屬于瞬態(tài)問(wèn)題;2）馬赫數(shù)（Ma）約等于0.3，可將氣體視為可壓縮流;3）列車周圍流場(chǎng)雷諾數(shù)大于106，處于湍流狀態(tài)。根據(jù)文獻(xiàn)[11]的論述，本文采用RNG k - ε兩方程湍流模型來(lái)模擬列車周邊流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)演化過(guò)程。其控制方程包括連續(xù)方程、動(dòng)量守恒方程（即Navier-Stokes方程）以及能量守恒方程，分別表示為：

1.2? ?模型概況

以我國(guó)高速鐵路常用的CRH3型列車為研究對(duì)象，建立3節(jié)編組的簡(jiǎn)化模型，長(zhǎng)約76 m，如圖1所示，車體表面設(shè)為無(wú)滑移壁面（Wall）邊界條件。計(jì)算模型整體布置如圖2所示（縮尺比例為1 ∶ 1），當(dāng)列車處于初始位置時(shí)，車頭鼻尖距隧道洞口90 m;隧道兩端外部大氣場(chǎng)屬于半無(wú)限空間，采用半柱體模擬，柱體直徑約380 m，長(zhǎng)250 m，入口端環(huán)境橫風(fēng)垂直于列車運(yùn)行方向均勻分布（βw = 90°）。大氣場(chǎng)的外邊界設(shè)為壓力遠(yuǎn)場(chǎng)邊界條件（Pressure-far-field），風(fēng)速Vw和風(fēng)向角βw則通過(guò)給定Pressure-far-field邊界中Z和X方向的馬赫數(shù)Ma來(lái)確定。中間為隧道段，隧道長(zhǎng)400 m，隧道橫斷面按照我國(guó)高鐵適用于時(shí)速300～350 km單洞雙線的標(biāo)準(zhǔn)斷面設(shè)置，凈空面積為100 m2。地面以及隧道壁面均設(shè)置為粗糙度0.5的固定壁面邊界條件（Wall）.

計(jì)算區(qū)域均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，結(jié)合滑移網(wǎng)格法（SMM）和動(dòng)網(wǎng)格法（DMM）[12]，將整個(gè)計(jì)算區(qū)域分為靜止網(wǎng)格區(qū)域和動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域兩部分（如圖3（a））。其中，靜止區(qū)域保持靜止;動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域包含列車及附近的空氣，其橫截面尺寸如圖3（b）所示，運(yùn)用鋪層法實(shí)現(xiàn)列車與隧道間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域前后端邊界始終保持靜止?fàn)顟B(tài)。在計(jì)算過(guò)程中，區(qū)域最后端緊鄰邊界處的網(wǎng)格層被拉伸，當(dāng)大于設(shè)定的尺寸時(shí)，自動(dòng)分裂為兩層;而區(qū)域最前端緊鄰邊界處的網(wǎng)格層被壓縮，當(dāng)小于設(shè)定的尺寸時(shí)，自動(dòng)與其緊鄰的網(wǎng)格層合并。列車表面網(wǎng)格及動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)部的流體網(wǎng)格類型均設(shè)置為Rigid，即這兩部分網(wǎng)格單元整體向前移動(dòng)，不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)格重建及尺寸變化。兩個(gè)區(qū)域的流場(chǎng)信息通過(guò)Interface交換。由于本文主要關(guān)心列車周圍流場(chǎng)情況，為準(zhǔn)確模擬車身周圍渦流的形成、脫落以及附面層效應(yīng)，將緊貼車體表面的第1層網(wǎng)格厚度h0設(shè)為0.01 m，并按比率1.1擴(kuò)展至第8層，相應(yīng)的y+值處于50～180的范圍內(nèi)，第8層之后繼續(xù)以較大比率擴(kuò)展.列車運(yùn)行方向的網(wǎng)格尺寸范圍為0.01～0.5 m，車身的網(wǎng)格尺寸約為0.4 m，模型總網(wǎng)格單元數(shù)約550萬(wàn)，如圖3（c）所示.

1.3? ?可靠性驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文數(shù)值計(jì)算方法的可靠性，首先依據(jù)文獻(xiàn)[13]的實(shí)車試驗(yàn)場(chǎng)景，另建立8節(jié)編組（長(zhǎng)201.4 m）的列車模型和1 005 m的隧道模型（隧道入口端大氣場(chǎng)長(zhǎng)度取350 m，列車初始位置及隧道斷面仍與圖2保持一致），提取隧道內(nèi)某2個(gè)典型測(cè)點(diǎn)壓力的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[13]中相應(yīng)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.其中，數(shù)值模型中的測(cè)點(diǎn)位置、隧道長(zhǎng)度、隧道斷面型式以及列車長(zhǎng)度均與實(shí)車試驗(yàn)環(huán)境基本保持一致，洞口無(wú)橫風(fēng)作用.

如圖4所示，t = 0 s，列車車頭鼻尖剛好抵達(dá)隧道口;t = 14.5 s，列車剛好完全駛離隧道. 其中，測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2分別距隧道入口140 m和200 m，距軌面高度均為1.5 m;列車運(yùn)行速度為300 km/h.

分析圖4中測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2的數(shù)據(jù)可知，實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的波動(dòng)規(guī)律以及峰值大小基本吻合.測(cè)點(diǎn)壓力受列車沖擊波、入口壓縮波、入口膨脹波以及它們的反射波的交替作用而發(fā)生相應(yīng)的變化，即壓縮波引起測(cè)點(diǎn)壓力上升，膨脹波引起測(cè)點(diǎn)壓力下降.對(duì)于測(cè)點(diǎn)1，數(shù)值計(jì)算的測(cè)點(diǎn)壓力最大正峰值為1.26 kPa，相應(yīng)的實(shí)測(cè)值為1.38 kPa，二者相差9%;數(shù)值計(jì)算的測(cè)點(diǎn)壓力最小負(fù)峰值為-1.42 kPa，相應(yīng)的實(shí)測(cè)值為-1.25 kPa，二者相差12%.對(duì)于測(cè)點(diǎn)2，數(shù)值計(jì)算結(jié)果的最大正峰值為1.26 kPa，相應(yīng)的實(shí)測(cè)值為1.45 kPa，二者相差13%;數(shù)值計(jì)算結(jié)果的最小負(fù)峰值為-1.39 kPa，相應(yīng)的實(shí)測(cè)值為-1.35 kPa，二者相差3%.

此外，為進(jìn)一步驗(yàn)證側(cè)風(fēng)條件下本文數(shù)值模型的可靠性，將Schober等[14]采用ICE3型1 ∶ 15縮尺模型（見(jiàn)圖5）進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)所得的尾車氣動(dòng)橫向力和偏航力矩?cái)?shù)據(jù)與本文相應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比（CRH3型列車與德國(guó)的ICE3型列車外型基本一致）.為確保二者流場(chǎng)雷諾數(shù)一致，對(duì)本文數(shù)值模型另作如下處理：將數(shù)值模型縮尺比例同樣設(shè)置為1 ∶ 15;列車運(yùn)行速度Vt和風(fēng)速Va分別設(shè)定為0 km/h和78 m/s;模型側(cè)面積A和特征高度h分別為10 m2和3 m;最后改變?chǔ)拢?jì)算不同β（10°、 15°、20°、30°、 45° 和 60°）條件下尾車（對(duì)于靜態(tài)列車模型，尾車的研究效果與頭車一致）的氣動(dòng)橫向力系數(shù)Cz和偏航力矩系數(shù)Cmy，如圖6所示.

由圖6進(jìn)一步分析可知：整體上，本文數(shù)值計(jì)算結(jié)果與Schober的試驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)基本一致，即當(dāng)風(fēng)向角β在0°～60°范圍內(nèi)遞增時(shí)，二者尾車氣動(dòng)荷載也基本隨之增大.盡管數(shù)值計(jì)算結(jié)果中個(gè)別數(shù)據(jù)與Schober的試驗(yàn)結(jié)果相差較大. 如當(dāng)β = 10°時(shí)，數(shù)值計(jì)算結(jié)果Cmy比相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果大41%.究其原因，可能是由于列車數(shù)值模型中忽略了轉(zhuǎn)向架等細(xì)部構(gòu)造，導(dǎo)致其底面積和側(cè)面積增大. 然而，其余的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，相差保持在10%左右.

綜上所述，無(wú)論隧道洞口是否有側(cè)風(fēng)作用，本文所建的數(shù)值模型及其計(jì)算結(jié)果均是可靠的.

2? ?氣動(dòng)荷載計(jì)算

高速列車在運(yùn)行過(guò)程中，描述單節(jié)車廂氣動(dòng)荷載指標(biāo)主要有氣動(dòng)阻力Fx、橫向力Fz、氣動(dòng)升力Fy、傾覆力矩Mx、偏航力矩My和點(diǎn)頭力矩Mz . 由于氣動(dòng)阻力Fx主要引起列車運(yùn)行能耗升高，對(duì)行車安全性影響較小，故本文只針對(duì)其余5個(gè)指標(biāo)展開(kāi)研究.圖7給出了列車三節(jié)車廂的氣動(dòng)載荷加載點(diǎn)位置.

列車在運(yùn)行時(shí)，車體表面受到氣動(dòng)壓力和粘性力的共同作用[15]，但由于粘性力主要體現(xiàn)在對(duì)氣動(dòng)阻力的影響，對(duì)其余5個(gè)指標(biāo)影響較小，故在計(jì)算這5項(xiàng)氣動(dòng)載荷時(shí)，將每節(jié)車廂沿車長(zhǎng)方向劃分為若干段（其中曲線車頭車尾劃分稍密），提取各工況中每段的迎風(fēng)面、背風(fēng)面、頂面和底面平均靜壓（Facet Average Static Pressure）時(shí)程數(shù)據(jù)，具體計(jì)算公式如下[16]：

式中：Fz、Fy分別為單節(jié)車廂所受的氣動(dòng)橫向力和氣動(dòng)升力;Mx、My、Mz分別為單節(jié)車廂所受到的分別繞 x、y、z軸的氣動(dòng)力矩;P uwi? 、P dwi? 、P dsi? 、P usi? 分別為單節(jié)車廂第i段迎風(fēng)面、背風(fēng)面、頂面和底面的平均靜壓; Δxi為單節(jié)車廂第i段的縱向長(zhǎng)度;xi為單節(jié)車廂中第i段中心與該節(jié)車廂力矩中心在x方向上的距離（當(dāng)?shù)趇段中心位于該節(jié)車廂力矩中心的前方，xi取負(fù)值;反之，xi取正值）;Thi、Twi分別為單節(jié)車廂第i段對(duì)應(yīng)的車廂高度和寬度;H0為單節(jié)車廂力矩中心距車廂底面的距離，如圖7，本文取1.38 m;Gi為單節(jié)車廂中第i段所受的重力.

3? ?結(jié)果分析

3.1? ?流場(chǎng)結(jié)構(gòu)

當(dāng)列車由明線駛?cè)胨淼罆r(shí)，會(huì)形成2種主要的氣流，即：列車風(fēng)和列車進(jìn)入隧道時(shí)的噴射流.當(dāng)洞口存在橫風(fēng)時(shí)，橫風(fēng)將改變列車風(fēng)和噴射流的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步影響車體壓力及其氣動(dòng)力學(xué)行為[17].現(xiàn)以軌面上方1.5 m高度處的水平面為例，對(duì)比分析0 m/s和25 m/s橫風(fēng)條件下（βw = 90°），列車以250 km/h的速度駛?cè)胨淼肋^(guò)程中車體附近瞬態(tài)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)分布變化特性，如圖8所示，其中t表示列車運(yùn)行時(shí)刻（當(dāng)列車處于初始位置時(shí)，t = 0 s）.

由圖8分析可知：

1）在洞口無(wú)橫風(fēng)條件下，當(dāng)車頭即將進(jìn)洞時(shí)，車身兩側(cè)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)稱，主要表現(xiàn)為：氣流從車頭流向車尾形成以列車為中心的繞流，僅在車尾形成渦旋.隨著列車逐漸進(jìn)入隧道，由于列車對(duì)隧道內(nèi)空氣的排開(kāi)作用，在隧道入口形成與列車運(yùn)行方向相反的噴射流，考慮到雙線隧道中列車與隧道中心并不重合等因素，可認(rèn)為噴射流基本仍呈對(duì)稱結(jié)構(gòu).當(dāng)車尾抵達(dá)隧道入口時(shí)，車體繞流主要沿較寬一側(cè)噴出隧道口，而列車行駛一側(cè)相對(duì)狹窄，氣流相對(duì)較少，并對(duì)尾渦流的對(duì)稱性造成局部破壞. 整體上，無(wú)橫風(fēng)條件下，列車駛?cè)胨淼罆r(shí)車體左右兩側(cè)的氣流變化基本對(duì)稱.

2）在洞口有25 m/s的持續(xù)穩(wěn)定橫風(fēng)條件下，當(dāng)車頭即將進(jìn)洞時(shí)，由于列車風(fēng)和橫風(fēng)的聯(lián)合作用，在X方向自車頭至車尾附著一縱向渦流，在洞口也同時(shí)形成一個(gè)豎向的渦流，此渦流是列車進(jìn)洞形成的噴射流和橫風(fēng)共同作用的結(jié)果，可對(duì)車頭壓力造成一定的影響.隨著列車駛?cè)胨淼?，車頭前方的渦流消失，附著車體的渦流不再是從車頭開(kāi)始，而是自隧道入口處開(kāi)始，駛?cè)胨淼啦糠值能圀w附近無(wú)顯著渦流，且車尾后側(cè)渦流向背風(fēng)側(cè)偏轉(zhuǎn).當(dāng)車尾即將抵達(dá)洞口時(shí)，車尾渦流區(qū)朝背風(fēng)側(cè)方向偏轉(zhuǎn)更加顯著，并呈現(xiàn)扭轉(zhuǎn)趨勢(shì).

3.2? ?壓力分布

車體左右兩側(cè)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的不同必然會(huì)導(dǎo)致車體兩側(cè)附近氣壓的變化. 圖9給出了與圖8對(duì)應(yīng)的Y=1.5 m平面上不同典型時(shí)刻車體周邊瞬態(tài)壓力分布變化.

由圖9進(jìn)一步分析可知：

1）當(dāng)洞口無(wú)橫風(fēng)作用時(shí)，車體兩側(cè)壓力場(chǎng)分布整體對(duì)稱，且兩側(cè)壓力值變化始終保持同步，不存在顯著壓差.其中明線條件下中間段車身附近壓力基本穩(wěn)定在0 Pa附近;隧道內(nèi)條件下車體附近壓力分布主要由車體位置、隧道壁面的限制、隧道內(nèi)壓縮波和膨脹波等多種因素共同作用，具體表現(xiàn)為：車頭鼻尖處所受正壓較高，頭部近壁側(cè)壓力變化梯度較遠(yuǎn)壁側(cè)稍大，但兩側(cè)壓力分布仍基本對(duì)稱.

2）在洞口有25 m/s的持續(xù)穩(wěn)定橫風(fēng)作用下，當(dāng)車頭抵達(dá)隧道入口，在背風(fēng)側(cè)車體后約2/3范圍內(nèi)存在負(fù)壓區(qū)，此負(fù)壓區(qū)與流場(chǎng)渦流結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)（見(jiàn)圖8（b）和圖9（b）），負(fù)壓值最低達(dá)到了-3 000 Pa. 隨著列車?yán)^續(xù)駛?cè)胨淼?，進(jìn)入隧道部分車體兩側(cè)壓力趨于平衡;而明線條件下迎風(fēng)側(cè)仍為正壓，背風(fēng)側(cè)仍為負(fù)壓，且車體后方負(fù)壓區(qū)逐漸變短.可見(jiàn)，車體兩側(cè)壓差在沿列車運(yùn)行方向上極不均衡.

3.3? ?氣動(dòng)荷載

隧道內(nèi)外環(huán)境差異不僅引起車體迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)壓力分布的改變，對(duì)整個(gè)車體所受的壓力也將有重要的影響，進(jìn)而會(huì)影響作用于車體的氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩等氣動(dòng)荷載指標(biāo). 圖10給出了在洞口25 m/s的恒定橫風(fēng)條件下（βw = 90°），列車以250 km/h的速度駛?cè)胨淼肋^(guò)程中，三節(jié)車廂的氣動(dòng)橫向力、氣動(dòng)升力、傾覆力矩、偏航力矩和點(diǎn)頭力矩隨時(shí)間的變化過(guò)程，同時(shí)分別給出了對(duì)應(yīng)的氣動(dòng)荷載作用下頭車、中間車和尾車在進(jìn)洞時(shí)的運(yùn)行姿態(tài)變化過(guò)程（圖中t = 1.29 s時(shí)刻列車車頭鼻尖剛好抵達(dá)隧道口，t = 2.39 s時(shí)刻列車剛好完全駛?cè)胨淼溃?

從圖10中分析可知：

1）對(duì)于氣動(dòng)橫向力，列車進(jìn)洞前，頭車受到的橫向力最大，中間車次之，尾車最小;列車進(jìn)洞時(shí)，頭車和中間車的橫向力直接突降至0 kN，尾車則先迅速降至-15 kN，然后才恢復(fù)至零值附近，對(duì)應(yīng)的尾車將發(fā)生一次整體反向橫移的運(yùn)動(dòng).由于傾覆力矩是通過(guò)橫向力與力臂的乘積求得，故其隨時(shí)間的變化特性與橫向力相同，在此不再贅述，如圖10（d）所示，對(duì)應(yīng)的尾車運(yùn)行姿態(tài)在經(jīng)歷“右傾-左傾”變化后才恢復(fù)平穩(wěn).

2）對(duì)于氣動(dòng)升力，列車進(jìn)洞前，頭車氣動(dòng)升力在40 kN附近持續(xù)大幅震蕩，而尾車震蕩幅度相對(duì)較小，中間車最為平穩(wěn);進(jìn)洞時(shí)，頭車氣動(dòng)升力直接突降，尾車和中間車氣動(dòng)升力將小幅上升后恢復(fù)零值，即中間車和尾車將先后相應(yīng)地產(chǎn)生一個(gè)整體上跳的行為.

3）對(duì)于偏航力矩，當(dāng)列車在明線運(yùn)行時(shí)，中間車偏航力矩最高，頭車次之，尾車最低;列車進(jìn)洞時(shí)，三節(jié)車偏航力矩先后發(fā)生突增，且頭車增幅最大，達(dá)344 kN·m. 這是由于列車在進(jìn)洞過(guò)程中，隧道內(nèi)部分車體所受橫向力幾乎為零，而洞外部分車體在橫風(fēng)作用下仍承受巨大橫向力，橫向力沿車廂縱向分布極不均勻，從而使偏航力矩突增，此時(shí)乘客將明顯感覺(jué)車廂劇烈晃動(dòng)，列車往往易因偏航力矩過(guò)大而發(fā)生脫軌事故. 隨著車廂完全進(jìn)洞，頭車和中間車的偏航力矩先后直接恢復(fù)至零值，而尾車的尾部將發(fā)生一次向迎風(fēng)側(cè)的反向擺動(dòng)后才恢復(fù)平穩(wěn).

4）對(duì)于點(diǎn)頭力矩，列車進(jìn)洞前，頭車持續(xù)在100 kN·m附近大幅震蕩，且頭部整體呈上翹姿態(tài)，尾車震蕩幅度相對(duì)較小，中間車最平穩(wěn).進(jìn)洞時(shí)，頭車點(diǎn)頭力矩經(jīng)歷一個(gè)波谷，相應(yīng)的頭車頭部將產(chǎn)生一個(gè)點(diǎn)頭行為;尾車則經(jīng)歷一個(gè)波峰后才恢復(fù)平穩(wěn)，相應(yīng)的尾車尾部也將產(chǎn)生一個(gè)點(diǎn)頭行為.

綜上所述，列車由明線橫風(fēng)環(huán)境快速駛?cè)胨淼赖倪^(guò)程中，車體的各項(xiàng)氣動(dòng)荷載均表現(xiàn)出顯著的瞬變效應(yīng).在風(fēng)速為25 m/s且車速為250 km/h的運(yùn)行條件下，相對(duì)于中間車和尾車，頭車變化幅值最大，這將嚴(yán)重威脅其運(yùn)行安全性;而尾車由于氣動(dòng)荷載突變作用，引起連續(xù)“右-左”傾覆、“上跳”、“蛇形”擺動(dòng)以及“點(diǎn)頭”等行為同時(shí)發(fā)生，也將在一定程度上降低其乘坐舒適性和運(yùn)行安全性.

3.4? ?影響因素分析

由上述分析可知，列車駛?cè)胨淼罆r(shí)氣動(dòng)荷載的瞬變幅度將嚴(yán)重影響列車運(yùn)行的安全性，而影響氣動(dòng)荷載的主要因素有風(fēng)速和車速.下面進(jìn)一步分析風(fēng)速和車速的變化對(duì)氣動(dòng)荷載的影響情況，圖11給出了不同風(fēng)速下（25 m/s、30 m/s、35 m/s、40 m/s）（βw = 90°）列車以250 km/h的速度駛?cè)胨淼肋^(guò)程中各節(jié)車廂氣動(dòng)荷載最大波動(dòng)幅值，圖12給出了在25 m/s的橫風(fēng)環(huán)境下，列車以不同車速（200 km/h、250 km/h、300 km/h、350 km/h）駛?cè)胨淼罆r(shí)各節(jié)車廂的氣動(dòng)荷載最大波動(dòng)幅值.

由圖11和圖12分析可知：

1）對(duì)于氣動(dòng)橫向力最大波動(dòng)幅值，隨風(fēng)速增大，三節(jié)車廂均隨之增大，但尾車在風(fēng)速達(dá)到35 m/s以后增大并不顯著;若風(fēng)速不變，車速增大，僅頭車增大，而中間車和和尾車呈微弱減小趨勢(shì).

2）對(duì)于氣動(dòng)升力最大波動(dòng)幅值，隨風(fēng)速增大，頭車和中間車隨之增大，而尾車增大趨勢(shì)并不明顯;若風(fēng)速不變，車速增大，頭車和中間車微弱增大，尾車仍呈減小趨勢(shì).

3）對(duì)于偏航力矩最大波動(dòng)幅值，隨著風(fēng)速增大，三節(jié)車均隨之明顯增大，且以尾車增大最為顯著（當(dāng)風(fēng)速為40 km/h時(shí)，達(dá)937 kN·m）;若風(fēng)速不變，車速增大，三節(jié)車偏航力矩突變幅值變化趨勢(shì)與橫向力相似，但頭車增大尤為顯著.

4）對(duì)于點(diǎn)頭力矩最大波動(dòng)幅值，隨著風(fēng)速增大，三節(jié)車也均有所增大，且中間車增大較為顯著（當(dāng)風(fēng)速為40 km/h時(shí)，達(dá)674 kN·m）;若風(fēng)速不變，車速增大，三節(jié)變化趨勢(shì)仍與橫向力相似.

綜上所述，風(fēng)速變化對(duì)各節(jié)車廂氣動(dòng)荷載變化幅值的影響程度明顯大于車速變化的影響.隨著車速或風(fēng)速的變化，在各項(xiàng)氣動(dòng)荷載中，又以偏航力矩的變化最為顯著.當(dāng)車速不變，隨著風(fēng)速增大，尾車偏航力矩變化幅值增大最為顯著，又因列車運(yùn)行安全性在很大程度上受偏航力矩變化的影響[18]，故風(fēng)速變化對(duì)尾車運(yùn)行安全影響較突出;而當(dāng)風(fēng)速不變，隨車速增大，頭車偏航力矩變化幅值增大最為顯著，即車速變化對(duì)頭車運(yùn)行安全影響較突出.

4? ?結(jié)? ?論

1）對(duì)于流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，在洞口橫風(fēng)作用下，洞外部分車體兩側(cè)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)差異明顯，背風(fēng)側(cè)附著一縱向渦流.隨著列車駛?cè)胨淼?，附著車體的渦流在隧道入口處開(kāi)始消失，駛?cè)胨淼啦糠值能圀w附近無(wú)顯著渦流，車頭處流場(chǎng)仍呈源流特性.當(dāng)車尾即將抵達(dá)洞口時(shí)，車尾渦流區(qū)朝背風(fēng)側(cè)方向偏轉(zhuǎn)更加顯著，并呈現(xiàn)扭轉(zhuǎn)趨勢(shì).

2）對(duì)于壓力分布，在洞口橫風(fēng)作用下，當(dāng)車頭抵達(dá)隧道入口，在背風(fēng)側(cè)車體后約2/3范圍內(nèi)存在負(fù)壓區(qū).隨著列車?yán)^續(xù)駛?cè)胨淼?，洞?nèi)部分車體兩側(cè)壓力仍趨于平衡，而洞外部分車體兩側(cè)壓差顯著，車體兩側(cè)壓差在縱向上極不均衡.

3）高速列車由明線橫風(fēng)環(huán)境駛?cè)胨淼赖倪^(guò)程

中，車體的各項(xiàng)氣動(dòng)荷載均表現(xiàn)出顯著的瞬變效應(yīng).其中尾車在氣動(dòng)荷載大幅瞬變作用下，同時(shí)產(chǎn)生較顯著的連續(xù)“右-左”傾覆、“上跳”、“蛇形”擺動(dòng)以及“點(diǎn)頭”等行為.

4）風(fēng)速變化對(duì)尾車偏航力矩變化幅值影響較顯著，而車速變化對(duì)頭車偏航力矩變化幅值影響較顯著.

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