風(fēng)沙環(huán)境下列車氣動性能的研究*

郭佳梁， 張學(xué)飛， 周朝暉

(1 常州大學(xué) 軌道交通學(xué)院， 江蘇常州 213100；2 蘭州交通大學(xué) 機電工程學(xué)院， 蘭州 730070)

2014年蘭新高鐵開通，是我國西部高寒高溫高風(fēng)沙地區(qū)修建完成的第一條高速鐵路線，從設(shè)計開始很關(guān)注風(fēng)沙的影響[1-2]。李田基于車輛-軌道耦合動力學(xué)和空氣動力學(xué)提出了一種計算沙塵暴環(huán)境下高速列車運行安全的半耦合求解方法，并依此研究了橫風(fēng)沙情形時列車橫向力的特征[3]。倪守隆以CRH3列車3編組為原型，在對真實高速列車的表面做光滑處理(忽略轉(zhuǎn)向架和風(fēng)擋等)后，采用歐拉雙流體模型對200 km/h到400 km/h速度范圍內(nèi)不同沙粒濃度下氣動阻力進行了研究[4]。張傳英通過歐拉雙流體模型計算分析了沙塵濃度和橫風(fēng)速度對列車氣動力的影響，得出了沙塵加劇列車氣動力值的增幅，影響列車運行的穩(wěn)定性[5]。宋琛也采用歐拉雙流體模型對簡化的3編組高速列車在風(fēng)沙環(huán)境下氣動特性進行研究，得出了車速小于30 m/s時，總阻力增加6%左右[6]。

通過采用歐拉-拉格拉日模型研究了8編組高速列車在不同的風(fēng)沙顆粒濃度、風(fēng)沙顆粒直徑、風(fēng)速的情況下的空氣動力學(xué)性性能，獲得一些風(fēng)沙環(huán)境下高速列車氣動性能參數(shù)。

1 計算模型與網(wǎng)格劃分

1.1 數(shù)學(xué)模型

主要是計算沙粒對列車氣動性能的影響，需要同時考慮到空氣和沙粒的耦合作用，所以屬于典型多相流中的氣固兩相流范疇。采用歐拉-拉格朗日方法對風(fēng)沙進行模擬。在歐拉坐標(biāo)系下，用一般湍流模型的連續(xù)介質(zhì)處理方法處理氣相，在拉格朗日坐標(biāo)系下處理風(fēng)沙顆粒相。

(1)顆粒相控制方程

根據(jù)牛頓第二定律，得到顆粒相的單個顆粒的運動及軌道方程如式(1)

(1)

式中：mp表示為顆粒的質(zhì)量；FD表示氣體對顆粒的曳力；FC表示顆粒之間與壁面的碰撞力；FM表示顆粒的重力；FO為其他力，包括壓力梯度、馬格努斯效應(yīng)力、薩夫曼升力與倍瑟特力。由于文中研究的風(fēng)沙環(huán)境為低濃度的氣固兩相流，所以在流場中，曳力與重力對顆粒的運動的影響遠遠大于其余力對于顆粒的影響，因此在計算中忽略其他力的作用，并且不考慮顆粒間的相互碰撞[7]。

(2)連續(xù)相控制方程

選取的高Re數(shù)SSTk-ω模型，湍動能方程如式(2)～式(3)

μtP-ρβ*kω+μtPB

(2)

耗散率方程為

(3)

耗散率定義為ω=ε/Cμk

1.2 幾何模型與計算區(qū)域

選用8編組的動車組列車作為研究對象(見圖1所示，H=9.7 m)，保留和簡化了列車的轉(zhuǎn)向架，風(fēng)擋等部件，忽略了受電弓、門把手以及其他細節(jié)裝置，但考慮了軌道。在現(xiàn)實情況中，列車的運行空間無限大，由于計算條件的限制，選取的計算區(qū)域如圖2所示，其外邊界為長方體，計算域?qū)挾葹?8.9H，高度為11H，車頭距離風(fēng)沙入射口為22H，車尾距離流場出口為44H。由于研究列車穩(wěn)態(tài)運行情形下風(fēng)沙對于列車氣動效應(yīng)的影響，忽略傳熱影響，將列車外表面，計算區(qū)域外表全部設(shè)置為無滑移絕熱壁面。

圖1 動車組8編組模型示意圖

圖2 計算區(qū)域示意圖

1.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格采用Trimmer(六面體網(wǎng)格)，并在固體壁面上拉伸Prism Layer Mesher(棱柱層網(wǎng)格)。圖3和圖4分別給出了計算列車周圍的網(wǎng)格和軌道網(wǎng)格，計算模型體網(wǎng)格規(guī)模在3.1×107規(guī)模。

圖4 工字鋼網(wǎng)格

2 計算結(jié)果及分析

2.1 風(fēng)沙流動特征

圖5展示了沙粒直徑為220 μm，沙粒濃度為1.0 g/m3且風(fēng)速15 m/s的情況下，列車以200 km/h的穩(wěn)定速度行駛過程中風(fēng)沙的運動軌跡。如圖所示列車車頭前方的風(fēng)沙顆粒大部分由于受到列車周圍流場的影響而沿著車體兩側(cè)散開，部分沙粒與車頭迎風(fēng)面撞擊而發(fā)生彈跳運動，從而引起沙粒運動軌跡變化，并越過車頭向后運動。其余參數(shù)下沙粒運動軌跡類同。

圖5 列車車頭風(fēng)沙軌跡圖

2.2 車速不同時列車氣動效應(yīng)的特點

表1給出了在沙粒直徑220 μm濃度為1.0 g/m3且不同風(fēng)速下列車的氣動阻力。從此表中可以得出空氣阻力與相對速度(車速與風(fēng)速之和)成二次方關(guān)系(f=0.364 8 (vTR+v)1.98)，且阻力系數(shù)在不同速度下基本保持不變。

表1 不同風(fēng)速下列車氣動阻力對比

2.3 風(fēng)沙顆粒直徑對列車氣動效應(yīng)的影響

設(shè)定列車模型以200 km/h的速度穿過流場，設(shè)置風(fēng)沙顆粒的濃度為1.0 g/m3且風(fēng)速為15 m/s。以沙粒的直徑分別為50 μm、220 μm及450 μm對列車的氣動效應(yīng)進行數(shù)值模擬。圖6對比了不同沙粒直徑下列車頭、尾車表面的壓力云圖。從圖中的壓力比對中可以得出，隨著沙粒直徑的不斷增加，頭、尾車的正壓區(qū)域均稍有增大。表2展示了不同沙粒直徑對列車氣動阻力的對比。由表可以更明確的看出，設(shè)置吹入流場的沙粒濃度以及列車速度不變的條件，列車整體阻力隨沙粒直徑的增大而略有增大，但增幅非常小，也就是說沙粒直徑的變化對頭、尾車表面壓力影響較小。

圖6 車頭車尾表面壓力云圖

表2 不同沙粒直徑下列車氣動阻力

2.4 風(fēng)沙顆粒濃度對列車氣動效應(yīng)的影響

設(shè)定列車模型以200 km/h的速度穿過流場，設(shè)置風(fēng)沙顆粒的直徑為220 μm且風(fēng)速為15 m/s。以沙粒的濃度分別為0.1 g/m3、1.0 g/m3及2.5 g/m3對列車的氣動效應(yīng)進行數(shù)值模擬。圖7對比了不同沙粒濃度下頭、尾車表面的壓力云圖。列車從無沙環(huán)境到射入沙粒，頭車部位的正壓力等值線有所減小，尾車表面低壓區(qū)域相對減少，但隨著流場中沙粒濃度的不斷增加，頭、尾車表面壓力變化趨于平緩，固相沙粒對列車頭、尾車壓力分布影響不大。表3給出了不同沙粒濃度對列車氣動阻力的對比。從表中進一步得出沙粒濃度對氣動阻力影響不大，且氣動阻力系數(shù)也基本不變。

表3 不同沙粒濃度下列車氣動阻力對比

圖7 車頭車尾表面壓力云圖

3 結(jié) 論

(1)隨著流場中的風(fēng)沙顆粒的濃度，直徑以及風(fēng)速的變大，沙粒在流場中的運動軌跡變的更加復(fù)雜更加混亂。

(2)在保證流場中風(fēng)沙顆粒的濃度與直徑不變的情況下，隨著風(fēng)速的不斷變大，列車整車受到的氣動阻力及其系數(shù)也不斷變大，增長的趨勢相較于風(fēng)沙顆粒的影響較大。

(3)在保證流場中風(fēng)速以及風(fēng)沙顆粒的濃度保持一定時，隨著風(fēng)沙顆粒的直徑變大，列車的整車氣動阻力出現(xiàn)了增大，但是增長的趨勢很小。

(4)確定流場中風(fēng)速以及風(fēng)沙顆粒的直徑保持不變時，流場中風(fēng)沙顆粒的濃度與列車整車的氣動阻力呈正比，但是影響很小。