高速列車氣動(dòng)特性對(duì)橋梁防護(hù)墻的響應(yīng)分析

張鵬，杜禮明

(大連交通大學(xué) 機(jī)車車輛工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

近年來，為了防止自然環(huán)境與高速列車相互作用的影響以及保障列車的安全運(yùn)行，高速列車軌道周圍設(shè)置了許多防護(hù)措施.隨著高速列車運(yùn)行速度的不斷提高，這些鄰近軌道的結(jié)構(gòu)對(duì)高速列車運(yùn)行品質(zhì)的影響日漸明顯.由于我國幅員遼闊，地形地勢(shì)變化較大，高速列車多在橋梁上運(yùn)行而且運(yùn)行環(huán)境較為惡劣，需要設(shè)置防護(hù)墻結(jié)構(gòu)[1]來保障列車運(yùn)行的安全性，因此有必要研究該結(jié)構(gòu)對(duì)高速運(yùn)行中列車的氣動(dòng)特性[2-4]有何種影響，以提高高速列車的運(yùn)行性能.目前，對(duì)聲屏障、擋風(fēng)墻等結(jié)構(gòu)的研究較多，而關(guān)于防護(hù)墻結(jié)構(gòu)的研究鮮見報(bào)道.羅建斌[5]分析了同一速度下，橋梁上不同聲屏障高度對(duì)列車氣動(dòng)特性的影響；吳超[6]研究了風(fēng)屏障結(jié)構(gòu)下，恒定側(cè)風(fēng)與瞬態(tài)風(fēng)對(duì)列車氣動(dòng)性能的影響；何德華[7]對(duì)路堤和橋梁兩種線路條件下?lián)躏L(fēng)墻對(duì)列車氣動(dòng)性能的影響進(jìn)行了分析；葉坤[8]對(duì)高速鐵路擋風(fēng)墻高度和距離進(jìn)行了優(yōu)化分析.防護(hù)墻結(jié)構(gòu)相比于這兩種結(jié)構(gòu)又有著距離列車軌道距離更近，高度更低等特點(diǎn)，使得其對(duì)高速列車底部流場(chǎng)尤其是轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場(chǎng)的影響更為明顯.本文采用數(shù)值模擬方法研究防護(hù)墻及其高度變化對(duì)高速度列車氣動(dòng)性能的影響，為提高列車在橋梁上的安全運(yùn)行性能提供參考.

1 計(jì)算模型和計(jì)算方法

1.1 計(jì)算模型

模型采用三節(jié)編組的CRH3高速列車，頭車長(zhǎng)25.64 m，中間車長(zhǎng)25.12 m，尾車長(zhǎng)25.64 m，列車的寬度為3.26 m，高度為3.89 m.由于防護(hù)墻結(jié)構(gòu)對(duì)列車底部流場(chǎng)有著重要影響，因此需要考慮轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)，列車其他細(xì)部結(jié)構(gòu)如風(fēng)擋、受電弓、門把手等予以忽略.

防護(hù)墻結(jié)構(gòu)多用于橋梁，由于橋梁與地平面的高差不大，因此二者的氣壓差可以忽略不計(jì)，為減小計(jì)算量，簡(jiǎn)化模型，轉(zhuǎn)為在地面上進(jìn)行模擬，但保留橋梁上的無砟軌道與防護(hù)墻結(jié)構(gòu).無砟軌道模型采用CRTS I型無砟軌道板[9]，其長(zhǎng)度為4.93 m，寬度為2.4 m，高度為0.19 m；軌道基座的寬為3 m，高為0.3 m，忽略了承軌臺(tái)結(jié)構(gòu)，鋼軌的高度為0.172 m.防護(hù)墻模型中，防護(hù)墻距離軌道中心線的距離為1.9 m，防護(hù)墻的寬度為0.25m，高度為0.75 m[1].

1.2 計(jì)算域模型

為了使空氣在流場(chǎng)中充分發(fā)展，計(jì)算域需要足夠大，計(jì)算域大小為276.4 m×60 m×30 m，車頭距離流場(chǎng)前端長(zhǎng)為50 m，尾車車頭距離流場(chǎng)后端150 m.列車距離軌道兩側(cè)的距離同為28.5m.計(jì)算區(qū)域如圖1所示.

1.3 網(wǎng)格劃分與計(jì)算方法

為減少網(wǎng)格的數(shù)量，節(jié)省計(jì)算時(shí)間，對(duì)模型進(jìn)行混合網(wǎng)格劃分(圖2).車身周圍采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其余流場(chǎng)區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格在列車的近壁面區(qū)域采用壁面函數(shù)的方法，網(wǎng)格總數(shù)約為950萬.

采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算的方法，湍流模型選擇SSTk-ω兩方程湍流模型，邊界條件設(shè)置為速度進(jìn)口，壓力出口，對(duì)稱邊界條件，地面采用移動(dòng)地面以消除地面效應(yīng)的影響.列車的橫截面積為12.19 m2，周長(zhǎng)為12.07 m，特征長(zhǎng)度取水力直徑為4.04m[11].計(jì)算方法使用SIMPLE算法并采用二階迎風(fēng)模式進(jìn)行離散計(jì)算.

1.4 數(shù)值模型與數(shù)值方法可行性驗(yàn)證

數(shù)值計(jì)算的可行性驗(yàn)證一般通過與實(shí)車實(shí)驗(yàn)、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)或者現(xiàn)有論文數(shù)據(jù)比較得以驗(yàn)證，本文采用數(shù)值模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[11]中CRH3高速列車1∶8縮比尺寸的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較驗(yàn)證，本文數(shù)值模擬中的驗(yàn)證模型也同為1∶8的縮比模型，橫斷面尺寸為8 m×6 m，長(zhǎng)度為16 m，來流速度為60 m/s，氣流夾角為3°，模型見圖3.

風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值模擬試驗(yàn)整車阻力系數(shù)試驗(yàn)值為0.5018，模擬值為0.4582.整車的阻力系數(shù)相差8.68%左右，在誤差允許的范圍內(nèi)，其差異可能在數(shù)值模型與風(fēng)洞模型不可能完全一致造成的.可見本文的數(shù)值模型與數(shù)值方法是可行的.

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 防護(hù)墻結(jié)構(gòu)對(duì)高速列車氣動(dòng)力的影響

本節(jié)主要研究高速列車在不同速度下，防護(hù)墻結(jié)構(gòu)對(duì)高速列車氣動(dòng)力的影響，主要分析列車的氣動(dòng)升力.取以下5組速度值分別為200、250、300 、350 、400 km/h，比較防護(hù)墻對(duì)高速列車氣動(dòng)性能的影響.

圖4為不同速度下防護(hù)墻對(duì)列車氣動(dòng)升力影響的比較.存在防護(hù)墻時(shí)，頭車升力整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，漲幅在60.71%～87.98%之間；中間車和尾車升力都呈現(xiàn)明顯下降的趨勢(shì)，中間車在250 km/h僅下降了4.4%，而其他速度下升力下降的幅度非常大在99.2%～313.13%之間，尾車升力的降幅在25.51%～59.6%之間.結(jié)果導(dǎo)致整車升力下降，整車升力由中間車和尾車主導(dǎo)，升力降幅在23.71%～56.49%之間，平均下降了39.25%，由于整車升力都為正值，升力的下降使整車升力減小，有利于列車的安全運(yùn)行但可能增大列車輪軌間磨耗，降低輪軌的使用壽命.

2.2 防護(hù)墻結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)的影響

以上從氣動(dòng)升力方面分析了防護(hù)墻結(jié)構(gòu)對(duì)高速列車的影響，但仍需要結(jié)合壓力分布與流線分析產(chǎn)生列車氣動(dòng)力變化的原因.防護(hù)墻對(duì)列車流場(chǎng)特性的影響通過同一速度下流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的變化表現(xiàn)出來，主要對(duì)350 km/h速度下列車的流場(chǎng)特性進(jìn)行分析.在頭車、中間車、尾車轉(zhuǎn)向架中部取若干截面，對(duì)其壓力分布與流線圖進(jìn)行分析.由于篇幅限制，只給出特征明顯截面處的壓力分布與流線圖.

2.2.1 防護(hù)墻對(duì)頭車流場(chǎng)特性的影響

圖5、圖6為有無防護(hù)墻時(shí)，列車頭車轉(zhuǎn)向架處中心處的壓力分布與流線圖.

由圖5可知，頭車前轉(zhuǎn)向架處的壓力分布相比于無防護(hù)墻的情況下，列車車身周圍壓力變化并不明顯，但在防護(hù)墻周圍出現(xiàn)了較多的低壓區(qū)域，列車轉(zhuǎn)向架中心處壓力有明顯的升高，防護(hù)墻對(duì)列車轉(zhuǎn)向架周圍壓力的影響較為明顯，是導(dǎo)致列車頭車升力上升的原因.

從流線分布圖6中可以看出，有無防護(hù)墻時(shí)，列車轉(zhuǎn)向架中心處都有多個(gè)渦旋.但明顯可以看出頭車前轉(zhuǎn)向架處，由于防護(hù)墻的存在，使得氣流在防護(hù)墻處形成了繞流，且繞流范圍較大；貼近防護(hù)墻內(nèi)壁面處速度較低，而繞流到外壁面時(shí)速度增大，導(dǎo)致其周圍出現(xiàn)低壓區(qū)域.同時(shí)在防護(hù)墻外壁側(cè)分別形成了一個(gè)小渦旋，并且渦旋逐漸向后發(fā)展、增大，防護(hù)墻處的繞流與渦旋作用是頭車升力上升的主要原因.

2.2.2 防護(hù)墻對(duì)中間車流場(chǎng)特性的影響

圖7、圖8為有無防護(hù)墻時(shí)，列車中間車轉(zhuǎn)向架中心處的壓力分布與流線圖.

從圖7中可知，中間車后轉(zhuǎn)向架中心處壓力變化比較明顯，列車左側(cè)區(qū)域的壓力明顯下降，從330 Pa左右降到了 -150 Pa左右，而右側(cè)區(qū)域壓力大幅上升，列車底部壓力受左側(cè)區(qū)域負(fù)壓影響較大，壓力明顯下降，導(dǎo)致中間車氣動(dòng)升力呈現(xiàn)下降的趨勢(shì).

從圖8中可知，有防護(hù)墻時(shí)，中間車前轉(zhuǎn)向架防護(hù)墻兩側(cè)的渦旋繼續(xù)增大，渦旋向后發(fā)展到后轉(zhuǎn)向架時(shí)兩側(cè)渦旋能量出現(xiàn)耗散的趨勢(shì)，右側(cè)渦旋開始脫落，并開始形成新的渦旋，導(dǎo)致了右側(cè)區(qū)域壓力上升.而在后轉(zhuǎn)向架防護(hù)墻與車輪之間區(qū)域又產(chǎn)生了新的渦旋，左側(cè)區(qū)域的兩處渦旋運(yùn)動(dòng)相比于無防護(hù)墻時(shí)導(dǎo)致了左側(cè)區(qū)域壓力明顯下降.

2.2.3 防護(hù)墻對(duì)尾車流場(chǎng)特性的影響

從圖9中可以看出，存在防護(hù)墻時(shí)，尾車前轉(zhuǎn)向架左側(cè)區(qū)域壓力小幅上升，而右側(cè)區(qū)域壓力明顯下降，從240 Pa左右降到了-60 Pa左右，底部壓力受右側(cè)負(fù)壓影響，壓力減小，負(fù)壓范圍增大，導(dǎo)致尾車升力下降.

從圖10中可知，尾車前轉(zhuǎn)向架左側(cè)區(qū)域都有渦旋存在，只是渦旋運(yùn)動(dòng)的劇烈程度不同，使得左側(cè)壓力變化很小，但有防護(hù)墻處的渦旋有別于繞流防護(hù)墻形成的渦旋.而右側(cè)區(qū)域，仍在防護(hù)墻處形成繞流，但在外壁側(cè)并沒有新渦旋生成，使得該區(qū)域空氣流速加快，導(dǎo)致右側(cè)區(qū)域壓力下降.

2.3 防護(hù)墻高度對(duì)列車氣動(dòng)性的影響

為了研究防護(hù)墻高度對(duì)列車氣動(dòng)特性的影響，在防護(hù)墻模型中改變防護(hù)墻的高度，分別添加了0.5 m和1 m兩組防護(hù)墻高度與0.75 m防護(hù)墻高度同在350km/h的速度下進(jìn)行數(shù)值模擬，將得到的氣動(dòng)升力進(jìn)行對(duì)比.

圖11為不同防護(hù)墻高度下列車升力的比較.升力方面，隨著高度的升高，頭車升力分別上升了42.69%、7.55%，且一直為正升力，中間車和尾車的升力都在下降，中間車分別下降了61.72%、8.53%，且恒為負(fù)升力，受到向下的壓力，尾車分別下降了38.2%、100.46%，升力由正變?yōu)樨?fù)；中間車和尾車升力的大幅下降，導(dǎo)致整車升力分別下降了25.37%、62.17%，平均下降了43.77%，列車升力隨高度的增加而減小.

2.4 防護(hù)墻高度變化對(duì)流場(chǎng)特性的影響

為了比較防護(hù)墻高度對(duì)列車流場(chǎng)特性的影響，選取流場(chǎng)變化明顯的區(qū)域截面進(jìn)行分析.流場(chǎng)變化是影響氣動(dòng)力變化的根本原因，因此由前面分析可知，取頭車后轉(zhuǎn)向架、中間車后轉(zhuǎn)向架與尾車前轉(zhuǎn)向架中心的流線圖進(jìn)行分析.

從圖12可看出，不同防護(hù)墻高度下，三個(gè)截面外壁側(cè)都存在一對(duì)渦旋，但隨著防護(hù)墻高度的增高，外壁側(cè)渦旋逐漸增大，并且渦旋運(yùn)動(dòng)越劇烈.在頭車處是渦旋開始生成和發(fā)展的區(qū)域，在中間車和尾車截面處渦旋運(yùn)動(dòng)較弱的過早的耗散、脫落，不足以維持渦旋的運(yùn)動(dòng)，而較強(qiáng)的渦旋仍能持續(xù)耗散.防護(hù)墻高度變化對(duì)渦旋耗散、脫落的位置有所影響，渦旋變化位置的不同也是導(dǎo)致列車升力變化的原因.

3 結(jié)論

(1)防護(hù)墻的存在導(dǎo)致了空氣對(duì)防護(hù)墻的繞流以及防護(hù)墻周圍渦旋的生成.首先空氣在防護(hù)墻處的繞流是防護(hù)墻兩側(cè)生成渦旋的主要原因；其次防護(hù)墻外壁側(cè)的渦旋從頭車處產(chǎn)生到向后發(fā)展，并經(jīng)歷渦旋的耗散與脫落，這一系列渦旋的變化是導(dǎo)致列車氣動(dòng)升力變化的原因.其結(jié)果導(dǎo)致了整車升力平均下降了39.25%，整車升力減?。?/p>

(2)在現(xiàn)有試驗(yàn)高度下，隨著防護(hù)墻高度的升高，使得空氣在頭車對(duì)防護(hù)墻的繞流作用明顯，防護(hù)墻兩側(cè)的渦旋在速度、大小等方面顯著增加，并且影響防護(hù)墻兩側(cè)渦旋耗散與脫落的位置，是影響氣動(dòng)特性變化的原因.并且防護(hù)墻高度的增加導(dǎo)致高速列車受到的升力平均減小了43.77%.