風(fēng)向角對(duì)CRH2列車氣動(dòng)特性的影響研究

何旭輝，左太輝，鄒云峰，賴慧蕊，肖飛

風(fēng)向角對(duì)CRH2列車氣動(dòng)特性的影響研究

何旭輝1, 2，左太輝1, 2，鄒云峰1, 2，賴慧蕊3，肖飛4

(1. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075；2. 高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410075；3. 武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)(漢南區(qū)) 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局，湖北 武漢 430056；4. 中國(guó)鐵路廣州局集團(tuán)有限公司 工程質(zhì)量監(jiān)督站，廣東 廣州 510030)

為研究不同風(fēng)向角下高速鐵路列車氣動(dòng)力特性，分析流線型列車周圍流場(chǎng)結(jié)構(gòu)差異對(duì)列車氣動(dòng)力影響，以高速鐵路典型CRH2列車為研究背景，采用風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的研究手段對(duì)不同工況下列車氣動(dòng)力和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明：測(cè)壓和測(cè)力試驗(yàn)結(jié)果具有很好的一致性，數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，可用來分析風(fēng)向角對(duì)列車氣動(dòng)特性的影響；分析得出頭車和中車的風(fēng)壓分布和氣動(dòng)力變化規(guī)律顯著不同，隨著風(fēng)向角的增大，頭車側(cè)力系數(shù)和升力系數(shù)先增大后減小，在風(fēng)向角為60°左右達(dá)到最大值，中車側(cè)力系數(shù)和升力系數(shù)一直增大，列車?yán)@流狀態(tài)具有明顯的三維特性，不同風(fēng)向角下氣流繞列車呈不同繞流形式，在小于60°風(fēng)向角下，列車?yán)@流場(chǎng)主要呈流線型結(jié)構(gòu)繞流特性，而大于60°風(fēng)向角下，列車?yán)@流場(chǎng)主要表現(xiàn)為鈍體繞流特性，兩種不同繞流狀態(tài)導(dǎo)致列車氣動(dòng)力特性差異。

CRH2型列車；風(fēng)向角；風(fēng)洞試驗(yàn)；數(shù)值模擬；氣動(dòng)特性

高速鐵路列車在強(qiáng)風(fēng)作用下的行車安全一直是近年來的熱點(diǎn)研究課題[1?5]，深入分析高速鐵路列車的氣動(dòng)力特性是保障行車安全的重要前提和基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過實(shí)車測(cè)試、模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬等手段對(duì)不同型號(hào)列車的氣動(dòng)力特性開展了廣泛而深入的研究，取得了一些有意義的成果。梁習(xí)鋒[6]通過對(duì)蘭新線鐵路列車開展實(shí)測(cè)分析，獲得列車表面壓力分布，形成了從測(cè)點(diǎn)布置、壓力采集和數(shù)據(jù)分析一整套完整的列車實(shí)車測(cè)量研究方法；田紅旗等[7]通過模型風(fēng)洞試驗(yàn)，深入分析了我國(guó)270 km/h高速鐵路列車在橫風(fēng)作用下氣動(dòng)力性能，并提出了針對(duì)列車切實(shí)可行的氣動(dòng)優(yōu)化建議；Marco 等[8]利用風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)比分析了不同湍流條件下ETR480型列車在0°～90°風(fēng)向角范圍內(nèi)的氣動(dòng)力系數(shù)；李永樂等[9]進(jìn)行了橫風(fēng)下車?橋體系的繞流特性靜動(dòng)態(tài)模擬數(shù)值分析，對(duì)比了數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)氣動(dòng)力特性結(jié)果的差異；冉騰飛等[10]采用數(shù)值模擬方法研究不同運(yùn)行方式下高速地鐵氣動(dòng)性能，研究發(fā)現(xiàn)列車由明線駛?cè)胨淼罆r(shí)，車體表面壓力值從頭車向尾車逐漸降低；李鵬等[11]研究突風(fēng)環(huán)境下高速鐵路列車周圍流場(chǎng)，結(jié)果表明，列車未進(jìn)入風(fēng)區(qū)時(shí)，車體周圍流場(chǎng)基本呈對(duì)稱分布，在列車車體整體處于橫風(fēng)區(qū)域內(nèi)時(shí)，車體迎風(fēng)側(cè)壓力呈現(xiàn)正壓分布，車體背風(fēng)側(cè)壓力呈現(xiàn)負(fù)壓狀態(tài)；杜俊濤等[12]采用數(shù)值模擬研究了高速鐵路列車氣動(dòng)力特性和頭部線形、鼻尖及窗戶等細(xì)節(jié)的關(guān)系，結(jié)果表明合理優(yōu)化列車頭部縱斷面形狀可以減少列車阻力和升力；HE等[13?15]利用數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)高速列車的氣動(dòng)特性開展系列研究，得出列車氣動(dòng)特性與其在順橋上的位置無關(guān)，但受其所處橋面上下游軌道位置影響較大，兩車交會(huì)對(duì)上游列車氣動(dòng)特性影響較小，其團(tuán)隊(duì)還研究了風(fēng)屏障高度、透風(fēng)率等參數(shù)對(duì)列車氣動(dòng)力特性的影響，提出了橋上風(fēng)屏障優(yōu)化措施等。以上研究大多采用單一手段，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到的結(jié)果雖然可靠，但代價(jià)高，且不能進(jìn)行參數(shù)化分析，故較難獲得系統(tǒng)的研究成果，風(fēng)洞試驗(yàn)在流場(chǎng)顯示、氣動(dòng)機(jī)理分析等方面得到的結(jié)果不如數(shù)值模擬直觀，而數(shù)值模擬限于現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的計(jì)算精度，計(jì)算結(jié)果可靠性需要進(jìn)一步驗(yàn)證。更為重要的是，現(xiàn)有研究成果大多只針對(duì)橫風(fēng)(來流與列車運(yùn)行方向垂直)作用下的列車氣動(dòng)力特性，而實(shí)際運(yùn)行列車的相對(duì)風(fēng)向角(以下皆簡(jiǎn)稱為風(fēng)向角)是自然風(fēng)和列車運(yùn)行方向及速度合成的結(jié)果，是一個(gè)隨機(jī)變量，且不同風(fēng)向角下流線型列車周圍流場(chǎng)結(jié)構(gòu)差異顯著，列車氣動(dòng)載荷特性受此影響很大，因此需要對(duì)不同風(fēng)向角下的列車氣動(dòng)特性進(jìn)行細(xì)致研究。本文首先對(duì)天平測(cè)力和測(cè)壓積分獲得的CRH2型列車氣動(dòng)力結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證測(cè)壓積分獲得氣動(dòng)力手段的精度可靠性，然后將基于測(cè)壓試驗(yàn)獲得的風(fēng)壓分布、氣動(dòng)力系數(shù)和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行細(xì)致對(duì)比，證明數(shù)值模擬方法的正確性，最后基于數(shù)值模擬的流場(chǎng)顯示對(duì)0°～90°風(fēng)向角范圍內(nèi)的列車氣動(dòng)特性及繞流場(chǎng)進(jìn)行系統(tǒng)分析，以揭示風(fēng)向角對(duì)CRH2型列車氣動(dòng)特性的影響。研究結(jié)論可為優(yōu)化高速鐵路列車線路結(jié)構(gòu)布置形式，提高列車行車安全性提供參考。

1 研究概況

1.1 風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ图皽y(cè)點(diǎn)布置

風(fēng)洞試驗(yàn)是在中南大學(xué)“高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室”的風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)高速試驗(yàn)段進(jìn)行，試驗(yàn)段長(zhǎng)×寬×高分別為15 m×3 m×3 m。以CRH2型列車(頭車+中車)為試驗(yàn)對(duì)象，模型幾何縮尺比選為1:25，以滿足試驗(yàn)阻塞率＜5%的要求，為盡可能真實(shí)模擬氣流的繞流特征，保證了試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛶缀瓮庑紊细叨认嗨疲⒖紤]了轉(zhuǎn)向架、車輪等細(xì)部構(gòu)造，但忽略了車窗、受電弓等細(xì)節(jié)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ途哂凶銐虻膹?qiáng)度和剛度，在試驗(yàn)中不發(fā)生變形且不出現(xiàn)明顯的振動(dòng)以保證測(cè)量精度。列車測(cè)壓模型表面共布置345個(gè)測(cè)壓孔，其中頭車11個(gè)截面布置175個(gè)測(cè)壓孔，由于頭車截面沿列車縱向變化，各截面測(cè)壓孔數(shù)目及位置不一致，在氣流變化劇烈處測(cè)壓孔更為密集，中車共10個(gè)截面布置170個(gè)測(cè)壓孔，各截面測(cè)壓孔數(shù)目和位置基本一致，測(cè)壓孔的布置見圖1。

單位：mm

1.2 測(cè)試儀器與裝置

風(fēng)壓測(cè)量采用美國(guó)Scanivalve公司的DSM3400電子式壓力掃描閥系統(tǒng)，試驗(yàn)共使用6個(gè)模塊，保證列車表面所有測(cè)壓孔可以一次同步測(cè)試，采樣時(shí)長(zhǎng)約30 s，采樣頻率625 Hz。采用高頻動(dòng)態(tài)天平測(cè)試列車中車氣動(dòng)力，用于和測(cè)壓積分結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，測(cè)力試驗(yàn)采樣參數(shù)與測(cè)壓試驗(yàn)完全一致。

測(cè)力試驗(yàn)裝置示意圖見圖2，試驗(yàn)時(shí)將測(cè)力天平底端固定在風(fēng)洞轉(zhuǎn)盤上，上端固定一塊寬30 cm、厚1 cm的木板安裝中車模型，而安裝頭車模型的木板則直接支撐在風(fēng)洞轉(zhuǎn)盤上，二者保持5 mm的間隙以保證頭車和中車不相互干擾。

(a) 立面圖；(b) 1-1剖面圖

1.3 風(fēng)場(chǎng)及試驗(yàn)工況

紊流風(fēng)場(chǎng)中列車周圍的流場(chǎng)不僅與自然風(fēng)有關(guān)，還受列車運(yùn)行速度的影響，但高速列車運(yùn)行速度通常遠(yuǎn)大于自然風(fēng)速，本文研究采用靜止列車進(jìn)行研究，試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)為均勻流(順風(fēng)向紊流度＜0.5%)，文獻(xiàn)[8]研究結(jié)果表明，列車氣動(dòng)力受雷諾數(shù)影響較小，試驗(yàn)風(fēng)速選定為20 m/s。

本文風(fēng)洞試驗(yàn)研究工作包括測(cè)壓、測(cè)力對(duì)比及列車氣動(dòng)力特性測(cè)試兩部分，考慮到測(cè)壓、測(cè)力對(duì)比試驗(yàn)中，列車底部有圖2所示的試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)照片如圖3(a)所示，該狀況下獲得的列車氣動(dòng)力無法真實(shí)反映列車在地面運(yùn)行時(shí)的空氣繞流特性，按照?qǐng)D3(b)所示，將列車直接安裝在風(fēng)洞地板上以模擬地面效應(yīng)對(duì)列車氣動(dòng)特性的影響。試驗(yàn)中，來流沿列車運(yùn)行方向吹向列車鼻尖為0°風(fēng)向角，垂直列車運(yùn)行方向?yàn)?0°風(fēng)向角，以10°為增量進(jìn)行了0°～90°風(fēng)向范圍內(nèi)試驗(yàn)。

1.4 數(shù)值模擬

本文中數(shù)值模擬引入雷諾平均模擬法對(duì)Navier-Stokes方程進(jìn)行簡(jiǎn)化,采用大型流場(chǎng)計(jì)算軟件FLUENT對(duì)列車?yán)@流流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。為了較有效地模擬試驗(yàn)，選用適應(yīng)性良好的Realizable-湍流模型，Enhanced Wall Treatment 壁面函數(shù)。

計(jì)算域尺寸是在已有數(shù)值模擬計(jì)算域選定理論的基礎(chǔ)上結(jié)合實(shí)際風(fēng)洞尺寸確定，長(zhǎng)×寬×高為15 m×3 m×3 m。列車模型幾何尺寸與風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵恢?，模擬時(shí)將實(shí)際列車受電弓等突起均做光滑處理，模型表面各處粗糙度一樣，以較少模型的計(jì)算規(guī)模。列車車底距軌道面0.2 m，由于列車表面復(fù)雜，選用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，為了得到較準(zhǔn)確的數(shù)值模擬結(jié)果，在列車周圍加密網(wǎng)格，由于近壁面處理選用Enhanced Wall Treatment 壁面函數(shù)，列車四周劃分15層三棱柱邊界層網(wǎng)格，底層厚度0.03 mm，增長(zhǎng)率1.2。正式計(jì)算前，選取了2套不同網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，計(jì)算模型總網(wǎng)格數(shù)量在300～400萬范圍，本文研究采用Realizable-湍流模型，列車壁面無量綱高度+在1附近。建立的物理模型如圖4所示。

圖4 90°風(fēng)向角下流場(chǎng)三維分析模型

此次數(shù)值模擬邊界條件按風(fēng)洞實(shí)際給風(fēng)情況確定。入口風(fēng)速已知，由試驗(yàn)風(fēng)速確定，因此入口邊界選用速度入口邊界，即VELOCITY-INLET速度入口。湍流模式為and Epsilon，參數(shù)取默認(rèn)值。出口邊界選用壓力出口，即PRESSURE-OUTLET出口邊界，出口靜壓設(shè)置為參考值0 Pa，湍流設(shè)置與入口湍流設(shè)置一致。列車表面、流場(chǎng)頂面、底面和兩側(cè)壁設(shè)置為無滑移的固體壁面邊界條件。

1.5 數(shù)據(jù)處理

測(cè)點(diǎn)處的風(fēng)壓系數(shù)C定義如下：

式中：P為點(diǎn)處表面風(fēng)壓；0為無窮遠(yuǎn)處試驗(yàn)參考高度處的靜壓；U為無窮遠(yuǎn)處參考點(diǎn)高度處的來流風(fēng)速；為空氣密度，取=1.255 kg/m3。

風(fēng)壓壓力可以反映列車表面局部位置的受風(fēng)狀況，為了解列車整體氣動(dòng)力，可將壓力系數(shù)對(duì)面積積分得到列車整體氣動(dòng)力系數(shù)，如側(cè)力系數(shù)C，升力系數(shù)C和傾覆力矩系數(shù)C，其定義分別如下：

式中：，，分別為模型的高、寬和長(zhǎng)；F，F和M分別為體軸系下模型受到的側(cè)力、升力和傾覆力矩。

2 測(cè)試結(jié)果對(duì)比

2.1 列車氣動(dòng)力測(cè)壓積分與測(cè)力比較

圖5給出了列車中車氣動(dòng)力測(cè)力與測(cè)壓積分結(jié)果對(duì)比。由圖5可見，通過測(cè)壓積分試驗(yàn)獲得的平均氣動(dòng)力系數(shù)和測(cè)力試驗(yàn)結(jié)果隨風(fēng)向角變化規(guī)律一致，數(shù)值差別僅僅在±0.1以內(nèi)，風(fēng)向角小于40°時(shí)，由于列車氣動(dòng)力絕對(duì)值較小，偏差百分比(偏差百分比=(測(cè)壓積分結(jié)果?測(cè)力結(jié)果)/測(cè)力結(jié)果)絕對(duì)值略大外，其余風(fēng)向角下均小于10%。說明只要在列車表面布置合適的測(cè)壓孔，通過測(cè)壓積分試驗(yàn)獲得的試驗(yàn)結(jié)果在精度上是可靠的。

圖5 測(cè)壓積分與測(cè)力氣動(dòng)力測(cè)試結(jié)果對(duì)比

2.2 風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果比較

圖6給出了風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬2種研究方法頭車和中車氣動(dòng)力系數(shù)對(duì)比結(jié)果。從圖6可以看出，隨著風(fēng)向角的增加，頭車側(cè)力系數(shù)和升力系數(shù)先增大后減小，均在60°風(fēng)向角時(shí)達(dá)到最大值，這一規(guī)律與文獻(xiàn)[8]研究結(jié)果一致；中車側(cè)力系數(shù)和升力系數(shù)則都隨風(fēng)向角增加呈遞增趨勢(shì)。大多風(fēng)向角下，頭車側(cè)力系數(shù)較中車大，考慮列車的傾覆穩(wěn)定性，說明頭車的安全性相對(duì)較差，其氣動(dòng)力在60°風(fēng)向角達(dá)到最大值，側(cè)力系數(shù)試驗(yàn)值達(dá)0.59，升力系數(shù)試驗(yàn)值達(dá)0.74；中車的氣動(dòng)力在90°風(fēng)向角時(shí)達(dá)到最大值，側(cè)力系數(shù)試驗(yàn)值達(dá)0.46，升力系數(shù)試驗(yàn)值達(dá)0.76。因此，60°和90°風(fēng)向角下列車的氣動(dòng)特性應(yīng)尤為引起設(shè)計(jì)者的重視。

通過對(duì)圖6進(jìn)一步分析可知，風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬得到的列車氣動(dòng)力系數(shù)隨風(fēng)向角變化規(guī)律基本一致，相對(duì)而言，升力系數(shù)計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合更好，差別在10%范圍內(nèi)，側(cè)力系數(shù)差異略大，其原因可能在于，相較于升力，黏性力在側(cè)力中所占比例更大，而風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)不能測(cè)得這一部分黏性力；當(dāng)風(fēng)向角大于20°時(shí)，頭車升力系數(shù)偏差最大為0.05，中車為0.11，而頭車側(cè)力系數(shù)偏差最大為0.15，中車為0.11，而風(fēng)向角小于20°時(shí)，由于氣動(dòng)力系數(shù)絕對(duì)值接近0，得到的偏差比較意義不大。表1分別給出了頭車60°風(fēng)向角和中車90°風(fēng)向角氣動(dòng)力系數(shù)差異百分比，也可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于如前文所述，較不利的2個(gè)風(fēng)向角，側(cè)力系數(shù)差異百分比大于升力系數(shù)?？偟膩碚f，數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果基本一致，證明本文建立的數(shù)值模型是可靠的，基于該模型得到的列車?yán)@流場(chǎng)分析結(jié)果也是可信的。

表1 風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值模擬氣動(dòng)力最大值對(duì)比

差別百分比=|(風(fēng)洞試驗(yàn)值?數(shù)值模擬值)/數(shù)值模擬值|

3 風(fēng)向角對(duì)列車氣動(dòng)特性影響分析

3.1 風(fēng)壓分布

氣動(dòng)力反映列車整體受力情況，風(fēng)壓系數(shù)反映列車表面局部受力情況，結(jié)果更為微觀，因此分析列車表面的風(fēng)壓分布可以從微觀角度窺探風(fēng)向角對(duì)列車氣動(dòng)特性影響。鑒于頭車和中車的測(cè)壓孔分布特征，本文以中車為例分析風(fēng)向角對(duì)列車表面風(fēng)壓分布的影響，并將風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。圖7給出典型風(fēng)向角下中車各斷面測(cè)壓孔平均風(fēng)壓系數(shù)，除靠近列車端部截面21風(fēng)壓略微有差別外，其他各截面的風(fēng)壓基本一致，說明風(fēng)壓沿列車中車縱向分布穩(wěn)定。

根據(jù)列車風(fēng)壓分布特征，將列車表面繞流分為迎風(fēng)區(qū)、尾流區(qū)、分離區(qū)和車底4個(gè)區(qū)域，除迎風(fēng)區(qū)出現(xiàn)正壓外，其他區(qū)域皆為負(fù)壓，相對(duì)而言迎風(fēng)區(qū)和分離區(qū)風(fēng)壓絕對(duì)值較大，尾流區(qū)和車底風(fēng)壓絕對(duì)值較??；各區(qū)域風(fēng)壓絕對(duì)值隨著風(fēng)向角的增大而增大，且以分離區(qū)最小負(fù)壓尤為顯著，從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，車身截面接近規(guī)則鈍體，氣流分離點(diǎn)比較固定。

(a) 0°風(fēng)向角(風(fēng)洞試驗(yàn))；(b) 40°風(fēng)向角(風(fēng)洞試驗(yàn))；(c) 90°風(fēng)向角(風(fēng)洞試驗(yàn))；(d) 0°風(fēng)向角(數(shù)值模擬)；(e) 40°風(fēng)向角(數(shù)值模擬)；(f) 90°風(fēng)向角(數(shù)值模擬)

對(duì)比風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果，可以得出，相同風(fēng)向角下兩者風(fēng)壓分布規(guī)律基本一致，但各區(qū)域數(shù)值模擬結(jié)果較試驗(yàn)結(jié)果均略大，以迎風(fēng)區(qū)和分離區(qū)差別較為突出，迎風(fēng)區(qū)數(shù)值模擬結(jié)果正壓大于0.5接近0.8，風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果中迎風(fēng)區(qū)正壓基本小于0.5；分離區(qū)內(nèi)10號(hào)測(cè)點(diǎn)正好位于列車迎風(fēng)前緣與頂面弧形轉(zhuǎn)角處，風(fēng)壓差異比較明顯，數(shù)值模擬極負(fù)壓值約為?4.0，而試驗(yàn)值約為?2.5。造成以上差異的原因可能有以下2點(diǎn)：一方面是數(shù)值模擬中計(jì)入了黏性力，且數(shù)值計(jì)算與風(fēng)洞試驗(yàn)實(shí)際來流情況略有差異，另一方面，不同風(fēng)向角工況下中車分離區(qū)內(nèi)分流點(diǎn)固定，分離點(diǎn)附近區(qū)域風(fēng)壓波動(dòng)較大，10號(hào)測(cè)點(diǎn)在該區(qū)域范圍，因此試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果差異比較明顯。

圖8給出典型風(fēng)向角下整車外表面壓力分布情況。從圖8可知，由于車頭導(dǎo)流作用受風(fēng)向角變化影響較大，不同風(fēng)向角下列車表面壓力分布規(guī)律不同，0°風(fēng)向角時(shí)，除車頭頂點(diǎn)附近很小一部分出現(xiàn)較大正壓外，其他位置的壓力接近0，由于此時(shí)來流跟列車縱向一致，列車壓力關(guān)于列車的縱向中心面對(duì)稱分布；風(fēng)向角大于0°時(shí)，列車的迎風(fēng)側(cè)出現(xiàn)正壓區(qū)，且隨著風(fēng)向角的增大，正壓逐漸增大，而列車的背風(fēng)面壓力則始終表現(xiàn)為負(fù)壓，以靠近車頭一側(cè)附近區(qū)域尤為顯著，并隨著風(fēng)向角的增大，這部分區(qū)域沿列車縱向逐漸向后擴(kuò)大，列車頂面和底面都表現(xiàn)為負(fù)壓，但頂面的負(fù)壓絕對(duì)值明顯大于底面，而且風(fēng)向角越大這種現(xiàn)象越明顯；不同風(fēng)向角下，除車頭位置外，列車迎風(fēng)面頂部分流點(diǎn)固定，氣流分流后在列車頂部及背風(fēng)面形成負(fù)壓區(qū)，分離點(diǎn)附近區(qū)域風(fēng)壓波動(dòng)較大且最小值發(fā)生在該區(qū)域?？傮w而言，頭車處在導(dǎo)流作用影響段，風(fēng)壓分布較中車復(fù)雜。

(a) 0°風(fēng)向角(迎風(fēng)面)；(b) 40°風(fēng)向角(迎風(fēng)面)；(c) 60°風(fēng)向角(迎風(fēng)面)；(d) 90°風(fēng)向角(迎風(fēng)面)；(f) 0°風(fēng)向角(背風(fēng)面)；(g) 40°風(fēng)向角(背風(fēng)面)；(h) 60°風(fēng)向角(背風(fēng)面)；(i) 90°風(fēng)向角(背風(fēng)面)

3.2 流場(chǎng)分布

為分析列車不同風(fēng)向角下列車?yán)@流特性，圖9給出0.5(為列車高度)高度處的速度分布云圖。來流在快速流動(dòng)過程中，因受到結(jié)構(gòu)物的阻擋后速度發(fā)生復(fù)雜變化，CRH2型列車車頭呈流線型，其導(dǎo)流作用明顯，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)沿列車長(zhǎng)度方向可分為因車頭導(dǎo)流作用風(fēng)速漸變的導(dǎo)流段和風(fēng)速分布基本一致的穩(wěn)定段，導(dǎo)流區(qū)段內(nèi)由于車身的阻擋與車頭的導(dǎo)流共同作用導(dǎo)致沿縱向流場(chǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

由圖9可知，流段長(zhǎng)度隨風(fēng)向角的增大而減少，當(dāng)風(fēng)向角小于60°時(shí)，頭車整體處在導(dǎo)流區(qū)段且中車大部分區(qū)域處于導(dǎo)流區(qū)段，風(fēng)向角大于60°后，列車車頭導(dǎo)流段不明顯，90°風(fēng)向角下氣流繞過列車幾乎呈對(duì)稱分布，與小于60°風(fēng)向角工況繞流流場(chǎng)差異顯著。綜合可知，風(fēng)向角小于60°時(shí)，CRH2型列車?yán)@流流場(chǎng)在頭車附近主要呈流線型結(jié)構(gòu)繞流形式，而風(fēng)向角大于60°后，列車?yán)@流流場(chǎng)主要表現(xiàn)為鈍體繞流特性，這可能是導(dǎo)致CRH2型列車頭車和中車壓力分布差異及氣動(dòng)力隨風(fēng)向角變化的分布規(guī)律不同的主要原因。

(a) 風(fēng)向角0°；(b) 風(fēng)向角30°；(c) 風(fēng)向角50°；(d) 風(fēng)向角60°；(e) 風(fēng)向角70°；(f) 風(fēng)向角90°

4 結(jié)論

1) 測(cè)壓試驗(yàn)可獲得與天平測(cè)力精度相當(dāng)?shù)亩ǔ鈩?dòng)力，證明了測(cè)壓積分測(cè)試列車氣動(dòng)力的可靠性，為測(cè)試列車氣動(dòng)力提供了一條新的手段和思路。數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果基本一致，證明了本文建立的數(shù)值模型的可靠性。

2) 頭車和中車表面風(fēng)壓分布差異顯著，車頭導(dǎo)流作用隨風(fēng)向角差異很大。頭車處在導(dǎo)流作用影響段，風(fēng)壓分布較中車復(fù)雜；不同風(fēng)向角下，除車頭位置，列車迎風(fēng)面頂部分流點(diǎn)固定，氣流分離后在列車頂部及背風(fēng)面形成負(fù)壓區(qū)，分離點(diǎn)附近區(qū)域風(fēng)壓波動(dòng)較大且最大負(fù)壓值發(fā)生在該區(qū)域。

3) 隨風(fēng)向角的增大，頭車側(cè)力系數(shù)和升力系數(shù)先增大后減小，在風(fēng)向角為60°左右達(dá)到最大值；中車側(cè)力系數(shù)和升力系數(shù)一直增大；風(fēng)向角小于80°各工況，頭車側(cè)力系數(shù)遠(yuǎn)大于中車，研究時(shí)頭車的安全性應(yīng)特別引起注意。

4) 不同風(fēng)向角下，列車?yán)@流場(chǎng)具有三維特性，小于60°風(fēng)向角各工況下，列車?yán)@流流場(chǎng)在頭車附近主要呈流線型結(jié)構(gòu)繞流形式，而大于60°風(fēng)向角各工況，列車?yán)@流流場(chǎng)主要表現(xiàn)為鈍體繞流特性。

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Numerical simulation on the influence of wind direction angle on CRH2 train aerodynamic characteristics

HE Xuhui1, 2, ZUO Taihui1, 2, ZOU Yunfeng1, 2, LAI Huirui3, XIAO Fei4

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction, Changsha 410075, China;3. Housing and Urban-rural Construction Bureau of Wuhan Economic and Technological Development Zone (Hannan District),Wuhan 430056, China;4. Engineering Quality Supervision Station of China Railway Guangzhou Bureau Group Co., Ltd.,Guangzhou 510030, China,)

The flow structure of a streamlined train changes with wind angles, and the aerodynamic characteristics of train are greatly affected. Pressure tests were carried out in wind tunnel to analyze the surface wind pressure and aerodynamic characteristics of CRH2 train model, and the results were compared with the force measurement results. The results show that the numerical simulation were at good agreement with the wind tunnel test results, and it can be used to analyze the influence of the wind direction angle on the aerodynamic characteristics of the train. The distribution of wind pressure and the change law of aerodynamic force of head car and the middle car were significantly different. The side force coefficient and lift coefficient of the head car increase at first and then decrease as the increase of wind direction angle, and it reaches maximum when wind direction angle is 60°, while the distribution of wind pressure and the change law of aerodynamic force of the middle car increase all the time. It shows that the flow field features three-dimensional spatial characteristics, the wind pressure coefficients and aerodynamic force coefficients of the first and the second vehicle appear different change rules with different wind exposures; the flow field around the train was form of streamline structure around angle of wind less than 60°, a transition from streamline to bluff body behavior occured when angle of wind more than 60°.

CRH2; wind angle; wind tunnel test; numerical simulation; aerodynamic characteristic

U271.91

A

1672 ? 7029(2021)02 ? 0277 ? 10

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200452

2020?05?27

國(guó)家自然科學(xué)基金“杰青”資助項(xiàng)目(51925808)；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2017YFB1201204子課題)

鄒云峰(1984?)，男，湖南邵陽(yáng)人，副教授，博士，從事橋梁風(fēng)致振動(dòng)與高速鐵路風(fēng)車橋耦合振動(dòng)研究；E?mail：yunfengzou@csu.edu.cn

(編輯 蔣學(xué)東)