擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)對(duì)高速列車氣動(dòng)性能的影響

何德華, 陳厚嫦, 于衛(wèi)東, 曾宇清

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

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擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)對(duì)高速列車氣動(dòng)性能的影響

何德華, 陳厚嫦, 于衛(wèi)東, 曾宇清

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

高速鐵路擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)能夠有效改善大風(fēng)條件下高速列車的氣動(dòng)性能，不同線路條件下的擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)對(duì)列車氣動(dòng)性能的影響也不同。針對(duì)CRH2型車3輛編組外形1∶1模型，采用數(shù)值計(jì)算方法分析了在路堤和橋梁兩種線路條件下?lián)躏L(fēng)墻結(jié)構(gòu)對(duì)列車氣動(dòng)性能的影響，為保證計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，通過風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)計(jì)算方法和網(wǎng)格離散進(jìn)行了驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：對(duì)于路堤運(yùn)行條件，安裝擋風(fēng)墻后，列車周圍流場(chǎng)的復(fù)雜度增加，車體表面多為負(fù)壓，顯著減小車體兩側(cè)的壓差，能夠有效改善列車的氣動(dòng)性能；對(duì)于橋梁運(yùn)行條件，開孔式擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)能夠起到明顯降壓作用，從而減弱橫風(fēng)對(duì)列車迎風(fēng)側(cè)的直接沖擊，改善列車的氣動(dòng)性能。計(jì)算結(jié)果在后期試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證，為蘭新二線大風(fēng)試驗(yàn)方案的制定和順利開行提供了科學(xué)支撐。

擋風(fēng)墻; 氣動(dòng)性能; 數(shù)值計(jì)算; 高速列車

惡劣的風(fēng)環(huán)境容易導(dǎo)致列車的脫軌和傾覆，嚴(yán)重影響到列車的運(yùn)行安全性和穩(wěn)定性，橫風(fēng)環(huán)境下的列車運(yùn)行安全性分析成為高速列車空氣動(dòng)力學(xué)的重要研究方向之一[1-3]。列車運(yùn)行速度越高，大風(fēng)對(duì)列車氣動(dòng)性能的影響也越顯著，為減弱大風(fēng)環(huán)境對(duì)列車氣動(dòng)性能的影響，在鐵路沿線建造擋風(fēng)墻成為最為有效的防風(fēng)措施[4-5]。對(duì)于不同的線路環(huán)境，擋風(fēng)墻的結(jié)構(gòu)往往不同，常見的擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)主要有：土堤式、直插式、對(duì)拉式、柱板式、橋式等[6]，不同類型的擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)，其防風(fēng)效果也不相同。

目前，已有很多關(guān)于擋風(fēng)墻對(duì)列車周圍流場(chǎng)影響規(guī)律的研究成果，葉坤等[5]采用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)擋風(fēng)墻的高度和距離進(jìn)行了優(yōu)化分析，得到了不同風(fēng)速條件下最佳的擋風(fēng)墻高度和距離；張潔等[7]對(duì)蘭新鐵路土堤式擋風(fēng)墻進(jìn)行了階梯式設(shè)計(jì)，并對(duì)橋梁上透風(fēng)式擋風(fēng)墻高度進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；周丹等[8]通過數(shù)值計(jì)算、風(fēng)洞試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法研究了擋風(fēng)墻的防風(fēng)沙效果。這些研究成果為擋風(fēng)墻的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

新建蘭新鐵路第二雙線正線全長(zhǎng)1 776 km，線路通過甘肅境內(nèi)安西風(fēng)區(qū)和新疆境內(nèi)的煙墩風(fēng)區(qū)、百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)、達(dá)坂城風(fēng)區(qū)五大風(fēng)區(qū)，全線大風(fēng)區(qū)線路的長(zhǎng)度合計(jì)579.599 km，占線路總長(zhǎng)的32.6%，風(fēng)區(qū)瞬時(shí)最大風(fēng)速可達(dá)60 m/s。蘭新鐵路第二雙線大風(fēng)區(qū)以極端天氣下可以停輪，一般情況下少限速、少停車為運(yùn)營(yíng)目標(biāo)，進(jìn)行防風(fēng)工程設(shè)計(jì)，共設(shè)置防風(fēng)工程404.682 km，防風(fēng)結(jié)構(gòu)包括路基擋風(fēng)墻、橋梁擋風(fēng)屏和防風(fēng)明洞。

新設(shè)計(jì)防風(fēng)工程后，動(dòng)車組列車遇大風(fēng)行車限速的現(xiàn)有技術(shù)規(guī)定是否適用有待進(jìn)一步研究和探索，包括各種擋風(fēng)結(jié)構(gòu)下，臨界風(fēng)速是否可以提高，提高多少亟待確定，從而為蘭新線大風(fēng)試驗(yàn)方案的制定和行車安全提供支撐和保障。鑒于此，本文在葉坤、張潔和周丹等人研究成果的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值計(jì)算方法系統(tǒng)的研究了在蘭新二線的路堤和橋梁上建造的不同類型的擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)對(duì)高速列車氣動(dòng)性能的影響，分析不同運(yùn)行速度和橫風(fēng)速度下?lián)躏L(fēng)墻結(jié)構(gòu)的防風(fēng)效果，為大風(fēng)區(qū)域不同橫風(fēng)速度下的高速列車限速指標(biāo)的確定和大風(fēng)試驗(yàn)開行方案的制定提供參考，并在后期試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。

1 數(shù)值計(jì)算方法

1.1 幾何外形

采用的高速列車外形為3輛編組真實(shí)幾何外形，忽略了受電弓、車頂空調(diào)導(dǎo)流罩等附屬部件，列車運(yùn)行線路包括路堤和橋梁兩種形式，路堤擋風(fēng)墻為豎墻式結(jié)構(gòu)，擋風(fēng)墻安裝在路堤的迎風(fēng)側(cè)，路堤高度為蘭新第2雙線最高的10.89 m，擋風(fēng)墻高度為4 m，距線路中心為5.7 m，橋梁擋風(fēng)屏結(jié)構(gòu)為開孔式弧形結(jié)構(gòu)，在橋梁兩側(cè)同時(shí)安裝擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)，橋梁高度為40.9 m，擋風(fēng)屏高度為3.5 m，并有開孔，上方2.0 m開孔率是20%，下方1.5 m開孔率是10%，幾何外形如圖1所示。

圖1 幾何外形

1.2 計(jì)算方法

穿越五大風(fēng)區(qū)的蘭新二線設(shè)計(jì)速度為300 km/h，實(shí)際運(yùn)營(yíng)速度為250 km/h，本文分析的列車最高運(yùn)行速度為275 km/h，橫風(fēng)速度最高為40 m/s，考慮到大氣邊界層效應(yīng)，橫風(fēng)按指數(shù)風(fēng)方式進(jìn)行計(jì)算，其合速度的馬赫數(shù)約為0.253 5，空氣的壓縮效應(yīng)對(duì)列車氣動(dòng)力的影響不大。因此，本文采用不可壓縮計(jì)算方法，流場(chǎng)求解采用SIMPLE算法，湍流模型采用k-wSST模型[9]，為控制物面處的邊界層網(wǎng)格數(shù)量并保證流場(chǎng)計(jì)算精度，在壁面處使用了標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

邊界條件：入口為速度入口邊界，出口為壓力出口邊界，車體、地面、路基和擋風(fēng)墻為無(wú)滑移固壁邊界，為考慮地面效應(yīng)對(duì)列車氣動(dòng)性能的影響，將地面、路基和擋風(fēng)墻設(shè)置為移動(dòng)地面，移動(dòng)速度與列車運(yùn)行速度大小相同，方向相反。

1.3 網(wǎng)格劃分

以列車長(zhǎng)度L為特征長(zhǎng)度，路堤運(yùn)行工況和橋梁運(yùn)行工況的計(jì)算區(qū)域如圖2所示。為更加準(zhǔn)確的模擬列車背風(fēng)側(cè)的大渦結(jié)構(gòu)，背風(fēng)側(cè)計(jì)算區(qū)域的寬度為3L，迎風(fēng)側(cè)的寬度為1.5L，列車前端計(jì)算區(qū)域的長(zhǎng)度為1.5L，后端計(jì)算區(qū)域的長(zhǎng)度為2.5L，由于橋梁比路堤高30 m，所以橋梁計(jì)算區(qū)域比路堤計(jì)算區(qū)域的高出0.5L。

圖2 計(jì)算區(qū)域

本文采用正交六面體網(wǎng)格離散空間區(qū)域，在列車附近對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密，最小網(wǎng)格尺寸為6 cm，在車體表面布置邊界層網(wǎng)格，由于使用了壁面函數(shù)方法，第一層邊界層網(wǎng)格的厚度保證y+的值在30～100之間，對(duì)于路堤運(yùn)行工況，總網(wǎng)格量為3.78×108個(gè)，對(duì)于橋梁運(yùn)行工況，總網(wǎng)格量為5.777×108個(gè)，圖3給出了空間剖面網(wǎng)格的分布。

圖3 計(jì)算網(wǎng)格

1.4 算法驗(yàn)證

本文通過某型高速列車的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證網(wǎng)格布置的合理性及數(shù)值計(jì)算方法的正確性。風(fēng)洞試驗(yàn)的來(lái)流速度為60 m/s，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑?∶8縮比模型，無(wú)側(cè)偏角。表1給出了CFD(計(jì)算流體力學(xué))計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)以整車氣動(dòng)阻力系數(shù)為基礎(chǔ)作了單位化處理，可以看出，中間車的氣動(dòng)阻力系數(shù)最小，計(jì)算誤差最大，為6.37%，其他兩節(jié)車廂頭車的計(jì)算誤差都在3%以內(nèi)，對(duì)于工程設(shè)計(jì)，通常要求的計(jì)算誤差為10%以內(nèi)，因此，各節(jié)車氣動(dòng)力系數(shù)的計(jì)算誤差均在可接受的范圍內(nèi)，表明本文的網(wǎng)格布置及計(jì)算方法合理可行。

表1 風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與CFD計(jì)算結(jié)果

2 結(jié)果與分析

2.1 路堤擋風(fēng)墻對(duì)列車氣動(dòng)性能的影響

合理的擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)能夠有效的改善列車的氣動(dòng)性能，對(duì)于本文采用的豎墻式擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)，為驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)是否合理，本文將對(duì)列車運(yùn)行速度為200 km/h，橫風(fēng)速度為25 m/s的工況進(jìn)行有、無(wú)擋風(fēng)墻時(shí)列車氣動(dòng)性能的分析。

列車運(yùn)行環(huán)境為路堤運(yùn)行，擋風(fēng)墻安裝在列車的迎風(fēng)側(cè)。表2給出了有、無(wú)擋風(fēng)墻時(shí)對(duì)列車運(yùn)行安全性最為顯著的3個(gè)氣動(dòng)力指標(biāo)的值，可以看出：安裝擋風(fēng)墻之后，頭車的氣動(dòng)升力Fl和氣動(dòng)側(cè)向力Fs顯著減小，氣動(dòng)傾覆力矩Mx的方向發(fā)生了變化，但絕對(duì)值減??；中間車和尾車的氣動(dòng)升力變?yōu)樨?fù)值，即由抬升力變?yōu)橄聣毫?，中間車氣動(dòng)傾覆力矩的絕對(duì)值增大了119%，尾車的氣動(dòng)傾覆力矩的絕對(duì)值增大了250%，但兩者的絕對(duì)值都很小，對(duì)列車運(yùn)行安全性的影響不大。由此可見，在相同的橫風(fēng)環(huán)境下，本文采用的豎墻式擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)能夠改善列車的氣動(dòng)性能，提升列車運(yùn)行的安全性。

表2 有、無(wú)擋風(fēng)墻時(shí)的列車氣動(dòng)力

為進(jìn)一步分析擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)對(duì)列車周圍流場(chǎng)的影響，圖4給出了有、無(wú)擋風(fēng)墻時(shí)列車不同位置橫截面的速度云圖，從圖中可以看出：無(wú)擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)時(shí)，橫風(fēng)以來(lái)流速度直接吹向車體，在背風(fēng)側(cè)形成強(qiáng)度較大的漩渦，在迎風(fēng)側(cè)不存在漩渦，車體迎風(fēng)側(cè)表現(xiàn)出顯著的高壓區(qū)，背風(fēng)側(cè)表現(xiàn)出顯著的低壓區(qū)，致使列車所受的側(cè)向力明顯偏大；有擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)時(shí)，列車周圍的流場(chǎng)變的非常復(fù)雜，氣流繞過擋風(fēng)墻之后，在擋風(fēng)墻與車體之間形成了強(qiáng)度較大的漩渦，致使迎風(fēng)側(cè)車體表面也表現(xiàn)出負(fù)壓區(qū)，在車體背風(fēng)側(cè)也形成了大渦結(jié)構(gòu)，兩側(cè)漩渦對(duì)車體的共同作用，導(dǎo)致列車兩側(cè)的壓力差比無(wú)擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)時(shí)小，有效減小了列車所受的氣動(dòng)側(cè)向力；由于旋渦V的作用，導(dǎo)致車體右上部出現(xiàn)強(qiáng)度較大的高壓區(qū)，該高壓區(qū)的出現(xiàn)顯著增大了列車所受的氣動(dòng)傾覆力矩，減小該高壓區(qū)影響的一個(gè)有效方法是增大擋風(fēng)墻的高度，使旋渦向車體頂部移動(dòng)。

圖4 有、無(wú)擋風(fēng)墻時(shí)列車不同位置橫截面的速度云圖

圖5給出了列車運(yùn)行速度為250 km/h時(shí)路堤擋風(fēng)墻線路條件下列車氣動(dòng)力隨橫風(fēng)速度的變化曲線，可以看出：不同的橫風(fēng)條件下，頭車的氣動(dòng)阻力都明顯小于中間車和尾車的氣動(dòng)阻力，隨著橫風(fēng)速度的增大，頭車和中間車的氣動(dòng)阻力逐漸增加，尾車的氣動(dòng)阻力先增大后減小，當(dāng)橫風(fēng)速度達(dá)到35 m/s時(shí)，中間車和尾車的氣動(dòng)阻力基本一致，當(dāng)橫風(fēng)速度達(dá)到40 m/s時(shí)，中間車的氣動(dòng)阻力比尾車的氣動(dòng)阻力增大了約12 kN，此時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮中間車氣動(dòng)阻力對(duì)整車氣動(dòng)阻力的影響；與中間車和尾車相比，頭車的氣動(dòng)升力的很小，但其值為正值，最大值出現(xiàn)在橫風(fēng)速度為30 m/s時(shí)，其值為31 kN，而中間車和尾車氣動(dòng)升力在不同的橫風(fēng)速度下均表現(xiàn)為下壓力，對(duì)列車運(yùn)行安全性的影響不大；隨著橫風(fēng)速度的增大，頭車氣動(dòng)側(cè)向力逐漸減小，尾車氣動(dòng)側(cè)向力逐漸增大，中間車氣動(dòng)側(cè)向力的變化沒有規(guī)律性，在橫風(fēng)速度較低時(shí)，應(yīng)關(guān)心頭車的氣動(dòng)側(cè)向力，當(dāng)橫風(fēng)速度很大時(shí)，應(yīng)主要考慮中間車和尾車的氣動(dòng)側(cè)向力； 3節(jié)車廂的氣動(dòng)傾覆力矩變化與橫風(fēng)速度的變化沒有明顯的規(guī)律性，當(dāng)橫風(fēng)速度達(dá)到40 m/s時(shí)，尾車氣動(dòng)傾覆力矩的絕對(duì)值最大，達(dá)到了26 kN·m，當(dāng)橫風(fēng)速度由20 m/s增大到40 m/s時(shí)，頭車和尾車氣動(dòng)傾覆力矩的方向均發(fā)生了變化，這主要是由車體兩側(cè)及頂部渦結(jié)構(gòu)的變化引起的，通過改變擋風(fēng)墻的高度和擋風(fēng)墻與列車之間的距離，能夠有效的改善擋風(fēng)墻對(duì)列車氣動(dòng)性能的影響。

圖6給出了橫風(fēng)速度為30 m/s時(shí)路堤擋風(fēng)墻線路條件下列車氣動(dòng)力隨運(yùn)行速度的變化曲線，可以看出：運(yùn)行速度的增大對(duì)頭車氣動(dòng)阻力的影響不大，這與明線無(wú)擋風(fēng)墻、無(wú)橫風(fēng)條件時(shí)氣動(dòng)阻力與列車運(yùn)行速度成正比的結(jié)論明顯不同，可見，大風(fēng)條件下，擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)會(huì)顯著改變列車的氣動(dòng)性能；中間車和尾車氣動(dòng)阻力隨列車運(yùn)行速度的增大而逐漸增大，當(dāng)運(yùn)行速度達(dá)到200 km/h以上時(shí)，運(yùn)行速度的增大對(duì)中間車的氣動(dòng)阻力影響不大。隨著列車運(yùn)行速度的增大，頭車氣動(dòng)升力有逐漸增大的趨勢(shì)，尾車氣動(dòng)升力的絕對(duì)值逐漸增大，當(dāng)運(yùn)行速度小于250 km/h時(shí)，中間車氣動(dòng)升力的絕對(duì)值逐漸增大，當(dāng)運(yùn)行速度為275 km/h時(shí)，中間車氣動(dòng)升力的絕對(duì)值減小，此時(shí)，尾車氣動(dòng)升力的絕對(duì)值增大的幅度增加。當(dāng)列車運(yùn)行速度小于200 km/h時(shí)，頭車的氣動(dòng)側(cè)向力為負(fù)值，而當(dāng)運(yùn)行速度大于200 km/h時(shí)，頭車的氣動(dòng)側(cè)向力迅速增大，當(dāng)運(yùn)行速度達(dá)到275 km/h時(shí)，頭車氣動(dòng)側(cè)向力的值接近50 kN，嚴(yán)重影響到列車運(yùn)行的安全性；中間車和尾車氣動(dòng)側(cè)向力的變化與列車運(yùn)行速度沒有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，但中間車氣動(dòng)側(cè)向力的變化與尾車氣動(dòng)側(cè)向力的變化趨勢(shì)相反，即中間車氣動(dòng)側(cè)向力增大，尾車氣動(dòng)側(cè)向力就會(huì)減小。當(dāng)列車運(yùn)行速度小于250 km/h時(shí)，頭、中、尾車的氣動(dòng)傾覆力矩都很小，當(dāng)運(yùn)行速度為275 km/h，3節(jié)車廂氣動(dòng)傾覆力矩的絕對(duì)值都顯著增大，頭車氣動(dòng)傾覆力矩的方向與其他兩節(jié)車廂氣動(dòng)傾覆力矩的方向相反。

圖5 路堤擋風(fēng)墻線路條件下列車氣動(dòng)力隨橫風(fēng)速度的變化曲線(運(yùn)行速度為250 km/h)

圖6 路堤擋風(fēng)墻線路條件下列車氣動(dòng)力隨運(yùn)行速度的變化曲線(橫風(fēng)速度為30 m/s)

通過上面的分析可見：在大風(fēng)環(huán)境下，擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)對(duì)車體所受氣動(dòng)力的影響很大，當(dāng)運(yùn)行速度達(dá)到某個(gè)限制時(shí)，列車的氣動(dòng)性能會(huì)顯著惡化，因此，即使安裝了擋風(fēng)墻，高速列車在大風(fēng)環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，仍然需要考慮環(huán)境風(fēng)速和運(yùn)行速度對(duì)列車運(yùn)行安全性和平穩(wěn)性的影響。

2.2 橋梁擋風(fēng)墻對(duì)列車氣動(dòng)性能的影響

本文計(jì)算的橋梁高度達(dá)到了40 m，高速列車相當(dāng)于懸在空中高速運(yùn)行，當(dāng)不存在擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)時(shí)，大風(fēng)將嚴(yán)重影響到列車運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，為減少大風(fēng)引起的列車事故，許多大風(fēng)區(qū)域國(guó)家采用的防風(fēng)措施多為在橋梁上安裝擋風(fēng)墻[10-11]。在大風(fēng)條件下，與開孔式擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)相比，無(wú)孔式擋風(fēng)墻不僅質(zhì)量增大，而且每單位長(zhǎng)度受到的氣動(dòng)力明顯偏大，當(dāng)橋梁距離很大時(shí)，將顯著增大橋梁整體的載荷，降低橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[4]。因此，新建高速鐵路的高架橋上多安裝開孔式擋風(fēng)墻，本文研究的橋梁擋風(fēng)墻為開孔式擋風(fēng)墻，擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)見圖1(c)。

圖7給出了橋梁擋風(fēng)墻線路條件下不同位置截面的壓力云圖，可以看出：在迎風(fēng)側(cè)，擋風(fēng)墻具有很好的減壓效果，車體迎風(fēng)側(cè)的高壓區(qū)消失，背風(fēng)側(cè)的渦結(jié)構(gòu)V2上移，導(dǎo)致車體背風(fēng)側(cè)的低壓區(qū)強(qiáng)度減弱，從而使車體兩側(cè)的壓差大幅減小，有利于減小車體所受的氣動(dòng)側(cè)向力和氣動(dòng)傾覆力矩；車體頂部的旋渦V1和V2沿列車長(zhǎng)度方向發(fā)展，渦核尺度逐漸增大，且向背風(fēng)側(cè)偏移，在x=15 m的位置，V2偏移至背風(fēng)側(cè)擋風(fēng)墻處，致使此區(qū)域擋風(fēng)墻內(nèi)的壓力小于擋風(fēng)墻外的壓力，即此處的擋風(fēng)墻受到指向迎風(fēng)側(cè)的推力。

圖7 橋梁擋風(fēng)墻線路條件下不同位置截面的壓力云圖

圖8給出了列車運(yùn)行速度為250 km/h時(shí)橋梁擋風(fēng)墻線路條件下列車氣動(dòng)力隨橫風(fēng)速度的變化曲線，從圖中可以看出：尾車的氣動(dòng)阻力明顯大于頭車和中間車的氣動(dòng)阻力，隨著橫風(fēng)速度的增大，頭車氣動(dòng)阻力先增大后減小，中間車氣動(dòng)阻力先減小后增大，尾車氣動(dòng)阻力逐漸增大，頭車和中間車的氣動(dòng)升力逐漸增大，尾車氣動(dòng)升力逐漸減小，與橫風(fēng)速度為20 m/s時(shí)相比，當(dāng)橫風(fēng)速度達(dá)到40 m/s時(shí)，頭車的氣動(dòng)升力增大了約22 kN，中間車的氣動(dòng)升力由負(fù)值變?yōu)檎?，尾車的氣?dòng)升力由正值變?yōu)樨?fù)值；從氣動(dòng)側(cè)向力來(lái)看，隨著橫風(fēng)速度的增大，頭車的氣動(dòng)側(cè)向力逐漸減小，中間車和尾車的變化趨勢(shì)相反，中間車的氣動(dòng)側(cè)向力先增大后減小，尾車的氣動(dòng)側(cè)向力先減小后增大，當(dāng)橫風(fēng)速度由20 m/s增大到40 m/s時(shí)，頭車的氣動(dòng)側(cè)向力方向由指向背風(fēng)側(cè)轉(zhuǎn)為指向迎風(fēng)側(cè)，這主要是由于在擋風(fēng)墻的干擾下，列車迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)渦結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度發(fā)生了變化，導(dǎo)致車體兩側(cè)壓差的符號(hào)發(fā)生了變化；與頭車氣動(dòng)傾覆力矩的絕對(duì)值相比，中間車和尾車的氣動(dòng)傾覆力矩的值很小，橫風(fēng)速度的增大對(duì)兩者的影響也比較小，隨著橫風(fēng)速度的增大，頭車氣動(dòng)傾覆力矩的絕對(duì)值先增大后減小，當(dāng)橫風(fēng)速度達(dá)到40 m/s時(shí)，其值比橫風(fēng)速度為20 m/s時(shí)的值減小了75%。由此可見，橫風(fēng)速度的變化對(duì)頭車氣動(dòng)性能的影響最大，在進(jìn)行橋梁擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮擋風(fēng)墻對(duì)頭車氣動(dòng)性能的影響。

圖9給出了當(dāng)橫風(fēng)速度為25 m/s時(shí)橋梁擋風(fēng)墻線路條件下列車氣動(dòng)力隨運(yùn)行速度的變化曲線，可以看出：隨著列車運(yùn)行速度的增大，3節(jié)車廂的氣動(dòng)阻力均逐漸增大，其中，頭、尾車氣動(dòng)阻力與列車運(yùn)行速度呈正比例關(guān)系，這與明線無(wú)橫風(fēng)、無(wú)擋風(fēng)墻時(shí)列車氣動(dòng)阻力與運(yùn)行速度的呈正比的結(jié)論一致，可見，透風(fēng)式擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)能夠有效減弱橫風(fēng)對(duì)列車氣動(dòng)性能的影響；隨著列車運(yùn)行速度的增大，頭車的氣動(dòng)升力逐漸減小，中間車和尾車氣動(dòng)升力的變化趨勢(shì)相反，中間車氣動(dòng)升力先增大后減小，尾車氣動(dòng)升力先減小后增大，兩者的拐點(diǎn)都在160 km/h處，當(dāng)運(yùn)行速度為275 km/h時(shí)，尾車的氣動(dòng)升力變?yōu)檎?；頭車的氣動(dòng)側(cè)向力隨著運(yùn)行速度的增大而增大，中間車和尾車的氣動(dòng)側(cè)向力與列車運(yùn)行速度的關(guān)系不大；運(yùn)行速度為160 km/h時(shí)，頭車氣動(dòng)傾覆力矩的值變?yōu)樨?fù)值，隨著運(yùn)行速度的繼續(xù)增大，頭車氣動(dòng)傾覆力矩的絕對(duì)值逐漸增大，當(dāng)運(yùn)行速度達(dá)到275 km/h時(shí)，該值為7.3 kN·m，中間車和尾車的氣動(dòng)傾覆力矩的值很小，且與列車運(yùn)行速度的關(guān)系不大。

圖8 橋梁擋風(fēng)墻線路條件下列車氣動(dòng)力隨橫風(fēng)速度的變化曲線(運(yùn)行速度為250 km/h)

圖9 橋梁擋風(fēng)墻線路條件下列車氣動(dòng)力隨運(yùn)行速度的變化曲線(橫風(fēng)速度為25 m/s)

3 結(jié) 論

為研究不同線路條件下的擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)對(duì)列車氣動(dòng)性能的影響，本文采用數(shù)值計(jì)算方法，針對(duì)路堤和橋梁兩種線路環(huán)境，分析了不同運(yùn)行速度和橫風(fēng)速度條件下?lián)躏L(fēng)墻結(jié)構(gòu)對(duì)3輛編組列車氣動(dòng)性能的影響，結(jié)果表明：

(1)在路堤上建造擋風(fēng)墻，能夠大幅減小頭車的氣動(dòng)升力和氣動(dòng)側(cè)向力，減小中間車和尾車的氣動(dòng)升力，在相同的橫風(fēng)環(huán)境下，擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)能夠改善列車的氣動(dòng)性能，提升列車運(yùn)行的安全性；

(2) 橋梁的開孔式擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)具有很好的減壓效果，使車體迎風(fēng)側(cè)的高壓區(qū)消失，背風(fēng)側(cè)的渦結(jié)構(gòu)上移，使車體背風(fēng)側(cè)的低壓區(qū)強(qiáng)度減弱，從而使車體兩側(cè)的壓差大幅減小，有利于減小車體所受的氣動(dòng)側(cè)向力和氣動(dòng)傾覆力矩；

(3)在路堤擋風(fēng)墻運(yùn)行條件下，隨著橫風(fēng)速度的增大，頭車和中間車的氣動(dòng)阻力逐漸增加，頭車氣動(dòng)側(cè)向力逐漸減小，尾車氣動(dòng)側(cè)向力逐漸增大，頭車的氣動(dòng)升力為正值，中間車和尾車氣動(dòng)升力表現(xiàn)為下壓力，運(yùn)行速度的增大對(duì)頭車氣動(dòng)阻力的影響不大，隨著運(yùn)行速度的增大，尾車氣動(dòng)升力的絕對(duì)值逐漸增大；

(4)在橋梁擋風(fēng)墻運(yùn)行條件下，隨著橫風(fēng)速度的增大，頭車氣動(dòng)阻力先增大后減小，尾車氣動(dòng)阻力逐漸增大，頭車和中間車的氣動(dòng)升力逐漸增大，尾車氣動(dòng)升力逐漸減小，頭車的氣動(dòng)側(cè)向力逐漸減小，頭、尾車氣動(dòng)阻力與列車運(yùn)行速度呈正比例關(guān)系，隨著列車運(yùn)行速度的增大，頭車的氣動(dòng)升力逐漸減小，氣動(dòng)側(cè)向力逐漸增大。

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HEDehua,CHENHouchang,YUWeidong,ZENGYuqing

(Locomotive & Car Research Institute, China Academic of Railway Science, Beijing 100081)

The wind-wall structure of high speed railway can effectively improve the aerodynamic performance of high-speed train under the strong wind. The different wind-wall structures under the line condition have the different effects on the train aerodynamic performance. In this paper, three dimension full scale model of CRH2EMU were established, and numerical calculation method were used to analyze the aerodynamic performance effect of train produced by the wind-wall structure in the embankment and bridge condition. In order to guarantee the accuracy of the calculation method, wind tunnel test results were used to verify the calculation method and the discrete grid. The study results showed that: in the condition of embankment, the complexity of the flow field around the train increased, and the pressure difference on both sides of the vehicle reduced greatly after the installation of wind-wall, negative pressure is produced more on surface of body, so the aerodynamic performance can be effectively improved. In the condition of bridge, the opening type wind wall structure can reduce the pressure significantly, so it can Weaken the direct impact on the train windward and improve the aerodynamic performance.

wind-wall; aerodynamic performance; numerical calculation; high-speed train

??)男，助理研究員(

2016-05-06)

1008-7842 (2016) 05-0021-07

U292.91+4

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2016.05.05