復(fù)雜峽谷地形條件下的橋上動車組橫風(fēng)氣動特性研究

嚴(yán)冠章，李志偉，曾廣志，洪昌生

（五邑大學(xué) 軌道交通學(xué)院，廣東 江門 529020）

復(fù)雜峽谷地形由于橫風(fēng)的影響會產(chǎn)生一些特殊的風(fēng)環(huán)境，氣流從空曠地帶向兩山相對的峽谷地區(qū)流動時，氣流會加速通過峽谷，風(fēng)速也隨之增大，形成峽谷風(fēng).高速列車在這些風(fēng)環(huán)境中運行時，峽谷風(fēng)與列車風(fēng)相耦合，列車周圍的流場分布情況變得非常復(fù)雜，氣動力明顯增大，并且時刻變化，導(dǎo)致列車脫軌、翻車的可能性明顯增加[1].

目前，橫風(fēng)作用下的列車氣動特性研究較為成熟[2-7].高架橋與橫風(fēng)耦合作用下列車的氣動特性和傾覆安全性也有較多的分析[8-11].但是，對于峽谷地形和橫風(fēng)作用引起的列車氣動特性研究較少：牛紀(jì)強等[12]和洪新民等[13]模擬了高速鐵路線路周圍的復(fù)雜地貌，并基于計算流體力學(xué)和滑移網(wǎng)格技術(shù)，對高速列車在強橫風(fēng)下通過這些復(fù)雜地貌時的氣動特性進行了數(shù)值模擬；李田等[14]通過數(shù)值模擬的方法研究橫風(fēng)下高速列車通過峽谷的氣動性能，發(fā)現(xiàn)不同風(fēng)速下氣動載荷系數(shù)波動幅值相差較大，嚴(yán)重影響列車在峽谷環(huán)境中運行時的安全性.

以上文獻基本都是橫風(fēng)單一作用或與高架橋、峽谷地形兩者之一耦合影響下分析動車組的氣動特性.本文將橫風(fēng)、高架橋和峽谷地形三者耦合，建立復(fù)雜的地形模型，采用三維、粘性、不可壓縮的N-S方程和k-ε湍流模型，通過數(shù)值仿真方法，探究橋上列車穿越復(fù)雜峽谷地形情況時的橫風(fēng)氣動特性，分析其變化規(guī)律，以期為列車在復(fù)雜峽谷環(huán)境下的安全行駛提供參考.

1 數(shù)值計算模型

1.1 計算模型

為模擬動車組在復(fù)雜峽谷地形條件下的氣動性能，采用三車編組的城際動車組進行仿真計算.如圖1所示，動車組由流線型頭車、中間車和流線型尾車組成，其中，頭車和尾車車長均為25.45 m，全車總長度為76.40 m；車寬為3.30 m，車高為3.86 m.另外，本文忽略受電弓、轉(zhuǎn)向架和復(fù)雜結(jié)構(gòu)對車輛氣動性能的影響.同時，對高架橋進行簡化處理（忽略橋墩），橋梁的寬度為12.24 m，厚度為3.54 m，橋梁表面到地表的距離為15 m，長度為1420 m，其簡化模型見圖2.

圖1 城際動車組列車幾何模型（單位：m）

圖2 橋梁橫截面（單位：m）

峽谷模型具有“喇叭口”外形，具有明顯的峽谷風(fēng)特性.峽谷模型長1420 m，寬450 m，山體高度170～200 m.峽谷口寬小于40 m.峽谷模型見圖3.

圖3 峽谷模型（單位：m）

1.2 計算區(qū)域與邊界條件

如圖4所示，高速列車沿X軸方向運動，其前方預(yù)留長度為1 170 m，而后方保留173.6 m，即整個計算區(qū)域中，沿X軸方向的長度為1 420 m；從Y軸方向上看，列車迎風(fēng)側(cè)的計算域?qū)?50 m，其中包括峽谷三維模型的450 m和擴展區(qū)域200 m，列車背風(fēng)側(cè)的計算域?qū)?20 m，計算區(qū)域的總寬度為1 070 m.Z軸方向，計算區(qū)域高度為500 m.其中，高架橋距離地面10 m.

圖4 數(shù)值計算區(qū)域（單位：mm）

為正確求解控制方程，需要給出合理的邊界條件.如圖5所示，面ADHE給定速度入口邊界條件；面BCGF設(shè)置為壓力出口邊界條件；面ABFE、面EFGH以及面DCGH均給定對稱邊界條件；高速列車車體表面、高架橋模型、底面ABCD均按光滑壁面處理.

圖5 邊界條件設(shè)定

1.3 網(wǎng)格劃分

采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對計算域進行劃分，其中，列車表面為三角形網(wǎng)格，空間為四面體網(wǎng)格.由于近壁面區(qū)域的氣流變化較為劇烈，因此對計算域內(nèi)列車表面附近的網(wǎng)格進行加密處理[15].設(shè)置了3種不同尺度的網(wǎng)格，用于驗證網(wǎng)格密度對計算結(jié)果的影響，分別為稀疏網(wǎng)格、中等網(wǎng)格和精細網(wǎng)格，相對應(yīng)的網(wǎng)格總數(shù)依次為3 426 308、4 388 979和5 581 952.通過數(shù)值計算得到的不同尺度網(wǎng)格下的某一時刻整車側(cè)向力、升力和傾覆力矩的計算結(jié)果如表1所示.

表1 3種網(wǎng)格密度的整車氣動力計算結(jié)果

對比可知，稀疏網(wǎng)格與中等網(wǎng)格的計算結(jié)果偏差稍大，計算出的精細網(wǎng)格與中等網(wǎng)格的整車側(cè)向力、升力和傾覆力矩結(jié)果偏差分別為9.55%、8.72%和9.07%，均小于10%，吻合度較高.采用中等尺度進行網(wǎng)格劃分的計算區(qū)域滿足計算要求，列車表面和峽谷表面網(wǎng)格如圖6和圖7所示.

圖6 列車頭部曲面局部網(wǎng)格

圖7 峽谷表面網(wǎng)格

1.4 湍流模型及求解設(shè)置

本文研究的動車組車型的最高行駛速度為200 km/h，當(dāng)列車以200 km/h進入橫風(fēng)區(qū)域時，其流動馬赫數(shù)Ma＜0.3，可視為不可壓縮流體，即空氣密度為常數(shù).同時，采用k-ε標(biāo)準(zhǔn)雙方程湍流模型進行流場模擬.k-ε湍流模型廣泛用于求解充分發(fā)展的湍流，但是近壁面處雷諾數(shù)較低，湍流發(fā)展不充分，所以在近壁面處采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理.壓力速度耦合采用 SIMPLE算法求解，控制方程壓力項采用Standard格式進行離散，動量、湍流動能、湍流耗散率均采用一階迎風(fēng)格式離散.本次計算在天河二號超級計算機系統(tǒng)上完成，該系統(tǒng)提供了高性能計算的軟硬件支持，包括運行大型流體計算商業(yè)軟件ANSYS FLUENT.

2 數(shù)值計算結(jié)果分析

2.1 列車表面壓力分布

高架橋上動車組穿越峽谷的過程是一個連續(xù)性的過程.為更好了解列車穿越峽谷的全過程，將全過程大致劃分成3時間段，如圖8所示，圖中黑色表示列車.

圖8 列車穿越峽谷過程

圖9為橫風(fēng)風(fēng)速20 m/s、車速200 km/h工況下的列車表面壓力云圖.高架橋上動車組穿越峽谷時，氣流在列車迎風(fēng)面滯留，流速下降，在迎風(fēng)側(cè)形成正壓區(qū)；由于列車車頭的流線型設(shè)計，氣流在列車頂部和背風(fēng)面產(chǎn)生分離，使得列車背風(fēng)側(cè)形成負(fù)壓.

圖9 列車穿越峽谷表面壓力云圖

不同工況下，列車表面壓力變化形式相差不大，但是其數(shù)值大小的差異具有重要的工程應(yīng)用價值.如圖10所示，同種橫風(fēng)風(fēng)速下，列車車速增加，其表面壓力最大值、最小值和幅值隨之加大；相同車速條件，橫風(fēng)風(fēng)速提高，其表面壓力最大值、最小值和幅值也相應(yīng)上升.

圖10 不同工況下列車表面壓力值變化

基于上述分析，高架橋上動車組穿越峽谷時，頭車鼻端點區(qū)域表現(xiàn)出壓力波動，其主要受車速和橫風(fēng)風(fēng)速的影響.列車表面壓力的最大值位于頭車鼻端點區(qū)域，其最小值在流線型頭部與等截面車身位置處.因此，為確保列車運行安全，應(yīng)著重考慮這兩個部位的結(jié)構(gòu)強度和疲勞特征.

2.2 列車氣動力特性

圖11為不同工況下的整車側(cè)向力變化.車速的快慢直接決定列車穿越峽谷地形過程所需的時間，車速分別為120 km/h、160 km/h和200 km/h時，列車穿越峽谷所需時間為30 s、22.5 s和18 s.如圖11-a所示，以車速120 km/h工況為例，在0~2s時段，迎風(fēng)側(cè)山峰高度較低，作用于車體迎風(fēng)側(cè)表面的氣流較大，側(cè)向力曲線呈現(xiàn)第一個波峰；在4~8s時段，迎風(fēng)側(cè)山峰高度較上一波峰時上升約40%，故側(cè)向力曲線峰值有所減小；在8~11s時段，即列車穿越峽谷中，由于具有“喇叭口”的地形特點，經(jīng)過開闊地帶的氣流進入峽谷時，空氣大量堆積，從而加速流過峽谷“喇叭口”，作用于列車表面，使得迎風(fēng)側(cè)的正壓值迅速增大，同時，在背風(fēng)側(cè)形成較大的負(fù)壓力，因此，側(cè)向力曲線達到峰值.同理可知，不同車速工況下的側(cè)向力曲線也呈現(xiàn)相似的規(guī)律，因車速不同，經(jīng)歷波峰的時間段有所不同.相較于車速120 km/h，車速為160 km/h和200 km/h時，整車側(cè)向力最大值分別增加了4.80%和19.94%.如圖11-b所示，3個工況的整車側(cè)向力曲線變化規(guī)律基本一致，相較于橫風(fēng)風(fēng)速20 m/s，橫風(fēng)風(fēng)速為30 m/s和40 m/s時，整車側(cè)向力分別增加了 47.49%和 136.31%.由此可見，高架橋上動車組穿越峽谷時，橫風(fēng)風(fēng)速和車速都會影響整車側(cè)向力，但是橫風(fēng)風(fēng)速對整車側(cè)向力的影響遠遠大于車速的影響.

圖11 整車側(cè)向力隨時間變化曲線圖

圖12是不同工況下的整車升力變化.如圖12-a所示，3車的整車升力曲線變化規(guī)律較為相似，車速的改變對于整車升力的影響非常小.如圖12-b所示，對比橫風(fēng)風(fēng)速20 m/s，橫風(fēng)風(fēng)速為30 m/s和40 m/s時，整車的升力分別提升了 82.15%和 227.92%.比較發(fā)現(xiàn)，橫風(fēng)風(fēng)速提高對整車升力的影響非常之大.

圖12 整車升力隨時間變化曲線圖

圖13為不同工況下的整車傾覆力矩變化.由于列車沿著X軸的負(fù)方向運動，因此整車的傾覆力矩曲線大部分都在負(fù)值區(qū)域.如圖13-a所示，隨著車速增加，整車傾覆力矩（帶負(fù)號）呈下降趨勢.相比車速120 km/h，車速為160 km/h和200 km/h時，整車傾覆力矩變化幅值分別提高了3.97%和17.37%.如圖13-b所示，當(dāng)橫風(fēng)風(fēng)速變大時，整車傾覆力矩最小值大幅度降低.橫風(fēng)風(fēng)速30 m/s和40 m/s相較于20 m/s時，整車傾覆力矩變化幅值分別增大了51.04%和145.23%.

圖13 整車傾覆力矩隨時間變化曲線圖

3 結(jié)論

高架橋上動車組穿越峽谷地形時，車速和橫風(fēng)風(fēng)速對其氣動性能都有明顯影響，危害列車運行的安全性.本文通過數(shù)值仿真的方法對不同車速和橫風(fēng)風(fēng)速條件下列車穿越峽谷全過程的瞬態(tài)氣動特性進行了較詳細的分析，得出結(jié)論如下：

1）列車表面壓力在流線型頭部有顯著變化，壓力最大值出現(xiàn)在列車頭部鼻端點區(qū)域，隨著車速和橫風(fēng)風(fēng)速的增加，壓力最大值也隨之增大.因此該位置的結(jié)構(gòu)強度應(yīng)該相應(yīng)加強，并應(yīng)在運行和維護中著重關(guān)注；

2）車速和橫風(fēng)風(fēng)速都會影響列車氣動力特性，隨著兩者的提高，列車整車側(cè)向力、升力和傾覆力矩均呈現(xiàn)增大的趨勢.通過對比分析可知，橫風(fēng)風(fēng)速對列車氣動力特性的影響遠遠大于車速對其的影響；

3）列車穿越峽谷“喇叭口”時，整車側(cè)向力、升力和傾覆力矩都達到最值，其整車側(cè)向力、升力和傾覆力矩均隨時間增加表現(xiàn)出先增大到最值后減小的變化趨勢.

本文研究結(jié)果可為橋上列車在復(fù)雜峽谷環(huán)境下的安全行駛提供重要的依據(jù)，但本文僅進行了數(shù)值計算，后期將進一步完成復(fù)雜峽谷地形條件下橋上動車組的風(fēng)洞試驗，以驗證數(shù)值計算的結(jié)果.