不同類型風(fēng)沙環(huán)境下高速列車氣動(dòng)特性分析

李文濤，金阿芳，李 虎，劉 芳

（新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047）

1 引言

世界鐵路發(fā)展的主要方向就是高速鐵路，隨著列車運(yùn)行速度的大幅提高，對(duì)列車和周圍環(huán)境影響愈發(fā)突出，列車空氣動(dòng)力學(xué)作用日趨重要[1]。隨著高速鐵路技術(shù)的快速進(jìn)步，列車空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題越來(lái)越得到重視。文獻(xiàn)[2]在經(jīng)典模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)橫風(fēng)條件下ICE2列車附近氣流繞流問(wèn)題進(jìn)行了深入探究，并計(jì)算出合適的總網(wǎng)格數(shù)和固壁面法向首層網(wǎng)格的適宜厚度范圍。文獻(xiàn)[3-4]通過(guò)對(duì)比不同類型橫風(fēng)作用對(duì)列車氣動(dòng)性能的影響，得出頭車的傾覆力矩最大，安全性能最差，并分析了高頻鋼軌磨損對(duì)列車安全的影響。文獻(xiàn)[5-7]對(duì)隨機(jī)風(fēng)下列車氣動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行深入研究，并優(yōu)化其動(dòng)力特性參數(shù)；文獻(xiàn)[8]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)和實(shí)車試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了橫風(fēng)下列車參數(shù)、運(yùn)行速度和路況對(duì)列車氣動(dòng)特性的影響。文獻(xiàn)[9]利用數(shù)值模擬方法并結(jié)合了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)車體附近流場(chǎng)的分析，對(duì)高速列車頭形做出了良好的優(yōu)化，從而大大增加了高速列車行駛的安全性。文獻(xiàn)[10]首次使用大渦模擬方法模擬研究列車氣動(dòng)特性，并用風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證其可行性，此方法已推廣至列車安全性等問(wèn)題的研究應(yīng)用中。

目前，大量學(xué)者對(duì)列車空氣動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了深入細(xì)致的研究，但對(duì)不同風(fēng)沙環(huán)境下列車的氣動(dòng)特性和安全性的研究文獻(xiàn)相對(duì)較少。采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法，保持列車不動(dòng)，在計(jì)算域正面加入迎面風(fēng)，在側(cè)面加入橫風(fēng)，模擬自然環(huán)境下的合成風(fēng)。通過(guò)模擬計(jì)算，證明了采用原理類似風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法計(jì)算精度較為準(zhǔn)確。

2 幾何模型和數(shù)學(xué)模型

2.1 計(jì)算模型

高速列車是一個(gè)十分復(fù)雜的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，對(duì)整車進(jìn)行數(shù)值模擬不僅計(jì)算量大，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)計(jì)算機(jī)的性能也有十分高的要求[11]。所以參考國(guó)內(nèi)某型號(hào)高速列車，采用簡(jiǎn)化的頭車—中車—尾車三車編組模型，為提高計(jì)算效率，忽略受電弓、門把手、車窗和其他細(xì)微部分，保留并簡(jiǎn)化車體風(fēng)擋和底部轉(zhuǎn)向架，橋梁忽略橋墩的影響，列車底部距地面0.03m。

2.2 計(jì)算域及邊界條件

建立長(zhǎng)方體計(jì)算域，如圖2所示。計(jì)算域長(zhǎng)為55m，寬40m，高20m。車頭距速度進(jìn)口為12m，為保證列車尾部充分湍流，車尾距壓力出口為28m。入口處設(shè)置為速度入口，并設(shè)置為沙粒入射邊界。出口處設(shè)置為壓力出口，給定壓力為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，并設(shè)置為沙粒逃逸邊界。設(shè)置地面為非滑移壁面。列車運(yùn)行速度即滑移速度，設(shè)置為270km/h，列車表面采用壁面無(wú)滑移邊界條件。

圖2 平地、路堤、橋梁計(jì)算域Fig.2 Flat Land，Embankment，Bridge Calculation Domain

2.3 計(jì)算網(wǎng)格

列車表面外形較復(fù)雜，很難用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分。因此在列車近壁區(qū)域采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，四面體網(wǎng)格周圍流體域采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分。保證計(jì)算精度的同時(shí)提高了計(jì)算速度。網(wǎng)格總體數(shù)量為1370萬(wàn)，局部網(wǎng)格加密及表面網(wǎng)格劃分，如圖3所示。

圖3 列車表面網(wǎng)格圖Fig.3 Train Surface Grid Diagram

2.4 計(jì)算方法

列車在高速行駛時(shí)，橫風(fēng)對(duì)列車氣動(dòng)特性、安全性能都有非常大的影響。在風(fēng)沙環(huán)境下，沙塵濃度不是很高（沙塵暴天氣時(shí)沙塵濃度約為（104～105）μg/m3，沙塵相的體積分?jǐn)?shù)低于10%[12]。運(yùn)用Fluent軟件中DPM模型描述風(fēng)沙環(huán)境下的氣固兩相流。充分考慮沙粒與氣流的相互作用，忽略沙粒之間的碰撞?；谌S、定常、不可壓縮Navier-Stokes方程和標(biāo)準(zhǔn)的k-ε控制模型，采用SIMPLE算法求解壓力速度耦合問(wèn)題，空間壓力采用標(biāo)準(zhǔn)格式離散，應(yīng)用二階迎風(fēng)格式離散對(duì)流相。當(dāng)列車的運(yùn)行速度低于350km/h時(shí)，其附近流場(chǎng)可認(rèn)為是非定常的湍流流場(chǎng)，并近似認(rèn)為是不可壓縮流場(chǎng)[13]，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程控制模型。

3 結(jié)果分析

3.1 表面壓力

列車在平地、路堤和橋梁上以270km/h行駛時(shí)的表面壓力云圖，橫風(fēng)風(fēng)速為25m/s，如圖4、圖5所示。通過(guò)對(duì)比可知，列車在風(fēng)沙情況下行駛時(shí)受到的表面壓力遠(yuǎn)大于無(wú)沙情況。車頭部位最大正壓區(qū)顯著變大，由于受到橫向風(fēng)影響，列車最大正壓區(qū)向迎風(fēng)面偏移，且迎風(fēng)側(cè)車體大部分區(qū)域所受壓力為正壓。由于在列車背風(fēng)側(cè)產(chǎn)生了大量漩渦，消耗了一部分能量，從而使得列車背風(fēng)側(cè)區(qū)域?yàn)樨?fù)壓。氣流在頭車流線型過(guò)渡區(qū)域與車體發(fā)生分離，由緩變流向急變流變化，導(dǎo)致列車頂面為負(fù)壓。沙粒的影響加劇了列車迎風(fēng)面和背風(fēng)面的壓力差。

圖4 無(wú)沙環(huán)境壓力云圖Fig.4 Surface Pressure Cloud Map of Train in Sandless Environment

圖5 有沙環(huán)境壓力云圖Fig.5 Surface Pressure Cloud Map of Train in Sandy Environment

3.2 氣動(dòng)阻力、升力

當(dāng)列車高速行駛時(shí)，由橫風(fēng)和迎面風(fēng)組成的合成風(fēng)會(huì)對(duì)列車運(yùn)行造成阻礙，這種阻礙列車運(yùn)行的力就是列車氣動(dòng)阻力，平行于列車運(yùn)動(dòng)方向且與列車的運(yùn)動(dòng)方向相反。列車在不同風(fēng)沙環(huán)境下行駛時(shí)，各節(jié)車廂的氣動(dòng)性能并不相同。列車運(yùn)行速度為270km/h，橫風(fēng)風(fēng)速為25m/s。風(fēng)沙對(duì)列車氣動(dòng)阻力的影響，如圖6所示。由圖6可知，列車在平地、路堤和橋梁上行駛時(shí)，頭車受到的氣動(dòng)阻力最大，中間車最小，頭車阻力約是中間車阻力的（4.1～5.8）倍，是尾車受到阻力的（1.2～2.3）倍。

圖6 風(fēng)沙對(duì)列車氣動(dòng)阻力的影響Fig.6 Influence of Wind and Sand on Aerodynamic Drag

在風(fēng)沙環(huán)境中，頭車的氣動(dòng)阻力繼續(xù)增大，相比無(wú)沙環(huán)境增加了（10～12）%。列車在平直明線上以270km/h行駛，橫風(fēng)風(fēng)速為25m/s。行駛過(guò)程中，中車和尾車受到的氣動(dòng)升力最大，中間車的氣動(dòng)升力約是頭車升力的（3.7～8.6）倍，尾車升力約是頭車升力（3.6～9.6）倍。中車和尾車升力受沙粒影響較為劇烈，有沙環(huán)境中車升力較無(wú)沙環(huán)境增加（7～16）%，有沙環(huán)境尾車升力較無(wú)沙環(huán)境增加（4～9）%，如圖7所示。

圖7 風(fēng)沙對(duì)列車氣動(dòng)升力的影響Fig.7 Influence of Wind and Sand on the Aerodynamic Lift of Trains

3.3 傾覆力矩

傾覆力矩指引起列車自行式傾翻的力矩，矩心位于列車背風(fēng)側(cè)輪軌接觸點(diǎn)所在直線，在此直線上任取一點(diǎn)即可，取點(diǎn)位置，如圖8所示。

圖8 傾覆力矩中心示意圖Fig.8 Schematic Diagram of Overturning Moment Center

為了更深入地研究高速列車頭車在橫風(fēng)作用下所受力矩傾覆，保持列車運(yùn)行速度為270km/h 不變，以風(fēng)速為自變量，頭車所受的傾覆力矩為因變量，得到列車傾覆力矩隨橫風(fēng)風(fēng)速變化規(guī)律。

在無(wú)沙環(huán)境中，頭車承受的最大的側(cè)向力；尾車承受的側(cè)向力最小，且車體側(cè)壓力分布與頭車側(cè)壓力分布相反，從而使得頭車和尾車的傾覆力矩方向相反。在有沙環(huán)境下，頭車受到的側(cè)力最大，且受到沙粒影響最顯著，約是無(wú)沙環(huán)境的1.2倍。對(duì)比圖9三種不同路況下的傾覆力矩，橋梁路況受到的傾覆力矩最大，且各節(jié)車廂受風(fēng)沙影響最為嚴(yán)重，行車最不穩(wěn)定，氣動(dòng)性能最差。

圖9 列車傾覆力矩隨橫風(fēng)風(fēng)速變化規(guī)律Fig.9 The Variation Law of Train Overturning Moment with Crosswind Wind Speed

3.4 橫風(fēng)環(huán)境下列車外部流場(chǎng)和壓力場(chǎng)

當(dāng)列車以270km/h 的運(yùn)行速度在平地、路堤和橋梁上行駛時(shí)，橫風(fēng)風(fēng)速為25m/s，分別截取列車上x=3m和x=8m的截面，列車外流場(chǎng)的變化情況和外界壓力變化情況，如圖10所示。列車四周流場(chǎng)不同，致使列車表面壓力和列車周圍壓力分布不同，且不同路況下流場(chǎng)變化完全不同。由壓力云圖可以看出，列車在三種路況下高速行駛，受到橫風(fēng)作用，列車迎風(fēng)側(cè)壓力明線大于背風(fēng)側(cè)，且平地路況最大正壓區(qū)最小，列車兩側(cè)壓力差較小。橋梁路況最大正壓區(qū)最大，列車兩側(cè)壓力差相比較大。由流線圖10可知，在x=3m的列車截面下，列車背風(fēng)側(cè)均不產(chǎn)生漩渦，在路堤傾角處和橋梁凹槽處有氣流回流現(xiàn)象，產(chǎn)生漩渦。在x=8m截面下，氣流在列車背風(fēng)側(cè)開始回流，形成一系列漩渦。橋梁路況迎風(fēng)側(cè)凹槽處產(chǎn)生氣流回流，且在橋梁背風(fēng)側(cè)產(chǎn)生雙回流現(xiàn)象，導(dǎo)致列車背風(fēng)側(cè)負(fù)壓區(qū)較大，這是引發(fā)路堤和橋梁工況下列車的側(cè)力和傾覆力矩都大于平地路況的主要原因。

圖1 列車、路堤、橋梁模型Fig.1 Train，Embankment，Bridge Model

圖10 不同路況列車外流場(chǎng)分布和壓力分布規(guī)律Fig.10 Flow Field Distribution and Pressure Distribution Diagram of Trains Under Different Road Conditions

4 結(jié)論

應(yīng)用數(shù)值模擬方法，分析不同風(fēng)沙環(huán)境下高速列車氣動(dòng)特性和安全性能，得到以下結(jié)論：

（1）高速列車在相同速度行駛時(shí)的表面壓力在有沙環(huán)境下大于無(wú)沙環(huán)境下。受到橫向風(fēng)影響時(shí)，列車最大正壓區(qū)從車頭鼻尖處向迎風(fēng)側(cè)偏移。有沙環(huán)境下，列車迎風(fēng)側(cè)的正壓區(qū)顯著擴(kuò)大，嚴(yán)重影響了列車的安全行駛。（2）通過(guò)對(duì)比不同路況下列車氣動(dòng)阻力和升力數(shù)值大小，可知頭車受到的氣動(dòng)阻力最大。沙粒對(duì)頭車受到的氣動(dòng)阻力影響極為顯著，較無(wú)沙環(huán)境阻力增加了（10～12）%。中車和尾車受到氣動(dòng)升力最大，有沙環(huán)境下中車的氣動(dòng)升力較無(wú)沙環(huán)境增加了（7～16）%，有沙環(huán)境下尾車的氣動(dòng)升力較無(wú)沙環(huán)境增加了（4～9）%。（3）高速列車在以270km/h的速度在三種路況平直行駛時(shí)，承受傾覆力矩最大部位為頭車，受到的傾覆力矩最小部位為尾車，方向與頭車的受力相反。對(duì)比不同路況下的傾覆力矩，橋梁路況下，列車受到的傾覆力矩最大，且各節(jié)車廂受風(fēng)沙影響最為嚴(yán)重，氣動(dòng)性能最差。（4）列車在三種路況下行駛時(shí)，平地路況最大正壓區(qū)最小，列車兩側(cè)壓力差較小。橋梁路況最大正壓區(qū)最大，列車兩側(cè)壓力差相比較大。橋梁路況迎風(fēng)側(cè)凹槽處產(chǎn)生漩渦，且在橋梁背風(fēng)側(cè)產(chǎn)生雙回流現(xiàn)象，致使橋梁路況外流場(chǎng)非常不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響行車安全。