隨機(jī)側(cè)風(fēng)下橋塔區(qū)域中高速列車氣動(dòng)特性分析

杜禮明,章芝霖,張文嵐,李梓豪

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

高速列車通過橋塔時(shí),由于橋塔遮風(fēng),列車周圍氣壓、氣流速度發(fā)生改變,車體表面的氣動(dòng)載荷發(fā)生明顯變化,從而導(dǎo)致列車脫軌和傾覆。近年來,國內(nèi)外學(xué)者對不同運(yùn)行條件下的列車氣動(dòng)特性展開了研究。針對列車附近流場結(jié)構(gòu),王磊等[1]發(fā)現(xiàn)運(yùn)行條件相同時(shí),列車不同部位流場結(jié)構(gòu)不同,頭部、尾部附近流場結(jié)構(gòu)變化嚴(yán)重,但中間列車周圍流場分布規(guī)律基本穩(wěn)定;王希理等[2]發(fā)現(xiàn)列車背風(fēng)側(cè)的流場是由列車頂部和底部卷起形成的多個(gè)旋渦組成的;謝紅太[3]發(fā)現(xiàn)隨著風(fēng)速的變化,列車周圍流場分布結(jié)構(gòu)復(fù)雜不規(guī)律,但當(dāng)側(cè)風(fēng)情況較為嚴(yán)重時(shí)正壓區(qū)主要分布在迎風(fēng)側(cè),并與背風(fēng)側(cè)產(chǎn)生巨大壓差;Xia等[4]分析了大長細(xì)比列車附近流場中旋渦的變化,發(fā)現(xiàn)每個(gè)大尺度流向渦在大小上呈現(xiàn)出交替增加/減少以及橫向和垂直方向上的振蕩行為。同時(shí),學(xué)者們分別采用仿真模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)等方法探討了不同運(yùn)行條件下列車氣動(dòng)載荷變化。王玉晶等[5]發(fā)現(xiàn)不同車廂氣動(dòng)載荷的時(shí)域變化規(guī)律不同;李田等[6]采用同一風(fēng)場模型進(jìn)行了數(shù)值研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同風(fēng)速下氣動(dòng)載荷系數(shù)波動(dòng)幅值相差較大;王政等[7]通過改變風(fēng)模型來比較均勻風(fēng)模型和指數(shù)風(fēng)模型對列車風(fēng)載荷大小的影響,結(jié)果表明不同風(fēng)場模型下列車氣動(dòng)載荷變化明顯不同,列車側(cè)向力和氣動(dòng)力矩差異更明顯,指數(shù)型風(fēng)模型下比均勻風(fēng)模型下大18%;劉智超等[8]發(fā)現(xiàn)在相同車速下,列車氣動(dòng)載荷相等,但隨著加速度的改變,側(cè)向力、阻力、傾覆力矩的變化率不斷增大,導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)高速列車氣動(dòng)載荷的變化增大;曾廣志等[9]發(fā)現(xiàn)在龍卷風(fēng)下列車背風(fēng)側(cè)的壓力系數(shù)較迎風(fēng)側(cè)更為顯著。

自然界的風(fēng)受山川、地形和建筑物等的影響,風(fēng)速往往是瞬變的,但目前對高速列車流場結(jié)構(gòu)的研究大多是以風(fēng)速恒定為前提的,未考慮在橋塔遮蔽的風(fēng)場中,風(fēng)速波動(dòng)對高速列車氣動(dòng)性能的影響,因此,研究結(jié)果難以準(zhǔn)確反映實(shí)際情況。本文采用 “Chinese Hat”隨機(jī)側(cè)風(fēng)模型,從壓力和渦量兩個(gè)角度對比分析恒定側(cè)風(fēng)和隨機(jī)側(cè)風(fēng)工況以及不同平均風(fēng)速的隨機(jī)側(cè)風(fēng)工況下列車周圍流場變化,總結(jié)隨機(jī)側(cè)風(fēng)下列車在橋塔環(huán)境中的氣動(dòng)特性,為橋塔區(qū)域的安全行車提供參考。

1 列車-橋系統(tǒng)的氣動(dòng)仿真模型

1.1 列車-橋塔耦合的計(jì)算域

為確保計(jì)算結(jié)果受邊界影響較小,計(jì)算域設(shè)置為:列車上方流場、側(cè)方流場為車寬的5倍以上,后方流場為車寬的20倍以上;截取部分橋梁,取計(jì)算域長400 m,高29.2 m,寬200 m[10]。本文以某跨江大橋?yàn)檠芯繉ο?保留橋梁塔柱斷面輪廓,橋塔寬21 m,不考慮受電弓、轉(zhuǎn)向架、裙板等結(jié)構(gòu),建立頭-中-尾3節(jié)編組形式的列車-橋氣動(dòng)仿真模型。由于掠過列車氣流速度比音速低0.3 Ma,可視為不可壓縮[10]?；趧?dòng)態(tài)網(wǎng)格方法,采用滑移網(wǎng)格技術(shù)模擬車體運(yùn)動(dòng),采用局部動(dòng)態(tài)層變法更新動(dòng)態(tài)網(wǎng)格,因此所有工況采用瞬態(tài)計(jì)算。

1.2 網(wǎng)格剖分與邊界條件設(shè)置

采用嵌套網(wǎng)格技術(shù)劃分計(jì)算域的網(wǎng)格,車體附近為四面體網(wǎng)格,其余部分為六面體網(wǎng)格,總數(shù)約454 萬。橋塔區(qū)域的網(wǎng)格劃分見圖1。

圖1 橋塔區(qū)域的網(wǎng)格劃分

計(jì)算域邊界條件設(shè)置見圖2:流體域中自然風(fēng)入口為速度入口;前、后表面和自然風(fēng)出口為壓力出口;上、下表面為對稱面;車體和橋梁表面為無滑移壁面。湍流模型選用k-w模型[11],用Simplec算法耦合速度壓力,計(jì)算時(shí)間步長為2×10-3s,采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行求解。

圖2 計(jì)算域邊界條件

1.3 風(fēng)場模型

將恒定側(cè)風(fēng)視為風(fēng)速為15 m/s且方向垂直于列車側(cè)墻的均勻氣流,采用修正的“Chinese Hat”陣風(fēng)模型描述隨機(jī)側(cè)風(fēng)?！癈hinese Hat”動(dòng)態(tài)風(fēng)場是在歐盟鐵路互聯(lián)互通技術(shù)規(guī)范(TSI)中提出的[12],其風(fēng)速數(shù)值變化按周期循環(huán),一個(gè)周期分為7個(gè)階段,圍繞平均風(fēng)速上、下起伏。圖3為平均風(fēng)速為15 m/s時(shí) “Chinese Hat”風(fēng)速模型的風(fēng)速變化曲線。第一階段風(fēng)速由0增長至平均風(fēng)速,增長了0.312 5 s;第二階段風(fēng)速保持在15 m/s不變;第三階段從0.625 s開始,風(fēng)速變化呈曲線增長,在0.937 5 s時(shí)達(dá)到峰值,為22.26 m/s;第四階段風(fēng)速減小,在1.25 s時(shí)下降至平均風(fēng)速;第五階段以平均風(fēng)速持續(xù)作用0.625 s,完成內(nèi)風(fēng)速變化;第六階段從1.875 s開始,風(fēng)速下降,在2.187 5 s時(shí)降到谷值,為3.8 m/s;之后進(jìn)入第七階段,最終風(fēng)速在2.5 s時(shí)回到平均風(fēng)速,完成一個(gè)風(fēng)速變化周期,之后進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)周期。由于每個(gè)周期內(nèi)風(fēng)速變化趨勢相同,本文選取一個(gè)風(fēng)速周期內(nèi)氣動(dòng)載荷、空氣壓力、空氣渦量進(jìn)行分析。當(dāng)平均風(fēng)速增大時(shí),風(fēng)速曲線上每一時(shí)刻對應(yīng)風(fēng)速增大,反之減小,但風(fēng)速階段變化趨勢不變。

圖3 “Chinese Hat”陣風(fēng)的風(fēng)速隨時(shí)間變化曲線

本文設(shè)計(jì)了5種工況(表1),對比分析相同車速下,風(fēng)模型對列車氣動(dòng)特性的影響。

表1 模擬工況

1.4 驗(yàn)證模型可靠性

為驗(yàn)證氣動(dòng)模型的準(zhǔn)確性和仿真計(jì)算方法的可行性,保證后續(xù)結(jié)果的準(zhǔn)確可靠,本文建立的幾何模型和計(jì)算工況與文獻(xiàn)[5]相同。在此條件下,對比分析列車所受的橫向力,仿真結(jié)果與參考值對比見圖4,從圖4中可以看出,兩者的吻合較好,由此表明,本文的數(shù)值模型和數(shù)值方法可行。

圖4 仿真結(jié)果與參考值對比

2 不同風(fēng)場模型下車體表面壓力特征

自然風(fēng)與列車風(fēng)的耦合作用引起列車表面的氣壓、氣動(dòng)升力、橫向力等發(fā)生變化,對列車運(yùn)行安全產(chǎn)生影響。為分析風(fēng)模型對列車氣動(dòng)性的影響,取頭車經(jīng)過橋塔中央時(shí)刻,即第1.5 s(此刻隨機(jī)側(cè)風(fēng)經(jīng)過前4個(gè)階段變化,風(fēng)速進(jìn)入平穩(wěn)狀態(tài)),比較此時(shí)頭車周圍空氣氣動(dòng)壓力,氣動(dòng)壓力變化見圖5。兩種風(fēng)模型下,頭車橫截面周圍低壓區(qū)在頭車中心附近,壓力增長呈現(xiàn)以頭車為中心,向四周增大的趨勢,且都為正壓,氣動(dòng)壓力變化現(xiàn)象明顯。隨著隨機(jī)側(cè)風(fēng)平均風(fēng)速的增大,頭車周圍低壓區(qū)向迎風(fēng)側(cè)移動(dòng)。比較圖5(d)、圖5(e)可知,列車橫截面發(fā)生這種變化后與恒定側(cè)風(fēng)下極為相似。圖5(e)中,恒定側(cè)風(fēng)下壓差是隨機(jī)側(cè)風(fēng)下的1.12倍。由空氣氣動(dòng)壓力分布推斷,風(fēng)模型因素對列車周圍空氣壓力變化趨勢影響有限。

(a)工況1

3 不同風(fēng)模型下渦量場特征

每個(gè)流體元都有獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),因此流體運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生變形,本文用既能直觀反映旋轉(zhuǎn)的角速度和又能反映平動(dòng)的線速度的渦來描述列車周圍空氣的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。取兩種風(fēng)模型下和不同平均風(fēng)速的隨機(jī)側(cè)風(fēng)下渦的運(yùn)動(dòng)和渦量變化進(jìn)行對比。

比較渦量變化之前,取第1.5 s時(shí),根據(jù)頭車周圍空氣流線變化對渦的分布進(jìn)行比較,圖6為兩種風(fēng)模型下列車周圍流線分布圖。比較圖6(b)和圖6(e),平均風(fēng)速都為15 m/s時(shí),恒定側(cè)風(fēng)下頭車附近空氣從上、下兩側(cè)繞過頭車;隨機(jī)側(cè)風(fēng)下,空氣在頭車上方分兩個(gè)方向流動(dòng),迎風(fēng)側(cè)上方出現(xiàn)空氣流動(dòng)形成的渦的趨勢?？梢?較恒定側(cè)風(fēng),隨機(jī)側(cè)風(fēng)由于每時(shí)每刻風(fēng)速數(shù)值不同,空氣流動(dòng)形式比恒定側(cè)風(fēng)更為復(fù)雜,這與文獻(xiàn)[2]所得結(jié)論相吻合。針對隨機(jī)側(cè)風(fēng)模型,進(jìn)一步討論平均風(fēng)速變化對列車周圍空氣流動(dòng)的影響。由圖6(a)～圖6(d)可知,當(dāng)平均風(fēng)速為10 m/s時(shí),頭車附近暫時(shí)沒有出現(xiàn)渦,但頭車上方空氣分兩個(gè)方向流動(dòng);平均風(fēng)速為15 m/s時(shí),頭車上方、迎風(fēng)側(cè)空氣流動(dòng)各分兩個(gè)方向流動(dòng),頭車迎風(fēng)側(cè)上方出現(xiàn)一個(gè)渦;平均風(fēng)速為20 m/s時(shí),頭車上方空氣流動(dòng)方向的分界線由頭車正上方逐漸移動(dòng)到迎風(fēng)側(cè),列車下方附近流線更密集;平均風(fēng)速為25 m/s時(shí),頭車上方、迎風(fēng)側(cè)、背風(fēng)側(cè)出現(xiàn)共計(jì)6個(gè)渦,且這6個(gè)渦關(guān)于列車縱軸線呈對稱分布。隨機(jī)側(cè)風(fēng)平均風(fēng)速增加,旋渦數(shù)量增加的速度也越來越快。從渦的數(shù)量和渦出現(xiàn)的位置推斷,平均風(fēng)速越快,頭車周圍空氣運(yùn)動(dòng)越復(fù)雜,該結(jié)果與頭車周圍空氣氣動(dòng)壓力變化規(guī)律相吻合。

(a)工況1

由于在沒有漩渦的地方,渦量也未必是小量,因此取第1.5 s時(shí),對頭車周圍的渦量進(jìn)行分析,兩種風(fēng)模型下列車周圍渦量分布見圖7。當(dāng)平均風(fēng)速相同時(shí),在距離車體較近的位置,隨機(jī)側(cè)風(fēng)下,頭車周圍最大渦量為3.803 59 s-1,恒定側(cè)風(fēng)下為0.941 511 s-1,隨機(jī)側(cè)風(fēng)下周圍渦量是恒定側(cè)風(fēng)下的4倍左右。進(jìn)一步比較不同平均風(fēng)速的隨機(jī)側(cè)風(fēng)下的渦量大小,距離列車越近,渦量越大,當(dāng)平均風(fēng)速為10 m/s時(shí),最大渦量為2.906 08 s-1;平均風(fēng)速為15 m/s時(shí),最大渦量為3.803 59 s-1;平均風(fēng)速為20 m/s時(shí),最大渦量為5.566 48 s-1;平均風(fēng)速為25 m/s時(shí),最大渦量為8.911 68s-1。綜上所述,隨著平均風(fēng)速的增大,最大渦量呈現(xiàn)指數(shù)型增長。

(a)工況1

4 不同風(fēng)模型下的氣動(dòng)載荷

高速列車的非均勻氣動(dòng)載荷會(huì)加劇列車蛇行,導(dǎo)致列車安全性參數(shù)變差。列車的脫軌與側(cè)翻發(fā)生時(shí)間很短,可以認(rèn)為是瞬間完成的,因此本文選取頭車氣動(dòng)載荷最大值進(jìn)行分析。

為探究隨機(jī)側(cè)風(fēng)對列車氣動(dòng)載荷變化的影響,分析隨機(jī)側(cè)風(fēng)平均風(fēng)速增加對列車氣動(dòng)載荷變化程度的影響,取列車運(yùn)行過程中頭車氣動(dòng)載荷絕對值最大值,形成圖8所示曲線。由圖8(a)可見,升力、 橫向力變化范圍和數(shù)量級一致,比側(cè)滾力矩高一個(gè)數(shù)量級;由圖8(b)可見,點(diǎn)頭力矩、搖頭力矩?cái)?shù)量級一致,但點(diǎn)頭力矩的變化范圍高于搖頭力矩,且同一平均風(fēng)速下,點(diǎn)頭力矩是搖頭力矩的1～3倍?？傮w上,在同一車速下,氣動(dòng)載荷最大值整體呈現(xiàn)隨平均風(fēng)速升高而增加的趨勢。其中,升力最大值、橫向力最大值、側(cè)滾力矩最大值、搖頭力矩最大值增速隨平均風(fēng)速增大而增加,近似指數(shù)型增長。而點(diǎn)頭力矩最大值增速較為平緩。氣動(dòng)載荷最大值隨平均風(fēng)速升高而增大,但不同類型氣動(dòng)載荷升高速率不同,點(diǎn)頭力矩增速最為平緩,應(yīng)考慮不同氣動(dòng)載荷的綜合作用,不應(yīng)僅考慮單一氣動(dòng)載荷變化。

(a)氣動(dòng)力

在隨機(jī)側(cè)風(fēng)下,為從時(shí)域角度探究氣動(dòng)載荷與平均風(fēng)速增加之間的關(guān)系,分析列車經(jīng)過橋塔全過程時(shí)的氣動(dòng)載荷變化,見圖9。從圖9可知,同一時(shí)刻,列車氣動(dòng)載荷隨平均風(fēng)速變化幅度較小,變化趨勢較為雜亂,變化幅度與平均風(fēng)速增加幅度之間沒有明顯關(guān)聯(lián)。但在整個(gè)行駛過程中,分別比較圖中每個(gè)載荷變化的曲線卻可以發(fā)現(xiàn),隨著平均風(fēng)速的增加,氣動(dòng)載荷峰值、谷值幅度加大,且峰值、谷值數(shù)量增多,尤其是在0.8～1.0 s和1.8～2.0 s(列車進(jìn)出橋塔區(qū)域的時(shí)間)。圖9(b)、圖9(c)中,兩個(gè)時(shí)間區(qū)間內(nèi),橫向力、側(cè)滾力矩在原方向上驟然增大約10%,可見雖然列車運(yùn)行過程中經(jīng)過橋塔遮蔽區(qū)域,但對于整個(gè)行駛過程而言,由于橋塔區(qū)域太短,即便平均風(fēng)速增大,橋塔遮風(fēng)作用對氣動(dòng)載荷隨時(shí)間變化劇烈程度加劇作用基本沒有體現(xiàn),該結(jié)果與參考文獻(xiàn)吻合。

(a)升力

可見,列車運(yùn)行過程中,在隨機(jī)側(cè)風(fēng)工況下,隨著平均風(fēng)速的增大,氣動(dòng)載荷變化劇烈程度加大。不同類型氣動(dòng)載荷增加幅度不同,寬度小于車廂長度的橋塔對緩解列車氣動(dòng)載荷增加和隨時(shí)間起伏劇烈程度現(xiàn)象作用不明顯,在既有線路下,列車安全運(yùn)行應(yīng)充分考慮實(shí)際風(fēng)速波動(dòng)現(xiàn)象。

5 結(jié)論

(1)風(fēng)模型因素對列車周圍氣動(dòng)壓力變化影響有限。隨機(jī)側(cè)風(fēng)模型中,隨著平均風(fēng)速增大,頭車周圍正、負(fù)壓分界線向迎風(fēng)側(cè)移動(dòng)。

(2)風(fēng)模型變化對渦的影響明顯。平均風(fēng)速相同時(shí),隨機(jī)側(cè)風(fēng)下最大渦量是恒定側(cè)風(fēng)下的4倍左右,且最大渦量呈現(xiàn)指數(shù)型增長。隨機(jī)側(cè)風(fēng)下,平均風(fēng)速越高,列車附近空氣流動(dòng)形成的旋渦越多,旋渦數(shù)量的增速也越來越快。

(3)平均風(fēng)速相同時(shí),隨機(jī)側(cè)風(fēng)對列車氣動(dòng)載荷影響更大。隨機(jī)側(cè)風(fēng)下,隨著平均風(fēng)速的增大,氣動(dòng)載荷變化劇烈程度加大,且不同類型氣動(dòng)載荷增加幅度不同。