強(qiáng)側(cè)風(fēng)環(huán)境下CRH1 型高速列車氣動(dòng)性能研究

項(xiàng)葉琴 上海鐵路局上海動(dòng)車客車段

隨著列車速度不斷提高，高速列車的運(yùn)營(yíng)對(duì)鐵路建設(shè)、周邊環(huán)境和機(jī)車研究生產(chǎn)都帶來了一定影響，很多在低速運(yùn)行時(shí)忽略的問題顯現(xiàn)出來，在很大程度上影響列車提速。

例如車速提高時(shí)，噪聲變得明顯；機(jī)車車輛受到的氣動(dòng)力也明顯增加，對(duì)機(jī)車車輛的強(qiáng)度和氣密性要求更加嚴(yán)格，側(cè)風(fēng)下運(yùn)行的穩(wěn)定性也將受到很大影響。列車氣動(dòng)力性能惡化，不僅列車空氣阻力、側(cè)向力及升力迅速增加，其側(cè)向穩(wěn)定性急劇下降，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致列車傾覆。因此對(duì)高速列車在強(qiáng)側(cè)風(fēng)下的氣動(dòng)性能進(jìn)行分析就變得十分重要。高速列車運(yùn)行時(shí)，強(qiáng)側(cè)風(fēng)是影響列車運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性及舒適性的一個(gè)重要因素。當(dāng)側(cè)向風(fēng)達(dá)到一定速度時(shí)，列車會(huì)產(chǎn)生共振，引起乘客不適，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致車輛結(jié)構(gòu)的疲勞破壞。在強(qiáng)勁的側(cè)向風(fēng)作用下，列車受到的側(cè)向氣動(dòng)力可能使列車橫擺超限、脫軌，甚至出現(xiàn)翻車和人員傷亡事故。因此，研究不同橫風(fēng)速度下和不同風(fēng)向角下高速列車的氣動(dòng)性能，對(duì)列車的安全運(yùn)行有十分重要的意義。論文分別對(duì)車輛在不同風(fēng)速和不同風(fēng)向角工況進(jìn)行數(shù)值模擬，以此獲得列車的氣動(dòng)性能規(guī)律。

1 計(jì)算區(qū)域及邊界條件

1.1 計(jì)算區(qū)域

論文采用二維數(shù)值模型研究CRH1型高速列車在不同橫風(fēng)風(fēng)速和風(fēng)向角工況下的氣動(dòng)性能。為了避免長(zhǎng)度方向車輛背風(fēng)面出現(xiàn)尾流影響，寬度方向出現(xiàn)阻塞效應(yīng)，計(jì)算區(qū)域選取450 m×300 m×100 m（長(zhǎng)×寬×高）,如圖1。

圖1 計(jì)算區(qū)域

1.2 計(jì)算網(wǎng)格及邊界條件

由于結(jié)構(gòu)網(wǎng)格計(jì)算準(zhǔn)確性高，故采用它進(jìn)行離散。同時(shí)考慮到車體表面對(duì)空氣的黏著作用，車體附近網(wǎng)格需進(jìn)行加密處理，故車體模擬生成附面層提高計(jì)算精度。列車斷面網(wǎng)格及車體表面附近網(wǎng)格圖分別見圖2 和圖3。對(duì)列車外流場(chǎng)的數(shù)值模擬只能在足夠大的有限區(qū)域進(jìn)行，故需在區(qū)域邊界給定合理的邊界條件。由于已知空氣流的速度，所以入口邊界條件取為速度入口，出口設(shè)為壓力出口條件，靜壓為0，車體、地面及計(jì)算區(qū)域上邊界均設(shè)為無滑移的光滑壁面邊界條件。

圖2 列車斷面網(wǎng)格

圖3 車體表面附近網(wǎng)格

1.3 數(shù)值計(jì)算理論基礎(chǔ)

采用穩(wěn)態(tài)、三維、不可壓N-S 方程和k-ε 雙方程湍流模型，基于控制方程（質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、湍流動(dòng)能方程和湍流耗散率方程），運(yùn)用大型流體數(shù)值計(jì)算軟件FLUENT 對(duì)強(qiáng)側(cè)風(fēng)作用下CRH1型高速列車的氣動(dòng)性能進(jìn)行模擬分析。

2 計(jì)算工況

為便于計(jì)算對(duì)比，所得氣動(dòng)載荷結(jié)果均轉(zhuǎn)換為無量綱系數(shù)。側(cè)風(fēng)環(huán)境下，車輛受到的氣動(dòng)力主要有側(cè)向力Fs,升力FL和傾覆力矩FM，分別對(duì)應(yīng)各參數(shù):

其中，CS為氣動(dòng)側(cè)向力系數(shù)；CL為氣動(dòng)升力系數(shù)；CM為傾覆力矩系數(shù)；FS為氣動(dòng)側(cè)向力；FL為氣動(dòng)升力；FM為傾覆力矩；原點(diǎn)位于軌道中心線處；ρ為空氣密度，A為車輛單位長(zhǎng)度側(cè)向投影面積，H為車輛重心參考高度。

本文研究的重點(diǎn)是不同風(fēng)向角，不同側(cè)風(fēng)速度工況下列車的外流場(chǎng)分析。據(jù)此選取了一些特定的工況進(jìn)行研究，具體如下：

1、車速為0，側(cè)風(fēng)風(fēng)向角為90°，風(fēng)速分別取20.7 km/h、24.4 km/h、28.4 km/h、32.6 km/h、40 km/h、50 km/h 時(shí)，CRH1型高速列車的氣動(dòng)性能參數(shù)；

2、車速為0，側(cè)風(fēng)風(fēng)速為32.6 km/h，風(fēng)向角分別取15°、30°、45°、60°、75°、90°時(shí)，CRH1型高速列車的氣動(dòng)性能參數(shù)；

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 不同側(cè)風(fēng)速度氣動(dòng)力系數(shù)比較

表1 為CRH1型高速列車在風(fēng)向角固定為90°時(shí)，不同橫風(fēng)風(fēng)速工況下的橫向力系數(shù)、升力系數(shù)及傾覆力矩系數(shù)。

由表1 及圖4 可以看出：當(dāng)風(fēng)向角固定時(shí)，隨著側(cè)風(fēng)風(fēng)速的增大，CRH1型高速列車的側(cè)向力、升力及傾覆力矩均隨著側(cè)風(fēng)速度的增大而增大，但其對(duì)應(yīng)的氣動(dòng)力系數(shù)基本保持不變。

表1 不同橫風(fēng)風(fēng)速下CRH1 型高速列車的橫向力系數(shù)、升力系數(shù)及傾覆力矩系數(shù)

圖4 為對(duì)應(yīng)的氣動(dòng)力系數(shù)隨側(cè)向風(fēng)速變化曲線圖。

3.2 不同風(fēng)向角氣動(dòng)力系數(shù)比較

表2 不同風(fēng)向角下CRH1 型高速列車橫向力系數(shù)、升力系數(shù)及傾覆力矩系數(shù)

?

由表2 及圖5 可以看出：當(dāng)側(cè)向風(fēng)速固定時(shí)，在不同風(fēng)向角下，CRH1型高速列車的橫向力、升力及傾覆力矩均隨著風(fēng)向角的增大而增大，風(fēng)向角增加到75°后，阻力、升力、傾覆力矩的增長(zhǎng)率變小，趨于平緩增加，其對(duì)應(yīng)的氣動(dòng)力系數(shù)變化規(guī)律和氣動(dòng)力變化規(guī)律保持一致。

4 結(jié)論

（1）風(fēng)向角固定為90°時(shí)，隨著側(cè)風(fēng)速度的增大，CRH1型高速列車的側(cè)向力、升力及傾覆力矩均隨著側(cè)風(fēng)速度的增大而增大，但其對(duì)應(yīng)的氣動(dòng)力系數(shù)基本保持不變；

（2）側(cè)向風(fēng)速固定為32.6 m/s 時(shí)，隨著風(fēng)向角的變化，CRH1型高速列車的橫向力、升力及傾覆力矩均隨著風(fēng)向角的增大而增大，風(fēng)向角增加到75°后，阻力、升力、傾覆力矩的增長(zhǎng)率變小，趨于平緩增加，其對(duì)應(yīng)的氣動(dòng)力系數(shù)變化規(guī)律和氣動(dòng)力變化規(guī)律保持一致。