動車組橫風環境下的交會氣動效應

劉峰，姚松，張潔，張娜(中南大學 交通運輸工程學院，軌道交通安全教育部重點實驗室，湖南 長沙，410075)

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動車組橫風環境下的交會氣動效應

劉峰，姚松，張潔，張娜
(中南大學 交通運輸工程學院，軌道交通安全教育部重點實驗室，湖南 長沙，410075)

摘要：采用三維、可壓縮、非定常N?S方程的數值計算方法，對8輛編組的動車組在20 m/s橫風下以250 km/h速度交會時列車表面瞬變壓力和車體所受氣動力及力矩進行分析，并采用間接驗證方法，將風洞實驗、動模型實驗得到的結果分別與數值模擬結果進行對比。研究結果表明：間接驗證方法下所得氣動效應實驗結果和數值模擬結果變化規律一致，壓力幅值相對誤差在 5%以內；動車組橫風下交會時，車體頭、尾處測點壓力差別較大，中部位于同側測點壓力差異較小，同一高度、不同縱向測點的壓力變化波形及幅值基本一致，車體頂部測點壓力始終為負；對于車體所受橫向氣動力及傾覆力矩，頭車比中間車和尾車的大，背風車比迎風車的大；隨著橫風風速的增加，列車所受橫向氣動力及傾覆力矩峰值也迅速增加，嚴重威脅著動車組的安全運行。

關鍵詞：動車組；橫風；交會；風洞實驗；動模型實驗；氣動效應

動車組高速交會時，交會側的空氣壓力發生突變，產生瞬態壓力沖擊，會對車體鋼結構、側窗和車體橫向穩定性帶來不利影響[1?3]。交會過程中若遭遇較大的橫風，可使交會壓力波幅值增加，列車將承受更大的橫向沖擊載荷[4?5]。我國地形及氣象條件比較復雜，不少行車區段已處于強風區，而隨著高速鐵路的不斷發展，強風區內動車組交會不可避免[6]：因此，研究動車組橫風下交會時的氣動效應具有很強的現實意義。對于橫風效應和列車交會問題，國內外學者開展了諸多數值模擬研究[7?14]，但將二者進行耦合分析即同時考慮列車橫風環境下發生交會的研究較少。為此，本文作者以國內處于風區中的某客運專線高速鐵路為研究對象，采用數值模擬方法對動車組在橫風下以250 km/h 速度交會時的車體表面測點壓力、車體所受橫向氣動力及傾覆力矩變化進行分析，為動車組在風區內交會安全性提供氣動依據。另外，對于列車橫風下交會這種復雜工況，采用的數值模擬方法很難通過實驗手段進行直接驗證。據文獻[15]，在對物理假說進行驗證時，對于受實驗水平的限制暫時達不到要求的情況，可以采用間接驗證的方法。基于這一思路，采用風洞模型實驗和動模型實驗，將動車組單列橫風下運行、2 列無風下交會運行的動車數值計算結果與實驗結果分別進行對比，以間接驗證本文所采用數值計算方法的可行性。

1數值計算模型及計算方法

依照所選列車及線路的實際幾何特征，建立列車橫風交會數值計算模型。交會列車選用國內高鐵線路上較常見的2款動車組，為了與實際運營盡量一致，列車模型均采用8輛編組，即頭車、6 節中間車和尾車，2款動車組全長分別為201.4 m和205.2 m。根據“鐵路200～250 km/h 既有線技術管理辦法”，動車組在環境風速不大于20 m/s時可以正常速度運行，本文選擇動車組交會速度為250 km/h，環境風速為20 m/s，風向角為90°。交會開始前2車頭相距100 m，線間距為5m。靠近橫風入口的列車為迎風車，離橫風入口較遠的列車為背風車。采用混合網格對計算區域進行離散，即在幾何外形復雜的列車周圍區域采用非結構網格，其他區域采用結構化網格。同時加密列車周圍網格密度，遠離車體網格采用稀疏網格，密網格和稀疏網格之間以一定的增長因子均勻過渡。計算區域和計算網格分別如圖1和圖2所示。

圖1　計算區域Fig.1　Computational zone

圖2計算網格Fig.2Computational mesh

基于三維、非定常、可壓縮、黏性流場對動車組橫風下交會進行流場數值分析，采用工程上應用廣泛的k?ε湍流模型，時間步長為0.005 s，詳細流場控制方程及湍流模型見文獻[16]。為了得到穩定初始流場，先讓列車靜止，加載橫風，待風場充分發展后再啟用滑移網格使列車運動。采用分區對接滑移網格技術，即在有相對運動的不同網格間設置公共滑移界面，從而實現彼此的數據交換。為了對車體表面瞬變壓力進行分析，在動車組表面布置多個測點。迎風車與背風車布點方式一致，單列車共66個；頭車和尾車測點布置位置相同，且數量相對較多；車體中部壓力變化較小，所以，只在每節中間車的同一截面布置5個測點。具體布點方式如圖3所示。

圖3　動車組模型測點布置圖Fig.3　Points arrangement of EMU model

2　橫風下交會空氣動力效應分析

2.1動車組表面壓力變化

當動車組無風交會、車體表面測點壓力在對方頭車鼻尖到達時，會產生1個正、負脈沖，即頭波；在最大負脈沖出現后開始等幅波動，直到對方尾車鼻尖通過時，則會產生1個負、正脈沖，即尾波。由于本文選用動車組編組較長，故尾波幅度遠小于頭波幅度[17]。

當動車組交會發生在橫風下時，流場則會同時具有橫風特性和交會特性。一方面，橫風會改變動車組表面尤其是頭尾區域原有的壓力分布，致使交會壓力波也發生相應改變。以迎風車車頭為例，橫風作用會使車頭表面正壓區朝逆風向偏移，負壓區朝順風向偏移，因此，當背風車車身測點與其發生交會時，單由交會所產生的頭波正脈沖被削減，負脈沖被加強。另一方面，2 列動車組在橫風下交會時，由于彼此之間具有擋風作用，使的車體表面壓力幅值會產生進一步改變。圖 4所示為動車組橫風下交會時車體表面的壓力分布。

圖4動車組橫風下交會車體表面壓力云圖Fig.4PressureContour of EMU in passing each other underCrosswind

圖5和圖 6所示分別為迎風車、背風車車身中部測點(21號測點)的壓力變化曲線。從圖5和圖6可以看出：由于橫風和交會壓力波的雙重作用，動車組橫風交會時車體表面測點壓力與無風交會時有明顯不同；對于迎風車車體交會側測點，與無風交會相比，壓力頭波正波幅值較大，負波幅值較小；而壓力尾波正波幅值較小，負波幅值較大；頭、尾波之間的區間段壓力波動差別不大；對于背風車車體交會側測點，幅值較大的為頭波負波和尾波正波；非交會側壓力主要受橫風影響，有風與無風時，測點壓力幅值有一定的變化，而交會頭波和尾波帶來的幅值變化較小。近(4號測點)，分別為?1.76 kPa和2.37 kPa。尾車測點壓力幅值相對較小，鼻尖壓力(66 號測點)最大值及峰峰值分別為0.30 kPa和0.54 kPa。

圖5　迎風車車身中部測點壓力變化曲線Fig.5　Curves of pressure for measuring points in the middle of upwind vehicle

圖6　背風車車身中部測點壓力變化曲線Fig.6　Curves of pressure for measuring points in the middle of leeward vehicle

2.2動車組壓力變化幅值

圖7所示為動車組頭車對稱面上不同位置測點(見圖3)的壓力變化曲線。從圖7可以看出：在同一時刻，頭車鼻尖與車身過渡處壓力相差4.00 kPa左右；動車組橫風下交會時，除車體交會側與非交會側壓力幅值差異較大外，頭、尾車由于曲率變化較大，其測點壓力幅值差異也比較大。以迎風車車體表面測點壓力為例，交會過程中車體表面最大正壓發生在車頭鼻尖附近(1號測點)，為3.55 kPa，最大負壓及最大壓力峰峰值(最大值?最小值)發生在車頭鼻尖偏交會側附

動車組中部幾何結構相對簡單，位于車體同側的測點壓力變化較小。圖 8所示為車體中部同一斷面不同測點壓力變化曲線。從圖8可以看出：對于動車組同側的測點，隨著車體垂向高度不同，測點壓力變化不大，壓力幅值及壓力峰峰值僅相差0.05 kPa左右；車體頂部測點壓力始終為負值，其最大正壓及峰峰值分別為?0.16 kPa和0.41kPa。沿車身不同縱向位置的測點，由于發生交會時刻不同，使得其壓力變化也有所不同。圖9所示為車體交會側不同縱向位置測點壓力變化曲線。從圖9可以看出：除了相位有所不同外，各測點壓力變化波形及幅值基本一致。背風車的各測點壓力變化波形及幅值與迎風車的類似。

圖7　車頭不同位置測點壓力變化曲線Fig.7　Curves of pressure for measuring points of different locations on head surface

圖8　車體中部同一截面不同測點壓力變化曲線Fig.8　Curves of pressure for different measuring points in the same section of the middle of EMU

圖9　車體中部不同縱向位置測點壓力變化曲線Fig.9　Curves of pressure for measuring points of different longitudinal locations on the middle part of train

圖10　迎風車所受橫向氣動力變化曲線Fig.10　Curves of lateral force acting on upwind vehicle

2.3動車組所受氣動力及力矩

圖10～13所示分別為動車組橫風下交會時，車體所受橫向氣動力及傾覆力矩變化曲線。由于中間車所受力及力矩變化幅值相差較小，因此，只選擇第4節車進行分析。從圖10～13可以看出：受交會壓力波的排斥、吸引作用，迎風車所受橫向氣動力及傾覆力矩在交會開始時先減小后增大，而在交會結束時先增大后減小；而背風車在交會開始時先增大后減小，在交會結束時先減小后增大；與中間車和尾車相比，頭車所受橫向氣動力及傾覆力矩較大；當頭車在另一列車區段內行駛時，由于對方動車組的擋風作用，其所受橫向氣動力及傾覆力矩較非交會時有所減小。

綜合比較各節車輛所受氣動載荷，背風車頭車所受橫向氣動力及傾覆力矩相對最大，這是由于交會初始時產生的壓力頭波正脈沖與橫風作用產生了疊加。表1所示為不同橫風風速下，動車組以250 km/h交會，背風車頭車所受橫向氣動力及傾覆力矩峰值。從表1可以看出：隨著橫風風速增加，車體所受橫向氣動力及傾覆力矩峰值也迅速增加，當風速為40 m/s時，背風車頭車所受橫向氣動力正峰值達到213.1kN，傾覆力矩正峰值達到356.2 kN?m，嚴重影響了動車組的安全運行穩定性。

圖11　背風車所受橫向氣動力變化曲線Fig.11　Curves of lateral force acting on leeward vehicle

圖12迎風車所受傾覆力矩變化曲線Fig.12Curves of overturning moment acting on upwind vehicle

圖13　背風車所受傾覆力矩變化曲線Fig.13　Curves of lateral force overturning moment acting on leeward vehicle

表1　不同橫風風速下背風車頭車所受橫向氣動力及傾覆力矩峰值Table1　Lateral force and overturning moment acting on headCar of leeward vehicle underCrosswind with different speeds

3　模型實驗間接驗證

3.1風洞實驗

風洞實驗在長×寬×高為15 m×8 m×6 m的大型低速風洞進行[18]。選擇3輛編組(頭車+中車+尾車)的迎風車動車組為研究對象。模型縮比為1:15，合成風速為60 m/s，側滑角分別為0°，30°，60°，70°，80° 和 90°。正式實驗前，通過調整風速，確保實驗雷諾數滿足自模擬區域，即氣動力系數、力矩系數不再隨來流速度的變化而改變。對于單車的數值模擬部分，模型縮比為1:15，合成速度為60 m/s，馬赫數Ma小于0.3，可認為是不可壓縮流動問題，但為了保證與模擬雙車交會時計算方法的統一性，按照可壓縮問題進行處理。圖14所示為在相同來流條件下，相同外形的動車組在平地上所受橫向氣動力及傾覆力矩的數值計算結果與風洞實驗結果對比。從圖14可以看出：數值計算所得橫向氣動力和傾覆力矩與實驗結果變化規律一致，除 90°側滑角外，其他工況計算結果與實驗結果相對誤差在 5%以內。計算橫風交會工況的側滑角并沒有涉及 90°等大角度，這說明本文模擬橫風所使用的計算方法是合理的。

圖14　風洞實驗結果與計算結果比較Fig.14Comparison between wind tunnel test results andCalculated results

3.2動模型實驗

采用中南大學軌道交通安全教育部重點實驗室的列車氣動性能動模型實驗裝置，驗證本文對于動車組無風交會時氣動效應模擬的有效性。該實驗裝置可以真實再現動車組高速交會時的空氣三維非定常流動現象，是模擬列車交會氣動問題的專用大模型實驗設備[19]。實驗所用2列動車組模型與數值計算模型完全一致，編組同為8 輛，模型縮比均為1:31。根據流動相似原理，動模型實驗中模擬雷諾數是重要的相似準則，而當實驗雷諾數大于臨界雷諾數3.6×10 5(由實驗測得)時，氣動特性就不再隨雷諾數變化而改變[19]。本次動模型實驗列車速度為250 km/h，特征長度取模型車高0.119 m，在大氣壓為1×105Pa下，20℃時的空氣運動黏性系數為15.0×10?6m2/s，得出實驗雷諾數為 5.5×105，大于臨界雷諾數，說明本次的實驗結果滿足相似性要求。

兩動車組在無風下以250 km/h 速度交會時，數值計算與動模型實驗中位于相同位置的測點壓力變化進行對比。圖15所示為動車組中部交會側測點(21號測點)隨時間的壓力變化曲線對比。從圖15可以看出：通過數值計算與動模型實驗得到的車體表面壓力曲線變化規律基本一致，幅值相對誤差在 5%以內，說明本文采用的數值計算方法可以較好地模擬動車組交會時所引發的空氣動力效應問題。需注意的是：在用模型實驗間接驗證數值計算方法的可行性時，只針對模型縮比影響進行分析，對于列車模型編組差異帶來的影響將有待進一步研究。

圖15　動模型實驗結果與計算結果比較Fig.15　Comparison between moving model experiment results andCalculation results

4 結論

1)風洞實驗、 動模型實驗得到的結果分別與數值模擬進行對比，所得到氣動效應變化規律基本一致，動車組表面測點壓力幅值相對誤差在 5%以內，從而間接證明了本文采用的數值計算方法能夠較好地模擬動車組橫風下交會時所誘發的空氣動力效應問題。

2)動車組在20 m/s橫風下以250 km/h交會時，車體表面最大正壓發生在車頭鼻尖附近，最大負壓及最大壓力峰峰值發生在車頭鼻尖偏交會側附近，且在車體頭、尾部不同位置測點壓力差別較大，頭車鼻尖處壓力比車身過渡處大4.00 kPa左右；車體頂部測點壓力始終為負值；車體中部處于同側的不同測點壓力差別較小，不同高度側點壓力幅值相差0.05 kPa左右，同一高度不同縱向測點壓力變化波形及幅值基本一致。

3)迎風車所受橫向氣動力及傾覆力矩在交會開始時先減小后增大，而在交會結束時先增大后減小，背風車與之相反；與迎風車相比，背風車所受橫向氣動力及傾覆力矩較大；與中間車和尾車相比，頭車所受橫向氣動力及傾覆力矩較大；隨著橫風風速增大，車體所受橫向氣動力及傾覆力矩峰值也迅速增大，嚴重威脅著動車組的安全運行。

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(編輯 陳燦華)

Aerodynamic effect of EMU passing by each other underCrosswind

LIU Feng,YAO Song,ZHANG Jie,ZHANG Na
(Key Laboratory of Traffic Safety on Track of Ministry of Education,School of Traffic & Transportation Engineering,Central South University,Changsha 410075,China)

Abstract:Based on unsteady N?S equation of three-dimensional andCompressible viscous fluid,the transient pressure on theCar surface,aerodynamic pressure and its moment were analyzed on theCondition that the EMU(electric multiple units)Consisting of8carriages interact with each other at the speed of 250 km/h under aCrosswind speed of 20 m/s.The results show that byContrasting the results of wind tunnel test and moving model experiment with numerical simulation using indirect verification method,theChange law of aerodynamic effect shows agreeable accordance with an error under 5%.When passing by each other underCrosswind,the pressure difference of measuring points on body and tail is obvious,the measuring points on the same side of middle part shows little difference,the waveform and amplitude of pressure variation on the measure points of different longitude directions with one height are the same generally,and the measurement point on the top of body presents negative pressure.The lateral force and overturning moment of the headCar are greater than those of the middle and the tail,and the later force and overturning moment of the leeward vehicle are greater than those of the upward one.With the increase ofCrosswind speed,the aerodynamic lateral force and overturning moment increase by the power law,which threatens the safe running of EMU greatly.

Key words:EMU(electric multiple units)?Crosswind? train-crossing? wind tunnel test? moving model experiment? aerodynamic effect

中圖分類號：U271.91；U25

文獻標志碼：A

文章編號：1672?7207(2016)01?0307?07

DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2016.01.042

收稿日期：2015?01?10；修回日期：2015?03?25

基金項目(Foundation item)：國家自然科學基金資助項目(11372360,U1134203,51205418)；中南大學自由探索基金資助項目(2014zzts038)；中國鐵路總公司科技研究開發計劃項目(2014T001-A)；湖南省杰出青年基金資助項目(14JJ103)(Projects(11372360,U1134203,51205418)supported by the National Natural Science Foundation ofChina? Project(2014zzts038)supported by the Exploration and Innovation Funds for Graduate Students ofCentral South University? Project(2014T001-A)supported by Science and Technology Research and Development Program ofChina RailwayCorporation? Project(14JJ103)supported by Outstanding Youth Fund of Hunan Province)

通信作者：姚松，副教授，從事軌道交通安全研究；E-mail: song_yao@csu.edu.cn