擋風墻后動車組與普速列車交會氣動特性

潘新先,姚松，曾林森

(1.烏魯木齊鐵路局，新疆 烏魯木齊 830011；2.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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擋風墻后動車組與普速列車交會氣動特性

潘新先1,姚松2，曾林森2

(1.烏魯木齊鐵路局，新疆 烏魯木齊 830011；2.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輛編組的動車組和5輛編組的普速列車在3.5 m擋風墻和20 m/s橫風環境下，以250/160 (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、實車試驗得到的結果分別與數值模擬進行對比。研究結果表明：間接驗證方法所得的實驗和數值模擬的氣動效應變化規律基本一致，最大誤差在12%以內，驗證了本文數值方法及結果的可靠性。兩車橫風下交會的整個過程中，同一時刻位于車頭不同位置的測點間壓力差別較大，位于列車中部同側的測點間壓力差別較小；列車頭車所受橫向力及傾覆力矩幅值比中間車和尾車大，且處于二線列車所受橫向力及傾覆力矩幅值大于一線列車。列車橫風下交會時，特別是在列車交會的尾波部分，車體所受氣動效應比單車運行時更為顯著，對列車大風下運行帶來更大的安全隱患。

關鍵詞：動車組；普速列車；橫風；交會；氣動效應

大風對行車安全危害極大，在其作用下，列車氣動性能惡化，不僅氣動阻力迅速增加，還嚴重影響列車的橫向穩定性，行駛車輛左右擺動加劇，嚴重時將導致列車脫軌傾覆[1]。由側向風引發的行車安全事故在世界各國時有發生，大風給鐵路運輸安全、人民生命財產造成嚴重威脅，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，新疆地區曾先后發生大風吹翻列車13次的重大事故，總計翻車79輛[2]。高速行駛的列車使其周圍的空氣流場受到強烈擾動，當兩相對行駛的列車交會時，這一擾動將會更加激烈，尤其是鄰線列車的頭部或尾部通過的瞬間，將引起交會一側的空氣壓力發生突變，形成瞬態沖擊交會氣動力，從而對行車安全、旅客的舒適性、環境等產生影響。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[3-7]。國內外學者已利用試驗和仿真手段對交會壓力波特性開展了大量研究[8-10]，分析交會壓力波的影響因素、壓力波與不同地形、線間距、交會速度、列車編組方式、頭型、車體寬度等的關系。而在風力較強的風區，為防止列車事故，普遍采取的措施是修建擋風墻[11-13]。本文以蘭新第二雙線鐵路為研究對象，對動車組與普速列車在有擋風墻及橫風作用下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，為動車組合普速列車在風區內交會安全性提供氣動依據，具有很強的實際意義。

1數值模擬

1.1數學模型

本文采用三維、非定常N-S方程的數值計算方法對流場進行數值分析，由于列車車速與橫風風速的合成速度大于65 m/s，其馬赫數大于0.3，同時列車在交會過程中流場瞬變劇烈，因此按照可壓縮問題進行處理。在標準大氣壓下，溫度為20 ℃時空氣的運動黏度v=1.5×10-5m2/s，雷諾數Re=ul/v=8.57×10-6，遠大于臨界雷諾數，列車處在湍流流場，因此，采用k-ε雙方程湍流模型[12]描述擋風墻后列車周圍流場。參考近幾年已發表的文獻，本文計算時經驗常數取值如下：C1=1.47，C2=1.92，σk=1.0，σz=1.33。

1.2計算模型、網格及測點布置

計算中選用的普速列車采用5輛編組(SS8機車+3節25T型單層客車+SS8機車)，動車組采用8車編組。計算工況選取普速列車和動車組在一線和二線交替交會，擋風墻高度為3.5 m，普速列車和動車組運行速度分別為160 km/h和250 km/h，橫風風速為20 m/s。圖1為動車組和普速列車橫風下交會計算區域。計算區域下游邊界盡可能遠離列車尾部，以避免出口截面受到列車尾流的影響；初始時刻兩車頭相距100 m，保證兩車在交會時，風場已發展充分。車體附近采用較細的非結構網格，遠離車體處采用較為稀疏的結構網格，車體表面網格如圖2所示。

為了對車體表面瞬變壓力進行分析，在普速列車表面布置了多個測點。其中頭車和尾車布點方式相同，分別布置7個測點；2車布置9個測點；3車和4車布點方式相同，分別布置5個測點。具體布點方式如圖3所示。

圖1　計算區域Fig.1 Computational zone

圖2　計算網格Fig.2 Computational mesh

圖3　普速列車模型測點布置圖Fig.3 Points arrangement of Universal train model

2試驗驗證

對于列車在擋風墻-橫風耦合作用下交會的復雜工況，采用的數值模擬方法很難通過實驗手段進行直接驗證，文獻[14]提到，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，本文采用風洞模型實驗和實車試驗，將動車組和普速列車單列橫風下運行的數值計算結果與實驗結果進行對比，從而嘗試間接驗證本文所采用數值計算模型的可行性。

2.1動車組模型數值仿真與風洞實驗結果對比

橫風作用下某型動車組氣動性能風洞實驗在中國空氣動力研究與發展中心8 m×6 m風洞中進行。該風洞為閉口串聯雙實驗段大型低速風洞，按風洞實驗段尺寸，高速列車風洞模型縮比為1∶15，圖4為此次實驗的動車組風洞實驗模型圖，風洞中合成風速為60 m/s，側滑角β分別為0°，10°，20°，30°，40°，50°，60°，70°，80°和90°。從圖5的數值對比結果可以看出，數值計算與風洞實驗分別所得氣動參數隨側滑角變化曲線吻合良好，曲線變化規律基本一致，所得最大氣動升力系數Cl，橫向力系數Cs及傾覆力矩系數Cmx相差均在10%以內，可說明本文模擬橫風所使用的動車組模型計算方法是合理的。

圖4　風洞實驗動車組模型Fig.4 Model of EMU of wind tunnel test

圖5　風洞實驗結果與計算結果比較Fig.5 Comparison between wind tunnel test results and calculation results

2.2普速列車模型數值仿真與實車試驗結果對比

2015年12月烏魯木齊鐵路局聯合中南大學在蘭新線“百里風區”進行了大風下列車空氣動力學試驗(圖6)。表1為相同工況下，實車試驗與數值計算結果對比。從表1可見：除了升力相差較大外(11.5%)，橫向力和傾覆力矩的相對誤差均在6%之內。兩者吻合較好，從而驗證了本文采用的普速列車計算模型是合理的。

圖6　25T實車試驗測點照片Fig.6 Photo of 25T real vehicle test points

Table 1 Comparison between calculation results and real vehicle test results

方法升力系數側向力系數傾覆力矩系數實車試驗0.4231.0030.858數值模擬0.3741.0610.829相對誤差/%11.55.83.3

3橫風和擋風墻作用下的列車交會氣動特性分析

3.1列車表面壓力及氣動力

列車交會在擋風墻-風載荷的耦合作用下，擋風墻的防風特性使得橫風有部分繞流形成了較復雜的漩渦現象，使得流場的變化非常劇烈。通過分析計算結果可得，當兩車擋風墻后交會過程中，最大、最小壓力值都出現在頭車測點，且各測點間壓力值差異較大；列車中部測點間壓力變化差異較小。普速列車車體表面測點最大壓力出現在鼻尖附近，值為1 332 Pa；最小壓力出現在鼻尖往上與車頂過渡的位置，值為-998 Pa。車頂測點全程處于負壓狀態，車頭鼻尖周圍位置全程處于正壓狀態，并從鼻尖往四周逐漸減小至負壓值，由于擋風墻防風過度的影響，鼻尖周圍的正壓區域向迎風側方向偏移。

圖7為普速列車中部不同高度的測點壓力變化曲線，顯然同一節車在車身的不同高度壓力變化基本一致，而不同中部車因其在縱向的位置不同，頭波尾波到達的時間不同之外，其壓力變化規律也基本相同。圖8為普速列車中間車中部截面的各測點壓力變化曲線，交會側變化明顯，其峰峰值為793 Pa,非交會側變化幅值不超過150 Pa，且全程處于負壓狀態。

圖7　交會側不同高度壓力Fig.7 Curves of pressure for different height at theintersection part points

圖8　中間車截面測點壓力Fig.8 Curves of pressure for measuring at the central vehicle cross-section

圖9為兩車橫風下交會時，各節車廂的橫向力峰值對比。對于普速列車，當其位于一線會車時，車體所受最大正向橫向力為27.2 kN，出現在頭車；最大負向橫向力-36.1 kN，出現在中間車；當普速車位于二線時，將比位于一線交會受到更大的氣動載荷，其最大、最小橫向力均出現在頭車，分別為19 kN和-39.8 kN。對于動車組，在一線會車時最大正峰值6.9 kN出現在頭車，頭車至尾車負向絕對幅值依次增大，最小負峰值-36.2 kN出現在尾車，最大峰峰值為頭車的26 kN；在二線交會時全車的最大正負峰值都出現在頭車，分別為19.1 kN和-39.2 kN，峰峰值為58.3 kN；動車組位于二線交會的側向力最大絕對峰值和峰峰值分別比一線增長了8.2%和123.2%。

(a)單客：1線，動車組：2線；(b)單客：2線，動車組：1線圖9　車體橫向力變化Fig.9 Lateral force acting of the train

3.2交會前后的氣動性能比較

選取交會氣動力性能比較惡劣的位于二線的普速列車進行交會前后的氣動效應對比，從表2可得頭車的幅值增長最大，其側向氣動力和傾覆力矩分別比會車前增長了17.9倍和7.5倍。交會前的列車雖然在擋風墻的防風過度下基本處于負壓狀態，但其絕對值比沒擋風墻下的正壓值小很多，交會后列車的氣動效應幅值顯然比交會前增大不少，嚴重影響了列車的安全運行穩定性。

表2普速列車二線交會前后氣動性能對比

Table 2 Comparison of aerodynamic performance before and after intersecion on the second line

車輛側向氣動力/kN傾覆力矩/(kN·m)交會前交會中負峰值交會中正峰值交會前交會中負峰值交會中正峰值頭車-2.0-37.817.19.8-43.883.3二車-14-31.914.323.1-40.671.5三車-14.3-31.915.323.9-41.963.4四車-14.8-29.013.430.1-35.760.5尾車-2.7-20.010.810.3-33.439.8

4結論

1)動車組和普速列車單列橫風下運行的數值計算結果與風洞實驗、實車試驗結果進行了對比，所得的氣動效應變化規律基本一致，最大誤差為10%左右，說明本文采用的計算模型及數值方法能夠較好地模擬橫風下列車空氣動力效應問題。

2)列車橫風下交會過程中，最大、最小壓力值均出現在列車頭部，而列車中部不同測點間壓力值差異較小；最大正值出現在鼻尖位置,最小負值出現在鼻尖往上與車身交接的位置。車頂測點全程處于負壓狀態，車頭鼻尖周圍位置全程處于正壓狀態，并從鼻尖往四周逐漸減小至負壓值，由于擋風墻防風過度的影響，鼻尖周圍的正壓區域往迎風側方向偏。

3)無論動車組或是普速列車，列車位于二線比位于一線交會受到更大的氣動載荷；相比于中間車而言，頭、尾車受到的氣動橫向力更為顯著。

4)列車橫風下交會比單車運行時產生更加復雜的氣動效應，車體所受氣動橫向力及傾覆力矩幅值在交會瞬間急劇增加，建議結合列車動力學對橫風下交會車體運行穩定性展開進一步研究。

參考文獻：

[1] 田紅旗. 列車空氣動力學[M]. 北京: 中國鐵道出版社, 2007: 99-101.

TIAN Hongqi. Train aerodynamics[M]. Beijing: China Railway Press, 2007: 99-101.

[2] 葛盛昌. 新疆鐵路風區大風天氣列車安全運行辦法研究[J] .鐵道運輸與經濟, 2009, 31(8): 32-34..

GE Shengchang. Research on method for train safety in strong wind areas along Xinjiang railway[J]. Railway Transport and Economy, 2009, 31(8): 32-34.

[3] 陶澤平，楊志剛，陳羽. 側風風場特征對高速列車交會的影響研究[J]. 力學與實踐,2013, 35(2): 22-28.

TAO Zeping, YANG Zhigang, CHEN Yu. The influence of crosswind field characteristics on operating performance of high speed trains in passing each other[J]. Mechanics in Engineering, 2013, 35(2): 22-28.

[4] LI Yongle, XIANG Huoyue, WANG Bin, et al. Dynamic analysis of wind-vehicle-bridge coupling system during the meeting of two trains[J]. Advances in Structural Engineering, 2013, 16(10): 1663-1670.

[5] Suzuki M, Tanemoto K, Maeda T. Aerodynamic characteristics of train/vehicles under cross winds[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2003, 91: 209-218.

[6] 劉金明, 劉堂紅, 蘇新超. 強側風條件下接觸網檢修作業車氣動性能研究[J]. 鐵道科學與工程學報, 2015, 12 (4): 905-910.

LIU Jinming, LIU Tanghong, SU Xinchao. Study on aerodynamic performances of a vehicle for the catenary maintenance under crosswinds[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2015, 12 (4): 905-910.

[7] Baker C J. The simulation of unsteady aerodynamic cross wind forces on trains[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2010, 98(2): 88-99.

[8] 繆曉郎, 陳春俊, 李淼. 高速列車明線交會對列車的橫向振動影響研究[J]. 鐵道學報, 2014, 36(12): 87-92.

MIAO Xiaolang, CHEN Chunjun, LI Miao. Influence of intersection on lateral vibration of high-speed train on open tracks[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2014, 36(12): 87-92.

[9] Joseph A S. Aerodynamics of high-speed trains[J].Annual Review of Fluid Mechanics, 2001, 33(3): 371-414.

[10] 李人憲, 趙晶, 劉杰, 等. 高速列車會車壓力波對側窗的影響[J]. 機械工程學報, 2010, 46(4): 87-92.

LI Renxian, ZHAO Jing, LIU Jie, et al. Influence of air pressure pulse on side windows of high-speed trains passing each other[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2010, 46(4): 87-92.

[11] 張潔, 劉堂紅. 新疆單線鐵路土堤式擋風墻坡角優化研究[J]. 中國鐵道科學,2012, 33(2): 28-32.

ZHANG Jie, LIU Tanghong. Optimization research on the slope angle of the earth type windbreak wall of Xinjiang single-track railway[J]. China Railway Science, 2012, 33(2): 28-32.

[12] 楊斌, 劉堂紅, 楊明智. 大風區鐵路擋風墻合理設置[J].鐵道科學與工程學報, 2011, 8(3): 67-72.

YANG Bin, LIU Tanghong, YANG Mingzhi.Reasonable setting of wind-break wall on railway in strong wind areas[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2011, 8(3): 67-72.

[13] LIU Tanghong, ZHANG Jie. Effect of landform on aerodynamic performance of high-speed trains in cutting under cross wind[J]. Journal of Central South University, 2013, 20(3): 830-836.

[14] 李忠. 只能間接驗證的假說的物理特征[J]. 物理通報, 1998, 28 (8): 10-12.

LI Zhong. Physical characteristics of hypothesis validated indirectly only[J]. Physics Bulletin, 1998, 28(8): 10-12.

* 收稿日期：2016-01-29

基金項目：中國鐵路總公司科技研究開發計劃項目(2014T001-A)

通訊作者：姚松(1975-)，男，湖北公安人，副教授，從事軌道交通安全研究；E-mail: song_yao@csu.edu.cn

中圖分類號：U271.91；U25

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)06-1025-06

Aerodynamic effect of EMU and universal train passing by each other under wind-break wall

PAN Xinxian1,YAO Song2,ZENG Linsen2

(1.Urumqi Railway Administration, Urumqi 830011, China;2. 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 and compressible viscous fluid, the transient pressure on the train surface, aerodynamic pressure and its moment were analyzed on the condition that the EMU consisting 8 carriages and the Universal train consisting 5 carriages interact with each other by speed of 250/160(km/h) under 3.5 m wind-break wall and crosswind speed of 20 m/s. The results obtained by wind tunnel test and moving model experiment with numerical simulation are used for comparison. The changing law of aerodynamic effect shows agreeable accordance with the error under 12%, and the reliability of the numerical method and the results are verified. When two trains are coming cross under crosswind, the difference of pressures at the head is great while that on the same side of middle part is little. In terms of lateral force and overturning moment, the head car shows the greatest aerodynamic effect and the train in the second line is danger than the first line. The aerodynamic effect is obviously increased, especially at the part of the wake wave. The aerodynamic effect of the train is worse than that before the intersection, which may seriously affected the safety of the train running.

Key words：EMU; universal train; crosswind; interact; aerodynamic effect