長大編組高速列車橫風氣動特性研究

尚克明 杜健 孫振旭

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長大編組高速列車橫風氣動特性研究

尚克明1杜健1孫振旭2,?

1. 南車青島四方機車股份有限公司, 青島 266111; 2. 中國科學院力學研究所, 流固耦合系統力學實驗室, 北京 100190; ? 通信作者, E-mail: sunzhenxu@imech.ac.cn

采用定常RANS方法, 對長大編組高速列車的橫風氣動特性進行分析, 從流場特性和氣動力特性兩個方面開展研究。結果表明, 橫風條件下, 列車表面流動現象非常豐富, 列車首尾流線型存在較多流動分離、再附等現象, 且受橫風側偏角影響較大。在列車背風側出現兩個以上的復雜分離渦系, 從列車頭車下部開始, 向列車下游發展并逐漸遠離列車車體。分離渦系是列車承受非定常氣動力的根源。列車頭車是側向力、滾轉力矩最嚴峻的車廂, 且隨著橫風側偏角增大, 側向力、滾轉力矩逐漸增大, 列車行車環境逐漸惡化。

橫風效應; 長大編組高速列車; 湍流模式; 側向力; 滾轉力矩

列車高速運行時引起的空氣動力學問題十分復雜, 特別是列車在大風條件下高速運行時, 存在不容忽視的安全風險[1]。列車在橫風條件下運行時, 氣動特性會發生顯著變化, 即高速列車橫風效應。這一效應引起的橫向氣動力和傾覆力矩不僅會使列車產生共振, 導致結構疲勞, 嚴峻條件下會增加列車橫擺超限以及脫軌的可能性。蘭新鐵路多次發生列車被大風吹翻的事故, 造成人員傷亡和嚴重的經濟損失[2]。京滬高速鐵路沿線最大風速有可能超過30 m/s, 橫風的威脅很大[3]。研究表明, 當列車的運行速度超過200 km/h, 橫風風速大于30 m/s 時極有可能導致列車脫軌或傾覆[4–5]。因此, 橫風會對列車高速運行的安全性、穩定性和舒適性帶來重大影響。隨著運行速度的提高, 這一影響會越來越劇烈, 對高速列車運行安全性造成極大威脅。

當前針對高速列車橫風效應的研究, 主要分為試驗研究和數值模擬研究。早期受計算條件的限制, 試驗研究較多。1986年, Baker[6]對鐵路客運列車進行了一系列1:50縮比模型風洞試驗, 研究車輛在橫風作用下的氣動特性。2003年, Sucuki等[7]利用風洞試驗研究橫風作用下車輛的氣動特性, 發現橫風對車輛的作用不僅與車輛的外形有關, 還與車輛下部結構的外形有關, 此后對氣動力進行評價時, 開始考慮自然風的風向、風速和列車的運行速度。2004年, Sanquer 等[8]發展一種新的試驗方法來研究橫風對高速列車的作用, 此方法能測定車輛每一個部分所受的氣動力, 并能可靠地評估橫風作用下列車所受的氣動力。隨著計算機技術和計算流體力學的發展, 人們開始將風洞試驗和數值模擬結合起來評估高速列車的空氣動力學特性。Khier 等[9]采用分離式的原始變量SIMPLE算法求解黏性流體動力學方程(N-S 方程), 對橫風攻角不同情況下的流場結構進行討論。Orellano 等[10]通過數值模擬和試驗研究高速列車的橫風穩定性, 分析不同來流攻角對列車氣動力的影響, 并給出橫風作用下列車周圍氣流的運動軌跡。Hemida等[11]利用大渦模擬的方法研究 35°和 90°側偏角下列車流場機理, 并與試驗結果進行對比分析, 并討論了橫風側偏角和尾渦結構對列車氣動力的影響。郗艷紅等[12]針對三編組列車模型, 采用分離渦方法, 模擬恒定風場中高速列車繞流的非定常流動, 在時域和頻域內分析車輛氣動特性的瞬態性質。劉加利等[13]針對列車車廂截面, 首先進行不同橫風風速下高速列車非定常氣動特性的分析, 進而將該截面拓展到整節車廂, 并結合多體動力學方法, 研究了橫風對高速列車運行安全性的影響。

從研究對象上來看, 試驗研究以及數值模擬研究的對象通常為簡化模型, 或者較少編組模型(單節車廂或者三編組列車); 從數值模擬方法上來看, 高速列車橫風氣動特性研究可以采用定常方法或者非定常方法。針對前者, 通常采用雷諾平均方法; 針對后者, 通常采用的方法包括非定常雷諾平均方法、分離渦方法或者大渦模擬方法。不同方法對計算網格的要求各不相同, 在求解流場結構的精度上也存在差異。大渦模擬對計算網格要求最高, 由此獲得的流場細節也更為詳細。現有研究結果表明, 橫風條件下定常流動模擬的氣動力與氣動力矩與非定常流動模擬結果的均值盡管有一定差異, 但整體誤差在一定范圍內。從流場結構來看, 定常方法獲得的流場與非定常方法得到的流場具有大體相似的結構。

中國當前線上運行列車多為八編組或者十六編組, 橫風條件下不同編組的氣動力特性以及流場特性等均為主機廠家關注的重點。然而, 常規研究中風洞不可能復現長大編組工況, 數值分析時受限于非定常方法對網格的要求, 也不可能對長大編組進行非定常的細致分析。本文針對長大編組下列車的流場特性和氣動力特性進行分析, 采用折中的方法, 將定常雷諾平均方法作為本文的 CFD 分析方法, 既可以大致捕捉長大編組流場特性, 獲得不同編組的氣動特性, 也能降低數值分析難度, 提升數值分析效率。

1 計算方法

本文采用 RANS 方法進行長大編組高速列車橫風氣動力特性分析, 選取合適的湍流模式對正確預測列車的氣動力非常關鍵。雙方程模式(如-e模式[14])可以較好地模擬遠離壁面充分發展的湍流流動, 但在近壁面附近會對湍流的輸運作用估計過度, 使流動分離延遲或不發生流動分離, 從而降低求解存在逆壓梯度和流動分離問題的精度。Wilcox的經典-w雙方程模式[15]在求解壁面邊界層流動以及自由剪切流方面具有非常良好的性能, 可以更廣泛應用于各種壓力梯度下的邊界層問題, 但對自由來流中的值過度敏感, 而-e模式不存在這種問題。為了綜合兩種模型的優點, 本文采用Menter[16]提出的-eSST模式。這是一種在工程上廣泛應用的混合模式, 在近壁面保留了原始的-w模型, 在遠離壁面的地方應用模型。

在本文工況下, 流場的可壓縮性與熱傳導效應均可以忽略, 因而流動方程可以寫為

,

其中,,u和分別是密度、速度和壓強;為渦黏系數, 在-wSST模型中, 其表達式為

-eSST模式的兩個輸運方程形式為

,

-eSST模型中的常數可以表示為

。

1在近壁面區域趨近于 1, 模型近似于-w模型; 遠離壁面時1趨近于0, 模型轉化為-e模型。這樣可以將兩種模型取長補短。其中

,;

,,,

,

,

。

表示到物面的最小距離。

,,

式中,F為列車空氣阻力;F為列車氣動升力;F為列車側向力;M為列車傾覆力矩;為空氣密度;為列車運行速度;S為參考面積, 這里取列車最大迎風面積;為參考長度。

2 計算模型和條件

本文的計算面向十六編組, 采用頭車+中間車(14 節)+尾車+轉向架+車頂附件+受電弓模型形式, 計算模型如圖1所示。計算建模采用真實的幾何外形, 包括轉向架、受電弓、風擋和空調, 以便實現對列車氣動性能的準確模擬。

本文計算采用TRIM網格進行生成。TRIM網格對復雜外形的適應性比較好, 通過設置不同大小的區域加密可以完成高速列車復雜模型的網格生成, 同時也能較好地保證生成網格質量。為了準確地捕捉列車壁面附近的邊界層流動, 在列車壁面附近和地面、軌道等位置進行邊界層網格生成。邊界層總厚度為 30 mm。為了與六面體網格更好的銜接, 保證網格質量, 共設置 6 層邊界層網格, 增長比為1.2, 網格的厚度及其與列車表面的正交性和貼體性, 保證了壁面函數的應用于邊界層模擬的準確性。加密尾流、列車表面和受電弓三處對流場影響比較大的區域的網格。總網格數約 6000 萬單元。列車截面網格示意圖見圖2。

采用相對運動條件模擬列車附近的外流場。設定列車靜止, 地面移動, 空氣來流以與列車運行速度反向等值的速度繞流列車, 橫風以速度垂直地吹向列車。主流方向空氣來流的速度是與的合成速度,=+, 速度三角形如圖3所示。

采用速度入口邊界, 設定速度為主流合速度; 采用壓力出口邊界, 給定出口壓力為 1 atm; 列車表面采用無滑移邊界; 地面設為移動壁面, 設定為列車運行速度, 與列車運行方向相反; 計算域上表面亦采用壓力出口邊界。本文橫風計算工況如表1所示。

表1 橫風計算工況

3 結果分析

3.1 流場特性分析

流場特性是氣動力特性的根源。橫風條件下高速列車的流場結構非常復雜, 列車表面的流動現象非常豐富。本節以工況 2 (列車運行速度為 200 km/h, 橫風速度為25 m/s)為例進行說明。

圖 4 為列車不同部位的表面壓力分布。橫風效應使列車承受壓力分布呈現非常強的非對稱性。如圖 4(a)所示, 鼻錐正前方的滯止區域向橫風迎風側發生較明顯的移動。同樣, 如圖 4(c)和(d)所示, 在受電弓、轉向架的橫風迎風側也出現較明顯的正壓區域。在橫風背風側, 由于大量渦系的產生、發展和脫落, 背風側出現大面積的負壓區, 車身基本上為負壓。如圖 4(d) 所示, 在受到橫風作用時, 列車迎風面寬度增加, 會有更多的氣流流向車身底部與地面之間的空隙, 造成車身底部結構承受的阻力增大, 各個轉向架在橫風作用下承受氣動阻力均有大幅增加。

圖4 列車不同部位表面壓力分布

圖 5 為車身表面的表面流線。如圖 5(a)所示, 在橫風作用下, 從迎風側開始向背風側觀察, 迎風側基本上不會發生流動分離, 這是因為列車壁面之間的倒角足夠光順, 流動基本上沿著壁面向下游發展。在背風側上拐角位置, 流動則發生分離(圖5(b)), 在尾車流線型背風側也存在非常明顯的分離線, 這些流動分離使得橫風條件下尾流區的流動更加紊亂。

為了更好地研究背風側渦出現的強度以及這些渦的發展趨勢, 下面給出不同截面位置上的速度等值線 (圖 6)。在圖6中, 從第一中間車中部位置開始, 向下游每隔 50 m取一個新的截面, 直到最后一節中間車, 覆蓋列車的整個區域, 顯示列車背風側尾流漩渦的產生、發展以及與列車表面脫離的情況。列車背風側產生多個漩渦, 沿車身向后, 各漩渦的起始位置呈底部、中部和頂部交替變化。可以看出, 背風側渦的來源主要包括兩類: 從列車底部流經的氣流在離開列車背風側壁面時, 圍繞背風側壁面形成第一個渦, 該渦受流線型的影響不大, 所以早在頭部流線型位置的地方就開始形成; 另一類是從列車上壁面流經的氣流在離開背風側壁面上端拐角位置時形成的渦, 該渦受車體截面形狀影響較大, 在車體截面部分, 因為車體截面是一個比較典型的鈍體, 流動經過時即形成典型的鈍體繞流, 因而在背風側壁面拐角位置形成大尺度的流動分離, 出現較大的渦。這兩類不同的渦在絕大多數橫截面上都可以觀察到, 各個截面上的渦聯合在一起形成兩種獨立的渦系。沿著流動方向向車體下游, 這兩個渦系強度均變得越來越大, 且其渦核中心位置越來越偏離列車壁面。

圖 7 為列車整車的等值面, 其中=100。從等值圖上可以看到橫風條件下背風側大尺度的脫落渦結構, 轉向架區域流場特征也比較復雜。受轉向架復雜結構的影響, 在區域內也有較多不同尺度的渦結構。

3.2 氣動力特性分析

在橫風作用下, 由于相對于來流的迎風面積增加, 各節車廂的氣動力均大幅提高。橫風作用下列車的運行安全性存在重大危險, 極端嚴峻條件下有可能造成列車傾覆等惡性事故。在列車運行承受氣動力中, 側向力以及滾轉力矩與列車的傾覆息息相關。下面重點分析十六編組列車承受側向力和滾轉力矩的特性。

仍以工況 2 為例進行分析。首先給出不同車廂的側向力系數比較, 如圖8所示。可以看到, 不同編組間側向力最為嚴峻的車廂是頭車, 側向力系數最大, 而倒數第1和第2節車廂側向力系數最小, 較為安全。從整車模型圖上可以看到, 第4節和第13節車廂上面放置升弓, 而第5節和第12節車廂上面放置降弓, 由于放置受電弓后增大了車廂的側向受力面積, 這4節車廂的側向力系數明顯大于周圍車廂。然而, 這4節車廂的側向力系數仍然小于頭車。滾轉力矩系數的比較也具有類似的規律, 說明在氣動力分析時考察最嚴峻場景, 可以重點分析頭車的運行安全性。

圖9為不同工況下頭車側向力系數的比較。可以看到, 隨著運行速度降低, 橫風風速增大, 來流側偏角越來越大, 列車承受的側向力則大幅增加。

圖 10 為不同工況下頭車滾轉力矩系數的比較。可以看到, 滾轉力矩系數具有與側向力系數一樣的規律。橫風側偏角越大, 列車承受的氣動環境越惡化。隨著橫風側偏角增大, 頭車側向力系數逐漸增大, 滾轉力矩系數也逐漸增大, 增加了對行車安全的威脅。

為了研究長大編組列車相對于短編組列車的橫風氣動力差異, 本文對三編組以及八編組列車的側向力系數進行比較。三編組列車經常用于高速列車風洞試驗, 而八編組列車和十六編組列車是當前線路上比較廣泛的列車編組方式。因為不同編組形式涉及受電弓的安裝問題, 本文假定三編組列車中間車上無受電弓, 八編組列車則按照實際運行情況在第 2 和第 5 中間車上方分別設置升弓與降弓。圖11 和 12 為三編組列車以及八編組列車承受側向力的情況。

為了詳細比較頭車側向力系數, 圖 13 給出不同編組列車頭車側向力系數的比較。可以看到, 不同編組情況下, 列車頭車承受側向力系數非常一致, 說明頭車側向力幾乎不受編組條件影響。另外, 比較所有編組不同車廂的側向力, 可以發現頭車側向力最大, 說明研究列車的安全性時, 可以僅考察短編組下的頭車受力情況。

比較各編組條件下中間車廂的側向力還可以發現, 十六編組條件下的尾車和最后一節中間車廂、八編組條件下尾車以及三編組尾車承受側向力遠小于其他車廂, 具有共性。此外, 放置受電弓升弓的列車其側向力由于受力面積的增大也大幅增加。不同編組條件下中間車廂側向力均值差異較大, 通常情況下列車上游中間車廂承受側向力較大, 而越靠近尾車區域, 側向力系數越小, 因而當編組情況發生變化時, 中間車廂的受力分布狀況也會發生變化, 說明簡單采用短編組列車來評估整體列車受力是不可靠的。為了準確地評估長大編組列車的氣動力特性, 必須對具體編組情況進行分析。

4 結論

本文基于定常RANS分析方法, 針對當前線路運行的長大編組高速列車進行橫風運行特性分析。計算模型為十六編組實車模型, 包含受電弓、轉向架、風擋、空調等附屬結構, 得到以下結論。

1) 橫風使得高速列車表面壓力出現強非對稱性, 滯止區域的偏移造成迎風側出現大幅正壓區, 背風側出現大幅負壓區。迎風面積的增大也造成列車車體、轉向架等部位承受較大阻力。

2) 橫風條件下, 列車表面流動現象非常豐富, 列車首尾流線型存在較多流動分離、再附等現象, 且受橫風側偏角影響較大。在列車背風側出現兩個以上的復雜分離渦系, 從列車頭車下部開始, 向列車下游發展并逐漸遠離列車車體。分離渦系是列車承受非定常氣動力的根源。

3) 列車頭車是側向力、滾轉力矩最嚴峻的車廂, 且隨著橫風側偏角增大, 側向力、滾轉力矩逐漸增大, 列車行車環境逐漸惡化。如果僅需要評估列車的橫風安全性, 則可以研究短編組列車橫風特性, 且只需針對頭車進行安全特性分析即可。

4) 不同編組下列車中間車廂側向力分布差異較大, 通常情況下列車上游中間車廂承受側向力較大, 而越靠近尾車區域, 側向力系數越小。為了準確評估長大編組列車的氣動力特性, 必須針對具體編組情況進行氣動力分析。

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Investigation on Aerodynamic Characteristics of Long-Grouped High Speed Train Subjected to Crosswind

SHANG Keming1, DU Jian1, SUN Zhenxu2,?

1. CSR Qingdao Sifang Co. Ltd, Qingdao 266111; 2. Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190; ? Corresponding author, E-mail: sunzhenxu@imech.ac.cn

RANS approach is adopted to perform an investigation on aerodynamic characteristics of high speed trains in crosswind conditions. Both the flow structures and aerodynamic loads are analyzed in detail. Results reveal that abundant flow phenomena could be observed on the streamlined head and affected by the yaw angles of the incoming flow. Detached vortices can be found on the leeward side of train, which origin from the bottom of the streamlined head and develop along the train body and gets far away from the train body. The first car of the whole train owns the worst aerodynamic circumstance. As the yaw angle grows, the side force and the overturning moment of the first car gradually grow bigger, and the running circumstance of the train becomes worse.

crosswind effect; long-grouped high speed train; turbulence model; side force; overturning moment

10.13209/j.0479-8023.2015.137

U238

2015-05-21;

2015-06-08;

網絡出版日期: 2016-04-13