大風作用下高速列車運行安全性研究綜述

胥紅敏，張鵬，郭湛

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道科學技術研究發展中心，北京 100081）

高速鐵路的發展對鐵路安全性提出了更高要求，大風是影響鐵路安全的重要因素之一，對大風作用下高速列車運行安全性進行研究具有重要意義。

在大風作用下高速列車安全性的研究方面，我國起步較晚，但近10年來隨著我國高速鐵路的迅猛發展，我國研究人員也進行了大量、多方面的相關研究。對國內外相關研究進行歸納整理，以期對我國進一步深入研究提供參考和借鑒。

1 國外相關研究

早在20世紀70年代，國外研究者就開始研究側風對軌道交通的影響，特別是德國、法國和日本這些高速鐵路發展較早的國家。研究表明，列車對風的干擾是敏感的，風是影響列車安全的重要因素。為降低燃料損耗，列車制造商更傾向于生產低風阻車輛，1986年研究者發現流線型列車可以降低列車的橫風敏感性，并開展了列車橫風特性研究[1-2]。同時，降低列車重量的現實要求進一步加強了對風穩定性、列車外形以及動態特性耦合研究的迫切性。

列車強風空氣動力學性能作為強風對策研究的重要組成部分，各國研究者進行了多角度的研究。J Bettle等[3]通過數值模擬，給出了高架橋上、橫風作用下貨車車輛的流場分布及氣動力，結果表明列車在橫風下的氣動力矩隨車速的增加而增大。Suzuki等[4]利用風洞試驗研究了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外形有關，還與車輛下部的線路結構有關，該文獻對在高路堤和橋梁上運行的高速列車外流場進行了數值模擬，結果顯示當橋梁厚度增加時，作用在列車上的橫向氣動力也增大；運行在路堤上的列車受到的氣動力與地面邊界層的分布有關，列車在高路堤上運行時，承受的橫向氣動力要大于在低路堤上運行的情況。Stephane等[5]用一種新的試驗方法研究了風力系數的變化規律。基于Cheli等[6-8]提出的作用于車體的氣動載荷定義的方法體系，Bocciolone 等[9]開展了3種車型列車模型在不同工況下靜止和運動時的風洞試驗，結果認為列車的運動并未嚴重影響相關力學參數。B Diedrichs等[10]應用ADAMS/RAIL軟件建立了準靜態模型，研究橫風作用下不同類型機車車輛的輪軌關系。Tristan Favre等[11]針對機車車輛開展了非穩態橫風氣動力學分離渦模擬。C J Baker等[12]把在線實車試驗結果與風洞試驗結果進行了對比，發現兩者之間能很好地吻合。

1.1 歐洲國家

部分歐洲國家（德國、法國）的鐵路公司、大學（埃爾朗根大學、諾丁漢大學）以及英國鐵路安全與標準委員會聯合進行了一系列相關研究，包括1996年啟動的為期3年的研究項目“TRANSAERO”以及此后德國鐵路公司、法國鐵路公司和西門子股份公司相繼開展的“DEUFRAKO”“WODAN”等項目，所涉及的方法包括實車試驗方法、風洞試驗方法、CFD數值模擬計算方法以及多體動力學仿真等[11]。通過以上方法對列車在強側風作用下脫軌及傾覆的空氣動力作用及動力學過程進行了深入系統的研究，為制定鐵路運行規范和采取防風措施提供了重要科學依據。

德國鐵路公司在采用了高速輕量化的ICE2列車后，開展了密集的跨學科合作，目標是建立1個對于軌道交通廣泛適用的方法以保證強側風下列車的運營安全。其中，A Carrarini[13]利用線性面元法計算了作用在列車表面的非穩態氣動力，然后將其傳遞給多體系統動力學軟件SIMPACK，計算出列車在該氣動力作用下的動力學響應，再將車體位移和速度響應傳遞回流體計算程序，如此反復，計算二者之間的相互作用。該研究指出當氣動力的激振頻率接近車體的振動頻率時，車體的振動對流場的影響不可忽視。然而，面元法是基于無粘流的假設，因此不能模擬存在粘性影響的分離流區域。

法國學者S Aita[14]采用有限元法在Convex計算機上求解N-S方程，對TGV列車頭部進行優化；N Paradot等[15]為了法國地中海線TGV高速雙層列車在側風環境下的運行安全性，應用等比縮小風洞和水槽試驗研究了該列車的橫風敏感性，并用數值方法對列車的流場特性進行模擬，通過對比側向力、升力和傾覆力矩結果，指出在風向角≤30°時，試驗結果和數值模擬結果吻合較好，而當風向角在60°左右時差異較大。

在瑞典，以 Sini?a Krajnovi?[16-18]為主的研究團隊在列車空氣動力學方面進行了出色的研究，將大渦模擬（LES）引入列車空氣動力學的計算中，并將計算結果與風洞試驗進行了對比，發現如果雷諾數足夠高，則雷諾數對列車周圍的分離流沒有太大影響，同時也說明大渦模擬可以應用于列車外流場的模擬，并對列車側風安全性和舒適性以及隧道內列車橫向晃動嚴重這些問題進行了研究。在風向角為35°和90°的情況下，雷諾數分別為3.7×105和3.0×105，簡化列車模型的外流場計算結果表明，列車表面旋渦的脫落與再附著對氣動力有一定影響，該結果與風洞試驗數據一致。并且還發現盡管氣動力系數轉換過來的流動頻率非常小，但接近于高速列車的橫向振動頻率。B Diedrichs等[19-20]利用試驗和數值模擬的方法，對ICE3列車的牽引車在6 m高路堤上以及ICE2列車在單、雙線隧道中運行時的外流場進行了研究，數值模擬結果與試驗結果吻合。結果顯示列車在路堤背風側運行時空氣動力性能較迎風側更加惡化，指出相對于平地，列車在6 m高路堤上運行時的容許最大風速要降低20%左右。

在英國，J M Copley[21]提出了一種預測平均風作用下列車承受氣動力和力矩的數值方法，并編制了相應的計算程序。T W Chiu等[22-24]提出了一種三維源/渦面元法，預測在側風環境下作用在一簡化列車模型表面的空氣動力載荷。在這個模型中，列車表面和背風側的旋渦分別用一系列的源和渦面元來描述，計算過程是二維和三維計算的混合，二維計算大大簡化了三維計算所需要的計算資源。C J Baker等[25-31]在風洞模擬與實車試驗方面所做的研究對推動列車空氣動力學的飛速發展作出了重要貢獻。C J Baker研究了側風環境下，作用在各種不同類型車輛上的穩態和瞬態氣動力，建立了統一的分析框架。為確定獲得信息的可靠性，對于不同的車輛參數，開展了一系列大規模的實車試驗。W Khier等[32-33]對不同風向角時簡化車體模型周圍的高雷諾數流場進行了數值模擬，發現風向角在0°～90°內變化時，列車周圍的氣流呈現不同的發展形態，旋渦結構與風向角有著密切的關系。同時，W Khier還計算了運行在路堤上的高速列車在橫風作用下的氣動力特性，得到了列車在不同角度自然風作用下受到的側向力、升力、側滾力矩系數以及列車表面不同位置的壓力系數。

在意大利，C Catanzaro等[34]應用計算流體力學模擬了不同場景橫風作用下ETR-500型高速動車組的氣動性能，其結果與風洞試驗吻合較好。

1.2 日本

日本政府對于橫風下的鐵路安全較重視，從20世紀開始，日本鐵道綜合技術研究所（RTRI）等機構就開展了包括風洞試驗、仿真模擬以及實車試驗等多方面的研究[35-36]。RTRI防止強風災害的研究分為強風下車輛力學性能、強風下車輛空氣動力學特性、外力強風特性以及安全性評價等4個領域。各領域的研究人員就各自承擔的課題并行研究，共享研究成果。在以上分支領域，日本研究者做出了不同的成績。首先，為了提高顛覆界限風速的推測精度，RTRI提出了精密的靜態解析模型，并著手構造再現車輛運動的動態解析模型；其次，采用縮尺模型，用穩態風場進行了風洞試驗，從而求出不同車輛形狀、線路及列車速度條件對應的顛覆界限風速；再次，對強風的時間、空間關系進行了研究，探討了限制風速和與強風遭遇的可能性，為使行車管制區間與風速計設置點相適應，開發了制作沿線強風分布圖（強風圖）的方法。同時，還針對防風柵式樣對空氣力的影響進行了風洞試驗。此外，在評價強風下列車運行安全性時提出需要考慮引入概率論的意向。

2 國內相關研究

我國于20世紀90年代才正式開始研究橫風對列車的影響，主要包括理論研究、試驗研究和數值模擬研究3種研究方法。其中，試驗研究主要是針對列車空氣動力學，包括風洞試驗研究和實車試驗研究。實車試驗研究考慮到經濟等方面原因，幾乎都僅限于較低風速情況下。風洞試驗研究應用較廣，我國相關科研人員研究了多種工況。盡管風洞試驗模型和實車有較大差別、具有局限性，但對于了解各種工況下車輛的空氣動力學還是具有較高的實踐意義。數值模擬研究源于近年來計算機技術的快速發展以及對國外諸如FLUENT、CFX、STAR-CD等流體專業軟件和NUCARS、SIMPACK等多體動力學軟件的引進，其中流體力學軟件用于列車空氣動力學的研究，多體動力學軟件用于列車安全性的研究，由于高風速下實車安全性試驗研究難以實現，數值模擬方法有效填補了該方面研究的空白[37-39]。

近年來，我國相關研究主要集中在以下3個方面：不同工況下高速列車周圍流場及列車安全性研究；周圍環境，如路堤、風屏障以及突風口等對列車氣動特性的影響研究；風、車、橋耦合研究。

2.1 不同工況下高速列車周圍流場及列車安全性研究

我國研究前期著重于不同工況下高速列車周圍流場及列車安全性的研究[40-44]，方法涉及風洞試驗、理論計算、計算機仿真以及以上方法結合運用。

1998年，張健等[45]進行風洞試驗，研究了橫風對電動車組中各車輛氣動特性的影響，認為橫風風速為15～25 m/s、列車速度不大于300 km/h時，橫風不能對車輛造成嚴重影響，電動車組橫向是穩定的；繆新樂等[46]基于風洞試驗，采用計算流體力學方法對CRH380A型高速列車車頭形狀進行結構優化后，對空氣動力學性能進行計算、分析和比較；黃志祥等[47-48]應用風洞試驗的方法比較了2種頭型高速列車的氣動特性，探討了減小高速列車空氣阻力的措施；毛軍等[49]應用風洞試驗結合計算流體力學方法比較了均勻風場和實際大氣風場對列車空氣動力學影響；張在中等[50]應用風洞試驗探討了高速列車不同頭型對其氣動性能的影響。

于夢閣等[51]基于Cooper理論和諧波疊加法對任意風向角下的脈動風速進行數值模擬，并推導了任意風向角下高速列車非定常氣動載荷的計算方法，研究了不同車速和不同風向角下高速列車的非定常氣動載荷特性；劉為亞等[52]采用流體力學仿真的方法研究了橫風作用下高速列車同向并行運行時的氣動性能；鑒于風的隨機性，于夢閣[53]把可靠性理論引入高速列車的氣動安全性研究；李明等[54]應用數值模擬研究了橫風速度對氣動粘性阻力和氣動壓差阻力的影響；邵微[55]通過幾種不同的研究手段對高速列車頭車的空氣動力學結構進行了初步優化設計；張明祿等[56]基于三維非定常不可壓縮流動的 Navier-Stokes方程，采用大渦模擬的湍流模型和有限體積法，對CRH2型動車組的流場結構和氣動力進行了動網格的動態數值模擬計算；馬靜等[57]通過大渦模擬數值計算方法，對均勻定常橫風下高速列車的非定常空氣動力特性進行了研究；王永冠、Y Xu、楊吉忠、鄧永權等[58-61]通過仿真分析，研究了橫風作用時間對于高速列車直線運行安全性指標的影響。

姚應峰[62]針對200 km/h動車組，利用流體力學軟件FLUENT進行動力學計算和分析，得出動車組在常值側風和陣風工況下的氣動力及氣動力矩，同時還借助多體動力學軟件SIMPACK建立了該動車組的多體動力學模型并進行了臨界速度計算；康康等[63]通過ADAMS的insight模塊進行試驗設計，計算了各氣動力分量對尾車前轉向架背風側前車輪脫軌系數的影響因子，但其研究工況中列車速度最大僅為108 km/h；彭祎愷[64]應用多體動力學模擬研究了側風作用下軌道激擾對列車安全性的影響；于夢閣等[65-67]應用多體動力學軟件研究了不同風向角、不同風速和不同車速下列車車體上的阻力、側力、升力、傾覆力矩、搖頭力矩和點頭力矩，還研究了側風作用下列車的輪對狀態，同時，通過數值模擬研究，認為傳統確定性方法得到的高速列車的安全域曲線偏于保守，基于可靠性方法可得到更合理的安全域曲線。

田紅旗、譚深根[68-69]在列車空氣動力學方面取得了諸多成果，系統論述了列車空氣動力學研究方法、空氣動力特性、形成機理及規律、影響因素、分析理論與工程應用。

2.2 周圍環境對列車氣動特性的影響研究

我國研究者注意到周圍環境，如路堤、風屏障以及突風口等對列車氣動特性的影響[70-74]比較重要，遂逐漸展開該方面的研究工作。

梁習鋒等[75-77]采用二維模型研究了客車、敞車、棚車和罐車4種不同外形鐵路車輛在路堤高度、橫風風速相同條件下的橫向氣動性能差異，采用有限體積法對強側風作用下棚車氣動外形進行了優化研究，并對不同風速、不同風向環境風作用下，磁浮列車等速交會時列車橫向氣動性能進行了數值分析；王厚雄等[78-79]以現場實測和風洞及水槽模擬試驗結果為依據，論述了不同類型和不同高度的擋風墻及鐵路路堤對大風特性和車輛橫風氣動特性的諸多影響，并通過風洞試驗和全尺寸車輛現場實測研究了車頂外形對車輛氣動橫向穩定性等氣動特性的影響；劉為亞等[80]研究了橫風作用下高速列車同向并行運行安全性；羅建斌等[81]采用計算流體力學方法研究了路堤傾角變化對高速列車側風運行氣動特性的影響；賈曄松[82]建立了側風中列車在路堤、橋梁和平地運行時的三維空氣動力學模型，對車體表面及周圍壓強隨車速的變化進行了分析，比較了不同風速和不同路況時，車體周圍的流場分布情況；黃亞進[83]開展了風障-列車-簡支箱梁系統氣動性能的數值模擬分析和風洞試驗研究；劉偉等[84]建立了高架線和路堤2種不同路況下側風作用于列車的空氣動力學模型，并進行數值計算，得到不同側風速度和不同運行速度下列車周圍壓強分布及列車的氣動載荷特性，同時應用多體動力學軟件研究了不同工況下列車安全特性。

在這部分研究中，風屏障以及類似物對風的影響研究占很大一部分。苗秀娟等[85]應用滑動網格技術模擬研究了強橫風下列車出隧道時的瞬態氣動性能；葉劍[86]建立不同高度、透風率/擋風板旋轉角度風屏障模型，在橫風下考慮橋上有車和無車2種情況進行數值計算，得到每種風屏障在不同高度、擋風板轉角下的擋風效果和自身風荷載；向活躍[87]采用李永樂研發的橋梁結構分析軟件BANSYS模擬了風屏障對運動車輛橫風氣動特性的影響和風屏障在風荷載及列車風作用下的疲勞特性；項超群等[88]在風屏障研究中引入了動網格模型；周志勇等[89]采用動網格技術數值模擬高速列車從進入站臺到駛離站臺過程中，雨棚表面所受空氣荷載的空間、時間變化特性；李鯤[90]采用風洞煙流等綜合方法研究了防風半封閉長廊對于大風作用下蘭新二線高速列車的空氣動力學影響。

2.3 風、車、橋耦合研究

風、車、橋耦合研究是風作用下列車運行安全的一個重要方面[91-94]。岳澄等[95]建立了橋梁單體、車輛單體和車橋耦合體系二維模型，采用數值模擬的方法計算分析了車橋耦合體系氣動力特性和風壓分布；項超群等[96]的研究中不僅考慮了風、車、橋耦合，還研究了風屏障對風的影響；杜風宇[97]以京滬高鐵32 m簡支梁橋及雙側透風式擋風墻為試驗模型，對車-橋系統間氣動特性的相互干擾及擋風墻的影響進行了風洞測壓試驗研究；張田[98]建立了考慮風屏障的風、車、橋耦合振動分析框架；賴慧蕊等[99]模擬了風洞試驗中橫風作用下高速列車與32 m簡支梁橋系統空氣動力學行為，以研究高速列車與橋梁之間的相互氣動影響；羅建斌等[100]模擬計算了橫風速度對單線高架橋上高速列車氣動特性影響；陳玥[101]以滬昆鐵路某槽形梁獨塔跨線斜拉橋為工程背景，對車-橋流場進行了數值模擬，得到不同工況下列車風對橋梁的氣動力；楊靖[102]釆用SST湍流模型對不同來流條件下的三跨連續梁橋的氣動性能進行了三維數值模擬，分別探討了來流風速、風攻角、邊界層和橋墩對連續梁橋氣動性能的影響；冉瑞飛[103]應用自行研制的移動列車模型風洞試驗系統研究了不同風速、風偏角、湍流強度以及列車在橋上不同縱向位置、會車等工況下列車和橋梁各自氣動力系數的變化規律。

近10年來，中國鐵道科學研究院集團有限公司一方面針對高速鐵路進行了大量風監測試驗和研究，在部分高速鐵路線路上安裝了風監測設備，為鐵路安全保駕護航；另一方面，鑒于實車試驗的危險性，進行了多種工況的風作用下高速列車安全動力學仿真模擬，研究了風速、車速和高速列車安全性的關系[104-106]。此外，通過合理簡化，應用理論計算方法，研究了準靜態條件下車體受到的風壓與線路附近局部環境的關系。

綜上所述，國內研究各有偏重，盡管有些方面的研究比較深入，但距離針對高速動車組的實際應用還有一定距離。

3 大風條件下的列車運營規則

2010年，針對列車的橫風問題，歐盟頒布了EN 14067“鐵路應用：空氣動力學”一系列標準，對特征風曲線的確定方法和步驟進行了規定。日本根據相關研究成果，制定了適于本國列車運行的管制規則。

針對大風作用下的列車運營規則，我國研究者近年來也進行了相關探索。郗艷紅等[107]以我國CRH3型高速動車組實車為原型，仿真計算了多種工況下的動力學性能，在計算中不僅考慮真實受電弓、轉向架等列車的細部特征，還考慮了不同的列車速度、橫風速度以及軌道譜；崔濤等[108]通過對列車外流場和系統響應進行協同仿真，獲得不同側風環境下列車的穩定姿態和氣動載荷，研究了列車運行的安全性指標，分析了不同側風環境下列車安全運行的臨界速度，確定了列車的側風作用安全域；黃烈威等[109]研究提出了CRH3G型動車組的橫風運行安全速度域。

2013年，原中國鐵道科學研究院完成了國家自然科學基金項目《大風對高速列車運行安全性影響及應急控制的研究》，其中部分重要內容為：基于二元二次多項式回歸模型以及仿真計算數據，應用逐步回歸的方法，針對CRH2和CRH3型動車組，建立了脫軌系數、輪重減載率和輪軸橫向力對于風速、車速的“最優”回歸模型，據此繪制了2種車型的風速-車速包絡曲線，并進一步制定了針對這2種車型的行車管制規則，該規則與《鐵路技術管理規程》中的規定符合性較好。同時指出，應用此方法，可以針對我國各條線路的具體工況以及典型車型方便地進行相應線路的橫風安全性估計，并得到風速閾值曲線。

4 總結與展望

隨著我國高速鐵路的迅猛發展，有些基礎研究還無法適應高速鐵路的發展速度，例如，風洞試驗、理論計算以及計算機仿真工況還需要繼續擴充，鐵路空氣動力學研究還沒有形成完整的體系，大風條件下的列車運營規則也大多是借助國外經驗。同時，伴隨列車高速化和車輛輕量化的發展趨勢，在強風安全性方面，情況愈加嚴峻，需要進一步進行廣泛研究，為高速鐵路的安全運營奠定堅實理論基礎。目前，可以開展以下3方面的研究：一是研究各條鐵路沿線的大風分布特點，著重于高速鐵路、風速較大和容易產生突風的區域，形成1個全國范圍的鐵路沿線風圖譜，為此有針對性地采用風監控和防風墻等列車安全防護措施；二是歸納整理近年來的研究成果，通過相應研究補充制定適用于我國的鐵路空氣動力學相關標準，規范橫風試驗和橫風預測等相關步驟；三是針對不同車型和軌道譜制定有針對性的大風作用下列車運行管制規則。