側風作用下擋風墻-列車系統的數值模擬

沙海慶, 高 慰, 張澤田

(西南交通大學，四川成都 610036)

隨著時代的發展，高速列車趨于輕質化和高速化，這種特點使得列車在側風環境下的安全性與舒適性降低，列車傾覆事故也時有發生。為了在不限制車速的前提條件下保證列車的安全性與舒適性，高鐵線路中的大風區段往往設置擋風墻來降低列車表面的氣動力。因此，側風作用下擋風墻-列車系統氣動特性方面的研究日益得到研究者們的重視。

風洞試驗、數值模擬以及實車試驗是研究列車氣動特性的主要方式。相比于數值模擬，風洞試驗和實車試驗費時費力并且難以進行機理分析，研究者在針對復雜系統的氣動特性研究時更加傾向于通過數值模擬的方法。到目前為止，列車氣動特性的數值模擬研究較多，列舉如下：張敏[1]等通過數值仿真得到列車車在明線交會、隧道交會和單車通過隧道時的氣動特性，進而計算了列車的動力響應;孟東曉[2]等通過CFD數值模擬對不同車頭形狀列車的氣動特性進行了比較，并且計算了列車受電弓側擋板對列車的影響；霍卿[3]等模擬計算了軌道對列車氣動特性的影響，得出軌道對列車的氣動阻力影響非常明顯。同樣，研究者擋風墻也進行了一系列的研究。李鯤等[4]通過風洞試驗分析了大風環境下不同擋風墻的擋風效果，進而選取擋風墻的主要結構參數；周志鵬等[5]利用CFD數值模擬對不同高度的擋風墻進行計算，研究了擋風墻高度對交會列車的影響。

本文利用CFD模擬平臺建立了二維擋風墻-平地列車系統網格模型，在不同風速下對系統的氣動特性進行了模擬，同時分析了擋風墻和平地列車相互之間的影響。

1 數值模型及參數定義

1.1 模型尺寸及邊界條件

本文采用二維網格模型進行模擬計算，計算域以及列車、擋風墻的尺寸和網格劃分如圖1所示。計算域整體為矩形，左邊為入口(Inlet)，右邊為出口(Outlet)，上下邊以及列車表面、擋風墻表面為墻(Wall)。擋風墻的高度設置為3 m，厚度設置為0.5 m，擋風墻中心距列車中心4.25 m。列車的外形采用CRH3型列車的橫截面，截面高度為3.5 m，寬度為3.2 m，底部距離地面0.2 m。為了減小單元數量并且提高計算效率，模型未考慮列車的輪對以及地面上的軌道。列車表面最小邊界層厚度為0.005 m，擋風墻表面最小邊界層厚度為0.01 m。網格整體質量較好，最差網格質量系數達到0.6(系數取0～1之間，系數越大表示質量越好)。

1.2 參數定義

氣動力系數是氣動特性中一個非常重要的參數，其包含了側力系數、升力系數與力矩系數，系數的定義如下所示：

其中：CH表示側力系數，CV表示升力系數，CM表示力矩系數；FH、FV與MT分別表示物體受到的側向力、升力與力矩，具體方向如圖1所示，列車的力矩中心為列車橫截面形心，擋風墻的力矩中心為擋風墻橫截面的右下角部位；ρ表示空氣密度，這里取1.225 kg/m3；V表示來流風速，B表示物體寬度，H表示物體高度。

1.3 工況布置

根據本文的研究目的，工況布置如表1所示，其中單一列車模型與單一擋風墻模型的網格分布與擋風墻-列車系統的網格分布相同，在此不詳細闡述。

表1 工況分布

2 側風對擋風墻-列車系統氣動特性的影響

列車及擋風墻的氣動力系數隨風速的變化情況如圖2所示。可以看出，當有擋風墻存在時，列車的側力系數、升力系數與力矩系數為負數，即列車所受側力方向與來流風的方向相反，升力方向向下，力矩方向為順時針。而擋風墻的側力系數、升力系數為正，力矩系數為負，即擋風墻所受側力方向與來流風的方向相同，升力方向向上，力矩方向為順時針。值得注意的是，當風速增大時，列車與擋風墻的側力系數、升力系數與力矩系數絕對值都有減小的趨勢，并且升力系數的數值都下降的非常明顯。

(a)列車的側力與風速關系

(b)列車的升力與風速關系

(c)列車的力矩系數與風速關系

(d)擋風墻的側力與風速關系

(e)擋風墻的升力與風速關系

(f)擋風墻的力矩系數與風速關系

圖3為列車在不同風速側風作用下的流線圖。從圖中可以看出，風速的變化對系統的整個流場結構影響較小。當側風遇到擋風墻阻擋時，擋風墻的迎風側壓力變大，同時背風側壓力減小，而氣流從擋風墻背風側(即列車迎風側)流到列車背風側時，氣流的壓力有小幅度的提升，這也解釋了為什么擋風墻-列車系統中列車的側力方向與來流風方向相反。

3 列車與擋風墻的相互影響

將單獨列車(無擋風墻)、單獨擋風墻(無列車)、擋風墻-列車系統三個模型的氣動特性進行比較，進而研究列車與擋風墻之間的相互作用。

(a)風速10 m/s

(b)風速30 m/s圖3 不同風速下擋風墻-列車系統的流場圖比較

3.1 擋風墻對列車的影響

表2為有無擋風墻時列車的氣動力系數對比。可以看出，在無擋風墻時，列車的側力系數隨風速的增大而減小，而升力系數與力矩系數隨風速的增大而增大。當有擋風墻時，列車的氣動力系數隨風速的增大而減小。無擋風墻和有擋風墻這兩個工況的氣動力系數正負值不同，即這兩個工況下列車所受的氣動力方向是相反的。同時從兩個工況下氣動力系數的大小比較中可以看出，擋風墻可以非常有效地減小列車的氣動力系數。

表2 有無擋風墻工況下列車的氣動力系數比較

圖4為有無擋風墻工況的流場圖對比，從中可以得知列車在有無擋風墻工況下的流場結構差異非常明顯。在有擋風墻阻擋側風時，列車迎風側的氣壓較小，并且還存在較多旋渦，而側風在沒有受擋風墻阻擋并且直接作用在列車車身上時，列車迎風側的氣壓較大，這使得列車存在傾覆的隱患。

(a)有擋風墻

(b)無擋風墻圖4 有無擋風墻工況的流場圖比較

3.2 列車對擋風墻的影響

表3為有無列車時擋風墻的氣動力系數對比，其中的μ表示兩個工況氣動力系數的差距，用公式表示為：

其中：CT與CW分別為有車工況和無車工況下擋風墻的氣動力系數。

可以看出，列車的存在使得擋風墻的側力系數與力矩系數減小，升力系數增大。同時從μ的變化中也可以得出結論，隨著風速的增大，兩種工況的氣動力系數差異也越來越大。為了能夠研究其變化機理，有車與無車兩種工況的流線圖繪制如圖5所示，通過流場圖可以得知，有車與無車工況下流場差異很大，尤其是擋風墻的背風側區域。可以看出，列車的存在使得氣流滯留在擋風墻背風側并且形成旋渦，而無車工況下氣流在通過擋風墻后并未受到其他物體的滯留，這直接導致了無車工況下擋風墻背風側的氣壓比有車工況要小。這種現象也解釋了無車工況下擋風墻的側力系數要比有車工況大。

(a)有列車工況

(b)無列車工況圖5 有無列車工況的流場圖比較

表3 有無列車工況下擋風墻的氣動力系數比較

4 結論

本文通過CFD數值模擬平臺對擋風墻-列車系統的氣動特性進行了初步計算。通過改變風速研究其對擋風墻以及列車氣動力系數的影響，并且通過對比單一列車模型、單一擋風墻模型和擋風墻-列車系統模型，研究了列車和擋風墻之間的相互作用。具體結論如下：

(1)當擋風墻-列車系統受側風作用時，列車所受側力方向與來流風的方向相反，升力方向向下，力矩方向為順時針。擋風墻所受側力方向與來流風的方向相同，升力方向向上，力矩方向為順時針，當風速增大時，列車與擋風墻的側力系數、升力系數與力矩系數絕對值都有減小的趨勢。

(2)在研究擋風墻對列車的影響中可以發現，當沒有擋風墻時，列車的側力系數隨風速的增大而減小，而升力系數與力矩系數隨風速的增大而增大。當有擋風墻時，列車的氣動力系數隨風速的增大而減小，并且這兩個工況下列車所受的氣動力方向相反，同時從兩個工況下氣動力系數的大小比 較中可以看出，擋風墻可以非常有效地減小列車的氣動力系數。

(3)在研究列車對擋風墻的影響中可以發現，列車的存在使得擋風墻的側力系數與力矩系數減小，升力系數增大，并且隨著風速的增大，兩種工況的氣動力系數差異也越來越大。