橫向風作用下某CRH6型動車組在不同線路斷面結構下運行的氣動特性分析

周 鵬 曹從詠 宣守旺

(南京理工大學自動化學院，210094，南京//第一作者，碩士研究生)

列車在平地、路堤、橋梁等不同的承載結構上運行時的氣動性能明顯有所區別[1-2]。與無風環境相比，列車在側風作用下運行時產生的流場不再具有對稱性，其氣動性能表現更差，運行安全性相應降低。當側向風較大時，列車受到的傾覆力矩過大，則可能發生側翻甚至脫軌的安全事故[3-5]。因此，研究列車在不同線路條件下受到橫風作用時的氣動性能對其安全性分析尤為重要。

文獻[6-8]的研究成果表明：當車速及風向角一定時，側風速度越大，列車受到的側向力及傾覆力矩越大；當車速及風速一定時，風向角為90°時，此時側風即為橫向風，列車受到的側向力及傾覆力矩最大。而列車實際運行時受到的大氣風方向變化不定。本文以CRH6型動車組列車為研究對象，以列車在橫向風作用下為最不利工況，分析列車在平地、路堤及橋梁等不同承載結構上運行時的氣動特性。

1 仿真計算及方法

1.1 車-線路斷面結構模型

由于實際列車及線路斷面結構很復雜，細節特征極多，計算數據過于龐大，在仿真計算中難以全面實現。因此，有必要對幾何模型進行適當的簡化：

1) 縮短列車編組長度。動車組采用“前車+中間車+尾車”方式的3節編組。列車總長度為74.5 m。每節車輛長度均為24.5 m，車輛高度為3.86 m、寬度為3.2 m，相鄰車輛之間的風擋長度為0.5 m。

2) 假設車體表面光滑。相鄰車輛之間的風擋簡化為光滑曲面；忽略門把手、車窗、車燈、受電弓等凸起物；忽略轉向架結構，但保留其位置，以模擬轉向架位置處產生的渦流效應。列車簡化模型的側視圖如圖1所示。

圖1 某CRH6型動車組列車簡化模型側視圖

3) 簡化線路斷面結構。本文參考了文獻[6-9]，忽略道床、軌道及橋墩等斷面結構，并預留了一定的軌道高度，分別建立車-線路斷面結構的簡化模型，如圖2所示。其中，路堤距離地面高度為5 m，橋梁距離地面高度為15 m；路堤斜坡與地面的夾角約為34°，橋面坡度為2%；列車處于路堤及橋梁上的迎風側位置(橫向風方向沿Y軸正向)。由于平地斷面結構相對簡單，本文不單獨列出。

圖2 不同車-線路斷面結構簡化圖

1.2 計算域劃分

計算域需根據具體的線路斷面結構及橫向風的大小確定，要盡量保證邊界流動對列車繞流流場影響最小。理論上，計算域應當在列車外圍的無窮遠處。由于實際計算能力無法滿足無窮遠計算域的要求。因此，本文在保證計算精度的前提下，對計算域經過多次試算，最終統一確定了不同線路斷面結構下列車在橫向風作用中的計算域(如圖3所示)。整個計算域長為494 m，寬為340 m，高為100 m；計算域的參數取值見表1。

圖3 不同線路斷面結構下的計算域劃分圖

參數含義取值列車頭到等效風入口面(inlet面)的距離160 m列車尾到等效風出口面(outlet面)距離240 m列車左側到橫向風入口面(wind_inlet面)最小距離約96 m列車右側到橫向風出口面(wind_outlet面)最小距離約240 m

在列車附近還要劃出長174 m、寬20 m、高為15 m的長方體區域，主要用于網格加密。

1.3 網格劃分及邊界條件

網格劃分策略與計算域中的幾何模型形狀密切相關。本文結合結構網格和非結構網格的優勢，采用了混合網格劃分策略，對計算域進行分塊網格劃分。在圖3中，小方塊區域內采用四面體網格和三棱柱網格進行空間離散，其外圍區域采用較粗的六面體網格，內外體網格通過交界面連接。不同線路斷面結構下的整個計算域劃分的表面網格結果如圖4所示。

圖4 不同線路斷面結構下的網格劃分圖

網格尺寸從車體表面由近及遠逐漸變大，并在車頭、車尾、風擋等流場變化較大的地方適當加密。在列車表面附近劃分了3層邊界層網格，其中第1層網格節點到列車表面的最小法向距離為1.5 mm，指數增長率為1.5。合理控制表面網格分布節點。

平地、路堤及橋梁等3種線路斷面結構下的整個計算域網格總數分別約為183萬個、187萬個及202萬個。

本文采用風洞模擬方式，根據相對運動原理，假定列車靜止，通過給定等效風速來模擬列車相對運動的情況。結合圖3，具體邊界條件設置如下：

1) 速度入口：inlet處的等效風速度為180 km/h，方向沿x軸正向；wind_inlet處的橫向風速度設定為0～40 m/s(計算步長10 m/s)，方向沿y軸正向。

2) 壓力出口：outlet、wind_outlet均為壓力出口，相對靜壓為0，參考壓力為101 325 Pa。

3) 壁面邊界：列車表面為靜止壁面，粗糙度為0.045 mm ；ground為移動壁面，速度為180 km/h，方向沿x軸正向，粗糙度為0.3 mm；ceil為靜止無滑移壁面。

2 計算結果與分析

本文通過CFD軟件對列車在橫向風環境下不同線路斷面結構上運行時產生的繞流流場進行數值模擬，得到了不同大小的橫向風作用下列車在不同線路斷面結構上運行時的氣動規律。

2.1 列車的氣動力系數及氣動力矩系數

列車運行過程受到的氣動力如圖5所示。

圖5 列車運行過程受到的氣動力示意圖

為了便于比較分析，結合圖5，并參考了文獻[10]，對力及力矩進行無量綱化處理，定義氣動力系數及氣動力矩系數為：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：

k——車廂編號，按頭車起編，按序遞增；

i——x，y，z方向；

cxk——第k節車的阻力系數；

cyk——第k節車的側向力系數；

czk——第k節車的升力系數；

mxk——第k節車的側滾力矩系數；

myk——第k節車的點頭力矩系數；

mzk——第k節車的搖頭力矩系數；

Fik——第k節車在i方向上受到的力；

Mik——第k節車所受繞i方向旋轉的力矩，矩點為車廂質心；

Aik——第k節車在i方向上的正投影面積；

Bk——第k節車最大橫向寬度；

v1——列車速度；

v2——側風風速；

v3——合成風速；

ρ——空氣參考密度，取1.225 kg/m3；

α——風向角，橫向風工況下取α=90°。

2.2 阻力系數變化規律

模擬得到的列車阻力系數變化曲線如圖6所示。經分析，阻力系數變化有如下規律及特點：

圖6 列車阻力系數變化曲線圖

1) 由于該列車頭部流線型較差，當列車在3種線路斷面結構上運行時，頭車、尾車在無風環境下的阻力系數均已超過了文獻[11]給出的列車阻力系數上限建議值0.3，因此，車頭流線型形狀需要進一步優化。

2) 當風速為10 m/s時，列車在路堤上運行時，頭車的阻力最小而尾車阻力最大。隨著風速增大，頭車在3種線路斷面結構下的阻力系數及尾車在路堤上的阻力系數均相應減小，其阻力方向始終沿列車運動反方向；而尾車在平地、橋梁上的阻力系數先減小后反向增大，其阻力變化出現拐點。

3) 當風速在10～20 m/s之間變化時，尾車在平地上的阻力系數變化較快；當風速約為20 m/s時，相比在橋梁上，尾車在平地上更早出現阻力系數變化拐點。

2.3 側向力系數變化規律

模擬得到的列車側向力系數變化曲線如圖7所示。經分析，側向力系數變化有如下規律及特點：

圖7 列車側向力系數變化曲線圖

1) 無橫向風作用時，列車幾乎未受到側向力的作用，列車側向力系數幾乎均為0。

2) 當風速為10 m/s時，頭車在路堤上的側向力系數最大，尾車在橋梁上的側向力系數最大。

3) 隨著風速增大，頭車、尾車在平地、橋梁、路堤上的側向力系數總體呈增長趨勢，但當風速達到約30 m/s時，頭車在橋梁、路堤上的側向力系數略有降低，而尾車在橋梁上的側向力系數明顯比在路堤、平地上大。

4) 根據計算結果，列車在3種線路斷面結構上運行時，頭車的側向力系數始終大于尾車和中間車。

2.4 升力系數變化規律分析

模擬得到的列車升力系數變化曲線如圖8所示。經分析，升力系數變化有如下規律及特點：

1) 當無橫向風作用時，列車在3種線路斷面結構上運行時，頭車受到的升力較小并向下，對軌道有垂向的壓力；尾車受到的升力較大并向上，有上翹的趨勢。

2) 當列車受到橫向風作用后，頭車的氣動升力迅速變為正值。

3) 與頭車、中間車相比，當風速超過20 m/s時，尾車的升力系數最小。

4) 橫向風作用下，列車在路堤上運行時的升力系數始終最大，平地上始終最小。

圖8 列車升力系數變化曲線圖

2.5 側滾力矩系數變化規律分析

模擬得到的列車側滾力矩系數變化曲線如圖9所示。經分析側滾力矩系數變化有如下規律及特點：

圖9 列車側滾力矩系數變化曲線圖

1) 無橫向風作用時，由于列車受到的側向力幾乎為0，升力較小，因此，側滾力矩系數幾乎為0。

2) 隨著橫風速度增大，列車在路堤、平地上的側滾力矩系數均增大，路堤上增長較多。

3) 與中間車和尾車相比，頭車的側滾力矩系數在路堤、平地上始終最大，在橋梁上先增加后減小。

4) 當風速超過30 m/s時，列車在橋梁上運行時，頭車的側向力減小多，升力增加少，其側滾力矩系數有所降低，而尾車受到的側向力及升力均有所增大，其側滾力矩系數則有所增大。

3 結論

受線路斷面結構的影響，列車在平地、路堤、橋梁上運行時氣動特性差異較大，如果受到橫向風作用，這種差異性更加明顯。本文通過CFD數值模擬方法主要研究了某CRH6型動車組在不同線路斷面結構上運行時氣動參數隨橫向風風速變化的規律，得到的主要結論如下：

1) 在無橫向風環境下，頭車、尾車的阻力系數較大，已經超過了建議值，當受到橫向風作用時，頭車的各項氣動系數變化更大，其氣動性能較差，由此說明，列車頭部流線型較差，需要進一步優化。

2) 在橫向風作用下，列車在3種線路斷面結構上運行時，頭車均承受了最大的側向力，而尾車在橋梁上的側向力最大。

3) 不同于平地，列車在路堤、橋梁上運行時橫向風對列車的氣動升力影響較大，而路堤上列車受到的氣動升力始終最大。

4) 除了當風速超過30 m/s時，列車在橋梁上運行的情況外，側滾力矩系數變化趨勢與升力系數變化趨勢大體相同，由此說明，側滾力矩不僅僅是由側向力產生，升力對側滾力矩的貢獻不容忽視。