沙塵環(huán)境下高速列車氣動特性分析

文恒 于夢閣 盛旭高 殷碩

摘要：? 為研究沙塵環(huán)境下高速列車明線運行時的氣動特性，基于剪切應(yīng)力傳輸模型SST k w雙方程湍流模型和拉格朗日離散相模型，與無沙環(huán)境下的高速列車氣動特性進行比較，計算分析不同沙粒濃度、不同車速下的高速列車氣動特性。計算結(jié)果表明：沙塵環(huán)境下，當(dāng)車速一定時，列車整車氣動阻力、頭車氣動阻力、尾車氣動阻力均隨沙粒濃度增加而逐漸增大，且與沙粒濃度近似呈線性關(guān)系;對于氣動升力，當(dāng)車速一定時，頭車氣動升力絕對值隨沙粒濃度的增加而增大，尾車氣動升力隨車速的增加而降低。該研究成果可為高速列車在沙塵環(huán)境中的運行安全提供理論參考。

關(guān)鍵詞：? 高速列車; 沙粒濃度; 氣動特性; 氣動阻力; 氣動升力

中圖分類號： U271.91; U270.1+1? 文獻標(biāo)識碼： A

近幾年，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，國家加快鐵路網(wǎng)建設(shè)，驅(qū)動區(qū)域經(jīng)濟地協(xié)調(diào)發(fā)展。蘭新高鐵穿越我國西部高寒風(fēng)沙區(qū)域，由于蘭新高鐵線路的特殊性，列車途經(jīng)的百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)是內(nèi)陸大風(fēng)天氣頻發(fā)的地區(qū)之一，時常會引發(fā)大風(fēng)災(zāi)害性氣象[1 3] ，強風(fēng)地區(qū)大多缺少植被覆蓋，地表裸露，而風(fēng)速又往往遠遠大于起沙風(fēng)速，因此地表的沙粒在大風(fēng)的作用下撞擊動車組，使得高速列車的氣動特性明顯變差[4] 。沙塵環(huán)境屬于多相流中的氣 固兩相流問題，多采用歐拉 歐拉模型和歐拉 拉格朗日模型進行模擬計算。歐拉 歐拉模型主要描述兩相的運動，用于高濃度離散相的問題;歐拉 拉格朗日模型適用于離散相的體積分數(shù)在10%～12%以下的問題[5] ，而且關(guān)注離散相的運動軌跡。C.Paz等人[6] 采用歐拉 拉格朗日方法研究了高速列車在沙塵環(huán)境中的運行安全性;熊紅兵等人[7] 研究了沙塵暴環(huán)境下高速列車運行時的氣動特性;李田等人[8] 采用歐拉 歐拉方法研究了不同沙塵暴環(huán)境下高速列車的動力學(xué)性能;倪守隆[9] 采用歐拉 歐拉方法研究確定了高速列車在沙塵暴環(huán)境下運行的安全域;高琛光[10] 采用歐拉 拉格朗日方法研究了不同風(fēng)速、不同風(fēng)向、頭尾中間車設(shè)備艙的流動特性。王洪濤等人[11] 通過實驗研究了近地面的沙粒體積分數(shù)隨高度的變化，實驗結(jié)果表明，即使是風(fēng)速很高，但在接近地面處，沙粒相所占的體積分數(shù)也只是在10-4 量級，在很靠近沙床表面時，沙子的濃度隨風(fēng)速變化不大，沙粒在空氣中所占的體積分數(shù)在10-4 量級以下，遠小于10%，因此本文選用歐拉 拉格朗日模型進行研究。經(jīng)過以上分析，目前國內(nèi)外關(guān)于高速列車在沙塵環(huán)境下的空氣動力學(xué)研究正處于起步階段，以往的研究所采用的沙粒濃度也相對較低，本文應(yīng)用歐拉 拉格朗日方法建立沙塵環(huán)境下高速列車空氣動力學(xué)計算模型，開展沙塵環(huán)境下高速列車的空氣動力學(xué)計算，研究車速、沙粒濃度對高速列車空氣動力學(xué)性能的影響。

1 計算模型

一般情況下，高速列車明線運行時，其外部流場為不可壓縮的定常流[12 13] ，工程中的流場計算多是采用基于雷諾時均方法的湍流模型，因此，高速列車?yán)@流流場控制方程為定常不可壓縮雷諾時均Navier-Stokes方程，質(zhì)量以及動量守恒方程分別為[14]

j xj =0 （1）

ρ? j i? xj =-? xi +? ij xj +? xj? -ρu′i u′j? -Mi? （2）

式中， j為氣流速度在j方向的時間平均值;xj為j方向的坐標(biāo)，ρ為氣體密度;ui為i方向氣流的速度;xi為i方向的坐標(biāo);p為壓強;u′i 為i方向氣體湍流脈動速度;ui 為氣流速度在i方向的時間平均值;uj為j方向氣流的速度;u′j 為j方向氣體湍流脈動速度; 為氣體壓力的時間平均值; ij 為黏性應(yīng)力張量的時間平均值;-ρu′i u′j? 為雷諾應(yīng)力;Mi為相間動量交換第i個分量。

本文研究高速列車在沙塵環(huán)境中運行所引起的空氣流動屬于湍流流動，進行數(shù)值計算時湍流模型多種多樣，本文選取的剪切應(yīng)力傳輸模型（shear stress transfer，SST）廣泛應(yīng)用于在高速列車的空氣動力學(xué)計算中[15 18] ，具有比較高的精度，其表達式為

κ i xi =? xj Γκ κ xj +Gκ-Yκ （3）

ρ? ω i xi =? xj Γω ω xj +Gω-Yω+Dω （4）

式中，Γκ和Γω、Yκ和Yω分別為κ和ω的擴散率和湍流耗散項;Gκ為κ的湍流生成項;Gω為ω的湍流生成項;Dω為交叉擴散項。

應(yīng)用歐拉 拉格朗日方法建模時，假設(shè)沙粒是球形的，且不會發(fā)生變形，只考慮空氣阻力和重力的作用，沙粒之間的相互作用不予考慮，在歐拉 拉格朗日參考框架下，沙粒運動方程為

duΡi dt = 18μ ρΡ d2Ρ? cReΡ 24 ui -uΡi + gi ρΡ -ρ ρΡ? （5）

式中，uΡi 為沙粒速度第i個分量;t為時間;μ為動力黏度;ρΡ為沙粒密度;dΡ為沙粒粒徑;c為沙粒曳力系數(shù);ReΡ為相對雷諾數(shù);gi為重力加速度第i個分量。

2 數(shù)值模型及邊界條件設(shè)定

2.1 計算區(qū)域及邊界條件

依照中國鐵路某高速列車（china railway high-speed，CRH）的幾何外形，建立高速列車三維幾何模型，采用頭車 中間車 尾車構(gòu)成的3節(jié)車編組模型，其中頭車26.5 m，中間車25 m，尾車26.5 m，整車78 m，寬

3.38 m，高3.7 m。對列車進行簡化，保留擋風(fēng)板，忽略轉(zhuǎn)向架、門把手、受電弓等細部特征[19] 。本文CFD計算是模擬風(fēng)洞吹風(fēng)的方式，在計算域流場中，假設(shè)列車靜止不動，在列車前側(cè)計算域入口設(shè)置大小等于速，方向與車速相反的來流風(fēng)速，沙塵入射面選為計算區(qū)域前端入口。連續(xù)相邊界條件為：列車前側(cè)計算區(qū)域設(shè)置為速度入口，列車后側(cè)計算區(qū)域設(shè)置為壓力出口，計算區(qū)域底面及列車表面采用無滑移壁面條件。離散相邊界條件為：地面邊界條件設(shè)置為trap，列車壁面邊界條件設(shè)置為reflect，入口和出口邊界條件均設(shè)置為escape。沙塵環(huán)境計算區(qū)域及邊界條件如圖1所示，列車鼻尖距離計算域左側(cè)為110 m，距離計算域右側(cè)為290 m。

[7] Xiong H B， Wen-Guang Y U， Chen D W， et al. Numerical study on the aerodynamic performance and safe running of high-speed trains in sandstorms[J]. Journal of Zhejiang University SCIENCE A， 2011， 12（12）： 971 978.

[8] 李田， 張繼業(yè)， 張衛(wèi)華. 沙塵暴環(huán)境下的高速列車運行安全分析[J]. 四川大學(xué)學(xué)報： 工程科學(xué)版， 2012， 44（S2）： 5 8.

[9] 倪守隆. 風(fēng)雨與沙塵暴環(huán)境下列車運行安全性研究[D]. 大連： 大連交通大學(xué)， 2015.

[10] 高琛光. 風(fēng)沙環(huán)境下高速列車設(shè)備艙流動特性數(shù)值模擬研究[D]. 蘭州： 蘭州交通大學(xué)， 2016.

[11] 王洪濤， 董治寶， 張曉航. 風(fēng)沙流中沙粒濃度分布的實驗研究[J]. 地球科學(xué)進展， 2004， 19（5）： 732 735.

[12] 黃成濤， 王立新. 風(fēng)雨對飛機飛行安全性的影響[J]. 航空學(xué)報， 2010， 31（4）： 694 700.

[13] 李陶. 風(fēng)沙環(huán)境下高速列車氣動效應(yīng)研究[D]. 蘭州： 蘭州交通大學(xué)， 2018.

[14] Wu Z L， Cao Y H. Numerical simulation of flow over an airfoil in heavy rain via a two-way coupled eulerian-Lagrangian approach[J]. International Journal of Multiphase Flow， 2015， 69： 81 92.

[15] Muoz-Paniagua J， García J. Aerodynamic drag optimization of a high-speed train[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2020， 204： 104215 104220.

[16] 于夢閣， 李海慶， 劉加利， 等. 強風(fēng)雨環(huán)境下高速列車空氣動力學(xué)性能研究[J]. 機械工程學(xué)報， 2020， 56（4）： 185 192.

[17] 于夢閣， 李田， 張騫， 等. 強降雨環(huán)境下高速列車空氣動力學(xué)性能[J]. 交通運輸工程學(xué)報， 2019， 19（5）： 96 105.

[18] 周鵬， 李田， 張繼業(yè)， 等. 真空管道超級列車激波簇結(jié)構(gòu)研究[J]. 機械工程學(xué)報， 2020， 56（2）： 86 97.

[19] 李人憲， 劉杰， 戚振宕， 等. 明線會車壓力波幅變化規(guī)律研究[J]. 機械工程學(xué)報， 2011， 47（4）： 125 130.

[20] 李凱崇， 蔣富強， 薛春曉， 等. 蘭新鐵路十三間房段的戈壁風(fēng)沙流特征分析[J]. 鐵道工程學(xué)報， 2010， 27（3）： 15 18.

Analysis of Aerodynamic Characteristics of High-Speed Trains in Sand and Dust Environment

WEN Heng， YU Mengge， SHENG Xugao， YIN Shuo

（School of Electromechanic Engineering， Qingdao University， Qingdao 266071， China）

Abstract：? In order to study the aerodynamic characteristics of high-speed trains in the open environment under sand and dust environment， based on the SST k w double equation turbulence model and Lagrangian discrete phase model， the aerodynamic characteristics of high-speed trains in a non-sand environment are compared， and different sand concentrations are calculated and analyzed. The calculation results show that： in a dust environment， when the speed of the trainis constant， the aerodynamic resistance of the entire train， the aerodynamic resistance of the first car， and the aerodynamic resistance of the tail car gradually increase with the increase of the sand concentration. It is approximately linearly related to the concentration of sand particles; for aerodynamic lift， when the vehicle speed is constant， the absolute value of the aerodynamic lift of the head car increases with the increase of the concentration of sand particles， and the aerodynamic lift of the tail car decreases with the increase of the speed of the car. The aerodynamic characteristics of high-speed trains deteriorate. The research results provide a reference for the safe operation of high-speed trains in dusty environments.

Key words： high-speed train; sand particle concentration; aerodynamic characteristics; aerodynamic resistance; aerodynamic lift