風(fēng)沙環(huán)境下列車氣動性能的研究*

郭佳梁， 張學(xué)飛， 周朝暉

(1 常州大學(xué) 軌道交通學(xué)院， 江蘇常州 213100；2 蘭州交通大學(xué) 機電工程學(xué)院， 蘭州 730070)

2014年蘭新高鐵開通，是我國西部高寒高溫高風(fēng)沙地區(qū)修建完成的第一條高速鐵路線，從設(shè)計開始很關(guān)注風(fēng)沙的影響[1-2]。李田基于車輛-軌道耦合動力學(xué)和空氣動力學(xué)提出了一種計算沙塵暴環(huán)境下高速列車運行安全的半耦合求解方法，并依此研究了橫風(fēng)沙情形時列車橫向力的特征[3]。倪守隆以CRH3列車3編組為原型，在對真實高速列車的表面做光滑處理(忽略轉(zhuǎn)向架和風(fēng)擋等)后，采用歐拉雙流體模型對200 km/h到400 km/h速度范圍內(nèi)不同沙粒濃度下氣動阻力進(jìn)行了研究[4]。張傳英通過歐拉雙流體模型計算分析了沙塵濃度和橫風(fēng)速度對列車氣動力的影響，得出了沙塵加劇列車氣動力值的增幅，影響列車運行的穩(wěn)定性[5]。宋琛也采用歐拉雙流體模型對簡化的3編組高速列車在風(fēng)沙環(huán)境下氣動特性進(jìn)行研究，得出了車速小于30 m/s時，總阻力增加6%左右[6]。

通過采用歐拉-拉格拉日模型研究了8編組高速列車在不同的風(fēng)沙顆粒濃度、風(fēng)沙顆粒直徑、風(fēng)速的情況下的空氣動力學(xué)性性能，獲得一些風(fēng)沙環(huán)境下高速列車氣動性能參數(shù)。

1 計算模型與網(wǎng)格劃分

1.1 數(shù)學(xué)模型

主要是計算沙粒對列車氣動性能的影響，需要同時考慮到空氣和沙粒的耦合作用，所以屬于典型多相流中的氣固兩相流范疇。采用歐拉-拉格朗日方法對風(fēng)沙進(jìn)行模擬。在歐拉坐標(biāo)系下，用一般湍流模型的連續(xù)介質(zhì)處理方法處理氣相，在拉格朗日坐標(biāo)系下處理風(fēng)沙顆粒相。……