移動列車-橋梁系統氣動特性風洞試驗研究

鄒思敏，何旭輝，鄒云峰，史 康，歐俊偉

(1.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；2.高速鐵路建造技術國家工程實驗室，湖南 長沙 410075)

隨著國家經濟的發展以及基礎設施建設的大力推進，截至2020年底，全國鐵路運營里程已達14.63萬km，其中高速鐵路3.8萬km。隨著列車運行速度和客運量進一步提高，高速列車面臨著更為復雜的行車環境，建設與維護的技術難度更大，安全運營過程中將面臨更多挑戰[1]。

高速鐵路車-橋系統是一個龐大又需要多個學科集中交叉支撐的學科體系，而在列車行駛過程中，橫風作為無法避免的因素對高速列車的運行安全和舒適性有著重要影響[2]。隨著氣候與風環境的不斷變化及列車運量逐步攀升，因橫風所致車輛失穩或傾覆脫軌的事故偶有發生。目前在高速列車氣動特性及安全性能的研究中，風洞試驗仍是最為行之有效的方法之一。國內外學者對于列車及車-橋系統氣動特性研究，大部分采用的是靜止節段模型獲取列車以及橋梁的氣動特性[3]，或通過合成風向角模擬列車運行時與橫風的聯合作用[4]。這些方法是試驗技術不成熟時的近似方法，因此存在以下問題：

(1)列車移動時會改變物體周圍的來流風剖面及流場均勻性。

(2)當通過合成風向角進行模擬時，更多是針對列車與來流所形成的風向偏角，而實際上在橫風中橋梁或路堤等基礎設施則更多是受90°橫風的影響。

(3)對車-橋系統而言相對運動產生的氣動干擾大，僅僅以靜態車-橋組合難以說明問題。

開展橋上移動列車風洞試驗的目的旨在更真實有效地模擬列車在實際運動中的運行過程，并探究隨著列車移動時，在橫風作用下車-橋系統的氣動特性及相互作用與影響。

在靜態模型車-橋系統試驗方法中，作用于行駛車輛上的側風力通常采用準穩態方法，利用靜態模型風洞試驗所測得的氣動系數進行估算[5]。通常靜態風洞實驗中的氣動特性結果是通過將測量設備安裝在基礎設施模型上的靜態車輛模型來完成。氣動特性的測試是通過對車輛和基礎設施模型同時進行相同角度的旋轉，獲得相對于列車所承受的合成風力(這種靜態的方式包括二維節段模型試驗和通過旋轉風向角的方法)。顯然，這種模擬方法與實際列車在運行過程中的情況是不同的。在實際列車運行過程中，車輛和基礎設施周圍流場會因列車的運動發生一系列繞流特性變化，導致橫風、車輛及橋梁之間的氣動干擾發生了多次變化與轉換。因此，這些靜態試驗并不能很好地反映列車在橫風中橋梁上運行時的真實狀態。盡管仍有一些研究如運動地板法、邊界層吸力法和切向入射法在一定程度上盡力模擬列車運行時的真實場景。然而，正如Cooper[6]所指出的，風切變、湍流的產生及列車與基礎設施之間的相對運動只能通過移動的列車模型實驗來正確模擬。

移動列車模型試驗最早在1981年，使用當時最先進的1∶5比例APT模型在自然風作用下進行，其存在一些不可控制的試驗要素[6]。此后在通過風洞試驗方法的研究中，文獻[7-8] 設計了一個1∶50列車模型，車輛被連接到一個“導軌”上，同時在4個彈性繩的作用下讓車輛以5～20 m/s的速度行駛，但此裝置需要在風洞地板開槽，導致底部氣流對試驗結果產生影響。文獻[9]開發了一套電機拉動的移動模型并進行了1∶20模型的風洞試驗，該設備系統由機械推進和保持車載力的平衡,該設計同時放置了離心鼓風機,提供對側風來流的模擬。對車-橋系統的繞流特性更為復雜，在風洞試驗移動車-橋系統氣動特性研究中，文獻[10]設計的移動車輛-橋梁模型風洞試驗系統，通過伺服馬達驅動列車模型在18 m長的導軌上運行。該滑動裝置由垂直桿件連接，測力設備安裝在桿件上，這個推進系統可以將比例為1∶45的模型車輛以10 m/s的速度進行運行。文獻[11] 進行了橫風作用下的列車動模型試驗，在考慮橫風僅對列車氣動特性產生影響時，移動試驗方法和靜態合成風向角法結果之間的差異可能并不十分明顯。Premili等[5]通過CFD數值模擬方法的討論中，指出當存在橋梁等大型基礎設施時，列車會與基礎設施形成氣動干擾，從而對氣動特性產生影響。文獻[12]也通過風洞試驗研究了車-橋系統特性，并認為單獨考慮列車或橋梁的氣動特性研究會導致車-橋系統的明顯誤差，車輛與橋梁需當作系統來考慮。

在目前的移動車-橋試驗中，常規做法是使用測力天平實現氣動力的測量。當測力天平安裝在被測車輛模型上時，在每一次移動模型試驗中，難以規避在導軌上運動時所引起的車身振動。這些振動將導致機械噪聲出現在試驗數據的記錄過程中，干擾了氣動力特性的識別與采集。同時，由于目前這些動模型測試方法在模擬試驗時，輪軌接觸方式會產生底部氣流難以模擬的問題，也存在連接方式所引起的慣性力、摩擦以及連接桿件所引起的氣流干擾，從而在測試中難以避免模型振動、扭轉和難以測試到局部風壓等問題，導致現階段對于車-橋系統之間的相互氣動干擾規律與影響揭示較少。

本文基于中南大學風洞實驗室以往的風洞試驗研究工作[13]，在移動車-橋風洞試驗氣動特性測試系統上進行了進一步的優化與升級，并采用高速鐵路典型的32 m簡支梁橋和CRH2動車組設計了縮尺比為1∶25的車-橋風洞試驗模型系統，在風洞中進行橫風作用下移動列車在橋上運行時的車-橋系統各自的氣動特性測試，該測試方法能夠有效方便地對列車與橋梁的表面風壓進行采集，從而分析車-橋系統之間靜、動態列車在不同風速、不同軌道運行位置的氣動特性的相互作用與影響。

1 列車-橋梁風洞試驗系統

該試驗在中南大學風洞實驗室低速試驗段內完成，風洞實驗室低速段寬12 m 、高3.5 m、長18 m，試驗段風速為0～20 m/s。移動車-橋系統為自行研究設計的一套移動車輛模型風洞試驗裝置U形滑道[13]。該裝置除能用于測試車輛停留于橋梁上的靜止試驗以外，更重要的功能是適用于測試橋上車輛運動時的車輛和橋梁各自獨立的氣動特性。為盡可能增加試驗橋梁長度，該列車-橋梁風洞試驗系統橫向貫穿整個試驗段與來流方向垂直布置，裝置基于勢能轉換為動能的原理，可將模型列車牽引至預定高度進行釋放，列車通過自身重力加速向下滑行，以達到一定的初速度進入試驗段。試驗裝置總長度為14.5 m，兩側加速滑道頂端距離橋面高度為4.5 m，其中試驗列車模型在橋上運行距離為6.4 m，為滿足風洞阻塞比的要求，車-橋系統模型縮尺比為1∶25，將阻塞率控制在3.4%，試驗總體布置如圖1所示。

圖1 車-橋風洞試驗系統總體布置

由圖1可知，兩側滑道采用鋼結構支架進行支撐，而在橋梁部分為更好模擬實際橋梁的氣動外形，采用相似氣動外形的鋼制橋墩進行支撐布置。兩端滑軌的外側分別安裝對模型進行牽引拉力的卷揚機，同時為了方便試驗可多次重復操作，避免因人為操作所引起的風洞使用問題，在提升卷揚機鋼絲纜繩的前段連接一輛牽引運動小車，該小車可沿軌道方向運動，且可通過在風洞外遠程操控進入風洞試驗段內，通過控制小車和提升卷揚機將高速列車模型提升至預定高度完成試驗。該加速方式可通過調整模型的高度提供實現高速列車模型瞬時加速的動力以及所設定的預定速度，而兩端滑道的對稱布置則為了方便運動的列車在短時間內通過動能轉化為勢能，從而將能量進行耗散，達到減速直至自然停止。模型最大速度可達12 m/s，該裝置操作方便快捷，可重復性強，有效縮短了測試時間，提高了試驗效率，且可使列車在橋梁軌道上實現雙向對開。

車-橋模型與實際高速列車和橋梁結構幾何外形相似，列車模型如圖2(a)所示。考慮模型在橋上勻速運行的有效試驗時間、距離和穩定性等，試驗模型采用“頭車+中車”的兩節編組，頭車模型長度1 028 mm，中車模型長度980 mm。列車和主梁模型采用優質木材制作，保證模型具有足夠的剛度，試驗中模型不發生變形且不出現明顯的振動現象，以保證壓力測量的精度。車廂之間相互獨立，通過連接裝置保持車廂之間的間隔。試驗以中車為測試對象，頭車作為氣動過渡段，以保證中車運行過程中的氣動穩定性。同時，為更好地保持氣動外形高度的相似性，試驗橋梁按照原型橋布局設計，在橋梁上采用“雙軌制”。軌道高度、軌距、軌道中心間距嚴格按照1∶25比例制作和安裝。為了保證列車運行的穩定性和提高測量精度，選用金屬扣件將軌道每10 cm固定一次(與實際軌道鋪設固定方式類似)。此外，試驗中還采用了鋼軌夾軌輪，保證列車模型的安全穩定，風洞試驗模型如圖2所示。

圖2 風洞試驗模型(單位：mm)

2 測試系統

列車表面風壓數據采集系統采用自主研制的無線測壓系統。系統位于中車車身內部通過測壓管與列車表面測壓孔相接，因此可直接獲取中車的表面風壓，并實時將采集到的風壓數據通過無線的方式傳輸到遠程計算機上，有效避免了傳統壓力掃描閥等帶來的拖線問題以及測力天平抖動導致的慣性力問題，使該測試系統可承載且適用于此種類似移動物體氣動特性的測試，試驗中采樣頻率為1 kHz，壓力測試精度為0.1 Pa。在試驗中，靜止/運動列車在橫風作用下的表面風壓數據可通過該采集系統獲取，并可將數據實時發送至遠端的上位機上。列車測試結果僅考慮列車在橋梁上的氣動特性，橋梁氣動特性由DSM3400壓力掃描閥測得，采樣頻率為625 Hz。

車輛速度測量采用兩個光電開關和兩個激光位移計進行。傳感器利用激光工作，可感知探頭與物體距離的范圍為30 cm。為獲取列車速度，將傳感器進行一定間隔距離布置，測量探頭間隔為66.5 cm。由于速度是兩個傳感器之間的距離與時間的比值，通過本方法的設置獲得試驗中模型列車的速度。探測的持續時間是將車頭運行至車尾，并且可通過不同高度釋放列車獲得不同的列車變化車速。速度測試設置在試驗橋梁前與滑道的相接處，因此可得到列車在橋上運行時的速度，由于運行距離較短，且在橋梁段前后兩側探測速度損失較小，因此可認為該試驗在列車進行平緩橋梁試驗段時為勻速運動。

3 試驗工況

為更好得到列車氣動力特性，試驗針對中車模型進行了風壓測試，同時為探究列車對橋梁氣動特性的影響，試驗中，在橋梁跨中位置，沿橋梁截面布置了29個測點，車輛以及橋梁風壓測點位置如圖3所示。為分析動、靜模型在橫風作用下車-橋系統氣動特性的差異，試驗分別針對不同風速、車速以及車輛位置對車-橋系統進行氣動特性測試，分析各因素對車-橋系統氣動特性的影響。試驗在低速試驗段進行，每種工況分別設置3個試驗風速(8、 9、10 m/s)，列車速度分別為0、4、6 m/s 3種車速，以及不同的軌道位置(先受到橫風影響的一側為上游軌道)，如圖4所示。為減小動態試驗數據的誤差并兼顧試驗效率，保證試驗結果的精度以及準確度，對移動列車每一個工況重復進行10次試驗。

圖3 車、橋斷面測點位置及編號

圖4 列車運行于不同軌道位置

4 數據處理方法

利用測壓技術對橋梁和列車進行測壓，可以得到橋梁和列車表面的壓力分布，每一點的風壓可以用壓力系數Cpi進行描述。

( 1 )

式中：Pi為試驗測點處測得的風壓，以指向試驗模型表面的壓力為正；P∞為風洞內試驗參考高度處的靜壓；U∞為參考高度處風洞來流風速，即取風洞試驗風速；ρ為空氣密度，通常取1.225。

5 試驗結果分析

5.1 列車表面風壓5.1.1 靜動態差異

圖5和圖6通過移動和靜態試驗比較了隨著風速變化沿列車截面的壓力分布。從各監測點數據來看，移動列車風壓系數的分布明顯與靜態列車不同，這是由于列車運動時產生的強烈三維效應和側風的偏航角造成的。

圖5 不同試驗風速列車表面平均風壓系數的比較 (上游)

圖6 不同試驗風速列車表面平均風壓系數的比較 (下游)

圖5為靜止列車和移動列車在上游軌道時的壓力分布。在列車處于靜止情況下，除迎風面外，所有試驗的風壓系數Cp均為負。靜態情況下的Cp值遠大于移動情況下的Cp值。這是因為列車的繞流特性在靜態和動態之間是從90°鈍體繞流狀態過渡到小偏航角的細長體繞流狀態[14]。對于下游軌道列車，風速為8、9、10 m/s時，迎風面壓力為正，其余為負，如圖6所示。在所有試驗中，位于列車車肩附近的點3的壓力負值最大，也表明了氣流在點3附近產生了強烈的分離。此外，移動列車的Cp分布隨風速而變化，主要在列車頂部和尾部之間。首先，兩種試驗方式所獲得的列車表面壓力有接近的趨勢，表明在下游區域時列車會進入下游橋梁提供的低壓區，并受到由橋面前緣引起屏蔽效應。然而處于上游運行的列車更容易受到側風的影響，也因為車輛在此位置時受到側風的直接影響更大。相對于上游，當列車在下游時迎風面和背風面的壓力差異變得較小。此外，通過對比圖5和圖6的結果可以發現，在相同風速和列車速度的不同軌道上，分別使用靜止和移動模型時，Cp分布有較大的不同。這一觀察結果表明，使用風速和列車速度矢量的合成并不能完全揭示列車在橋上運行時的空氣動力特性。在這種情況下，火車與橋梁之間的相對運動可能起著不可忽視的重要作用。

5.1.2 風偏角的影響

列車的運行速度與來流風速形成一定的風向角，如圖7所示。其中，U為側風速，V為列車速度，W為列車合成速度，α為列車速度與相對速度之間的風向偏角。合成風向角工況見表1，其中合成風向角為側風風向與列車前行方向的夾角。

圖7 合成風向示意

表1 風速與車速工況合成風向角

圖8為0、4、6 m/s 3種列車速度，風速為8、9、10 m/s情況下Cp的比較。圖8中每個子圖對應的是3種不同列車車速下不同的恒定側風風速。

圖8 不同風向角下的列車表面風壓

由圖8可知，風壓系數與偏航角之間存在著緊密聯系。通過3種不同顏色的箭頭長度表示不同偏航角下的風壓系數差異。圖8中，相對較長的紅色箭頭表示偏航角為90°時靜態情況下的Cp值，根據圖8所示，此時風壓系數在所有情況下均呈現出相對較大的數值結果。而且，在不同風速條件下，偏航角為90° 靜態工況的風壓系數均呈現類似相同的趨勢。此外，通過對比發現，在移動和靜止模型試驗中風壓系數的變化出現一些明顯差異，因偏航角的轉變而不同，特別是當偏航角小于60°時。由于偏航角的變化由車速和風速變化組成，在這些偏航角中，56.31°和90°偏航角下，列車的表面風壓系數相對于其他工況更為接近。當偏航角小于60°時，可以發現每個風壓測點的一些其他變化，特別是在靠近列車頂部和前緣車肩的位置。這些風壓系數隨列車車速和風速變化而變化的規律，說明了列車在橋上運行時余弦定律不再適用。這些靜動態列車之間的差異是由于列車與橋梁之間的相對運動造成了周圍一系列繞流特性發生變化，當列車運行時，列車周圍的繞流效應將產生更多瞬態和不規則的渦旋流動，造成瞬態速度波動和額外的附著湍流[14-15]。

此外，側風對橋梁產生的湍流通常與流動的分離和再附有關，而湍流的影響將直接影響列車的氣動特性。但是，這里需要指出的是由移動列車在橋上運行時引起的非定常效應，在文獻[16-17]中也發現了相似的規律，當列車在箱梁和桁架橋梁上運行時，氣動力系數因偏航角引起的變化規律導致余弦準則不再成立。在一定偏航角下，氣動力系數隨偏航角的變化而變化。在這種情況下，側風作用下行駛的列車被一個復雜流場所包圍，橋的存在會進一步加劇這種繞流特性的復雜程度。

5.2 靜、動態列車對橋梁表面風壓的影響

圖9為不同列車運動狀態下，不同風速和軌道位置對橋梁的影響。圖9(a) 為單獨橋梁未有車輛對橋梁進行干擾時所獲得的典型簡支箱梁橋截面的平均壓力分布。橋梁迎風面為正壓，其余3個面即頂面、背風面和底面所受風壓為負。在靠近迎風面的底部角落出現較高的負壓值，可能是由于從這些拐角處渦流分離的剪切層中流動分離所引起的強夾帶和吸力。與迎風面的壓力值相比，下游面的壓力值較為平穩且接近。

圖9 橋梁表面平均風壓系數

為進一步比較列車導致的橋梁氣動特性變化，圖9(b)、圖9(c)為靜態列車在橋梁上游和下游軌道時，平均風壓沿橋面軸線的分布。橋梁的平均風壓系數由于列車的存在而發生改變。這源于列車固有的三維結構特性改變了橋梁前緣的流場。橋面前緣底部平均風壓呈現出極大的負值，在不同風速影響下出現較大的差異，且隨著風速的增加風壓系數也增大，而其他區域風壓分布在不同位置上的變化趨勢是相似的。在橋梁前緣底部出現這種不一致極大可能是隨著風速的增加，流動分離位置和邊界層過渡而導致的結果。由于列車直接位于橋梁上方，因此橋梁頂面的壓力分布是與列車位置直接相關的，而且不同的位置對分布影響較大。相比之下，橋梁頂面未出現明顯負壓，這是因為通過車與橋之間的間隙流動被限制在很小的區域內，因此沒有強烈的流動分離。此外，背風側和下游底部的壓力差異相對于迎風區和頂部的差異較小。

圖9(d)、圖9(e) 所示為移動列車工況下橋梁的壓力分布。如圖9(d)所示，橋上的平均風壓分布受上游車輛運動的影響。在橋梁迎風部分，風壓分布和前述工況的分布有較大的不同。除前緣底部呈現出強烈的負壓外，迎風面的正壓減弱。對于車輛位于下游情況(圖9(e))，列車在移動的情況下，前緣底部和頂面的風壓變得容易受到列車移動的影響。這是因為列車的運動對周圍的流場影響導致橋面的壓力發生變化。從圖9(d)、圖9(e)還發現，當列車在下游軌道運動時，風速的變化對橋梁氣動特性的影響較前三工況更大。此外，通過對比圖9各工況可以發現，列車不同狀態下導致的風壓系數分布與其他情況有較大的不同。這一結果進一步表明當橋梁和車輛同時使用靜止試驗遭受風偏角為90°的影響時，并不能完全揭示列車運行時橋梁的氣動特性。

6 結論

車-橋系統的氣動特性風洞試驗測試常采用靜止節段模型獲得，但車-橋系統移動列車風洞試驗在系統的氣動特性研究上正愈發展現出其優勢。本文采用中南大學風洞實驗室自主研發的車-橋氣動特性風洞試驗系統對列車表面風壓以及橋梁氣動特性進行風洞試驗研究，該系統可方便改變來流風速、車輛運行速度以及相對位置等，通過對車輛表面風壓以及橋梁氣動特性的分析，得到以下結論：

(1)在橫風作用下，列車表面風壓受到列車在橋上行車位置的影響，列車在下游運行時，列車表面風壓受列車靜、動狀態的影響較小。

(2)當列車在橋上運行時，在車-橋系統氣動特性研究中，由于受到橋梁的氣動干擾，合成風向角法變得難以成立。

(3)與靜態試驗不同，在橫風作用下車輛在橋梁上運行時，風速對橋面氣動特性影響十分敏感，特別是在下游軌道區域。

(4)列車在橋上運行時，會對橋梁的氣動特性產生更明顯的干擾，會因此引起風-車-橋系統氣動耦合效應，引起結構振動，對行車安全與舒適性產生影響。