順向斜風作用下橋面運動車輛氣動特性試驗研究

韓 旭 ，向活躍 ,2，李永樂 ,2

（1.西南交通大學土木工程學院, 四川 成都 610031；2.西南交通大學風工程四川省重點實驗室, 四川 成都610031）

車輛高速運行時，強風作用對車輛安全性和舒適性的影響不容忽視.為了保證車輛在強風作用下的安全性和舒適性，需要進行風-車-橋耦合振動分析，分析的基礎是進行車輛氣動特性的測試，明確車輛的抗風性能[1].

橋梁實際運營中，受到的來流并非完全垂直于橋軸線.如，平潭海峽大橋的主要風向角（風與橋軸垂線的夾角）為10°～30°，大渡河大橋實測和數值模擬得到的風向角在45° 附近[2-3].在斜風作用時，橋軸線方向將有風速的分量，當車輛運動方向與此分量方向相同時，稱為順向斜風，反之稱為逆向斜風.通常，逆向斜風與車速合成后，會形成一個更小的風偏角（合成風速與橋軸線的夾角），可能對車輛的行車安全更不利[4].但車輛往返的概率相同，順向斜風的作用也不容忽視.

車輛氣動特性研究的風洞試驗方法主要有兩種類型：靜止車輛模型[5-7]和移動車輛模型[8-10].采用風洞試驗，李永樂等[11-12]研究了垂直來流作用下的列車-橋氣動特性；韓艷等[13-14]研究了橋面汽車的橫風氣動特性，但試驗中均采用垂直來流，且車輛靜止；Suzuki等[15]研究了順向斜風和逆向斜風作用下橋面車輛的橫風氣動特性，結果表明氣動特性呈對稱關系，但其車輛為列車的中間車，且車輛靜止；田紅旗[16]研究了列車（頭車、中間車和尾車）的在順向斜風和逆向斜風作用下的氣動特性，結果表明，順向斜風使列車空氣阻力驟降，逆風使列車空氣阻力增加.由于結構的繞流對車輛氣動特性有一定的影響，向活躍等[17]采用移動車輛模型風洞試驗的方法，研究了逆向斜風作用下運動車輛的氣動特性，并與垂直來流情況下運動車輛的氣動特性進行了對比，結果表明風向對氣動力系數有一定的影響.

綜上，靜止車輛模型風洞試驗是一種較常用且較為成熟的方法，適用于定常氣動力的測試，但對于橋面車輛在斜風及設置風屏障等特殊情況難以模擬真實的車輛與橋面相對運動.而移動車輛模型風洞試驗方法可較好地解決上述特殊問題，也能夠更真實地得到車輛氣動特性.但現有的橋面車輛氣動特性研究中，多是針對垂直來流情況[17]，對順向斜風作用下移動車輛氣動特性的研究相對較少.

為考察順向斜風作用下移動車輛的氣動特性，利用移動車輛模型風洞試驗裝置[17]，測試了順向斜風作用下移動車輛的氣動特性，討論了風速、風向角、風屏障等因素對橋面車輛氣動特性的影響.

1 風洞試驗

試驗在西南交通大學的XNJD-3工業風洞中進行，風洞的長、寬、高分別為 36.0、22.5、4.5 m，最大風速可達16.5 m/s.移動車輛模型試驗裝置由直線模組、伺服電機、橋梁和車輛模型等組成.直線模組最大長度為10 m，有效行程為9.71 m，最大運行速度為 10 m/s，最大加速度為 50 m/s2.直線模組的寬、高均為80 mm，材料為高強鋁合金，剛度較大，車輛模型較輕，運動時產生的撓度較小.該裝置的正視圖、側視圖及安裝中的照片如圖1所示[17].圖中：U為來流風速.

圖1 試驗模型Fig.1 Test model diagram

該裝置中伺服電機直接安裝于直線模組上，通過模組內的同步帶驅動滑臺移動.天平安裝于車輛模型內，一端與車輛模型連接，另一端采用U型連接件安裝于滑臺之上.直線模組固定于支撐板上，該支撐板可調整高度.直線模組的尺寸相對較大，只能內置于橋梁部.為保證車輛與橋面的相對運動，橋面開槽設置于橋面中心，并將橡皮條安裝于開口處，以減小橋面的開槽寬度.

車輛模型氣動特性測試采用美國ATI公司生產的六分量天平，型號為Gamma IP68.受天平尺寸和縮尺模型內部空間大小的影響，量程較大的垂直天平底座方向只能設置在順風向，天平測力點并未在車輛模型的形心處，橫向和豎向距形心處的偏心分別為 3.75 cm 和 0.70 cm (圖1（b）).測試時，天平數據傳輸導線將與車輛模型一起在橋面運動，為保證車輛模型運行的安全，風屏障僅設置在迎風側.由于本文采用的橋梁模型為簡支梁橋斷面，橋面常設置聲屏障（相當于透風率為0的風屏障），加上多孔風屏障難以保證幾何相似.因此，采用透風率為0的風屏障來研究其對車輛氣動特性的影響，實際中的高度h分別為2.5 m和3.0 m.安裝時采用 L型角碼固定風屏障（圖1（c）），使用膠帶粘結即可.

2 數據處理

由于采用的車輛模型長度較短，氣動力的三維效應明顯.定義車輛的五分力系數如式（1）所示，車輛的氣動力示意如圖2所示.

圖2 氣動力的定義Fig.2 Definition of aerodynamic force

式中：CD、CL、CMx、CMy、CMz分別為側向阻力系數、升力系數、傾覆力矩系數、搖頭力矩系數和點頭力矩系數；Fz、Fy、Mx、My、Mz分別為側向阻力、升力、傾覆力矩、搖擺力矩和點頭力矩；ρ為空氣密度；H、B、L分別為車輛的高度、寬度和長度；Uz=Ucosα為U在垂直于橋梁方向上的來流風速分量；α為風向角；β為風速U與車速V合成的風偏角，可表示為

需要說明的是，式（2）為順向風作用下風偏角，與逆向斜風作用時的風偏角相比有一定的差異.

U= 8 m/s，α= 30° 時車輛運動方向力Fx如圖3所示，對圖3（a）紅色虛線框中氣動力時程求功率譜，如圖3（b）所示.由圖3（a）可知，車輛的運動過程具有較為明顯的加速、平穩和減速特征，因此可根據運動方向的阻力來提取平穩段的數據，并進行平均處理，得到平穩段車輛的氣動力.車輛運動過程中，軌道不平順等會引起車輛模型的振動，頻譜分析得到振動頻率約為17.3 Hz，噪聲會影響運動過程中特征的識別.為消除氣動力中噪聲成分的影響，在提取數據時對原始信號采用0～10 Hz的帶通濾波器進行處理，濾波前后車輛的縱向阻力時程對比結果可參考文獻[17-18]，由此可以看出，濾波后氣動力時程也具有較好的平穩性，且能更好地區分車輛的運動過程，有利于截取平穩段數據進行分析處理.此外，對原始信號和濾波后的數據作平均處理，可以得到不同風向角下的阻力系數，如圖4所示，可以看出：濾波后平均這種數據處理方式對氣動力系數影響相對較小，因此后續結果分析中的氣動力系數均是基于對氣動力時程濾波后再平均處理得到的.

圖3 車輛氣動力Fig.3 Aerodynamic forces of vehicle

圖4 濾波對阻力系數的影響Fig.4 Effects of the filter on drag coefficient

3 結果分析

3.1 風速的影響

為了研究風速對運動車輛氣動特性的影響，分別針對8 m/s和10 m/s兩種風速測試了不同車速條件下風向角為30°、無風屏障時車輛的氣動力，得到移動車輛在不同風速下的五分力系數，如圖5所示.由圖5可知：由于車輛為鈍體模型，受雷諾數的影響較小，在不同風速、不同車速但風偏角相同時，車輛的側向阻力系數、升力系數、搖頭力矩系數和點頭力矩系數吻合較好；雖然傾覆力矩系數有一定的差別，但其數值較小；這表明本文測試方法是可行的.

圖5 不同風速時的車輛五分力系數Fig.5 Five-component coefficients of vehicle in various wind speeds

由圖5還可以看出：側向阻力系數、升力系數和點頭力矩系數隨著合成風偏角的增大而減小，但是傾覆力矩系數和搖頭力矩系數隨合成風偏角的增大而增大.由于順向斜風在車輛運動方向的分量存在，當有較高車速時仍將獲得較小的風偏角，在風速和車速相同時，相比逆向斜風作用時的風偏角已明顯增大，說明順向斜風對行車安全是相對有利的.此外，車輛氣動特性并非以β= 90° 為對稱軸，這與靜止車輛模型試驗[15]有一定的差異.式（1）中的氣動力系數是按垂直于車輛模型方向的風速來定義的，若按合成后的氣動力系數來定義，則直接在式（1）的基礎上乘以sin2β即可.

3.2 風向的影響

為研究風向對運動車輛氣動特性的影響，針對垂直來流（α= 0）和斜風來流（α= 30°）兩種風向角工況，分別測試了不同車速條件下車輛的氣動力，得到移動車輛在不同風向角時的五分力系數，結果如表1所示，此時風速為8 m/s，風向角為0時車輛的運動方向與斜風情況相同.

央行影響強化與各國中央銀行、金融主管部門之間的聯系，積極主動開展各項工作，建設雙邊金融協調合作機制。在經過一段時間的發展后，再建立多樣化金融合作機制，強化協調，就“一帶一路”建設中的問題，通過強化溝通，能夠化解認知偏差，及時緩解各種矛盾，以此推動各國金融合作的有序開展。強化合作協調，應當遵循的原則包括：(1)爭取與更多的國家簽署雙邊監管合作，完善諒解備忘錄。(2)建立、完善沿線國家的國幣跨境流動統計監測合作機制。(3)構建雙邊金融風險預警系統，完善金融風險應對策略及制度，合理應對危機，逐步形成完善、合理的金融危機處置交流合作機制。(4)建設獨立的金融信用活動征信系統，保障信貸活動的有序開展。

由表1可知，風偏角相同時，兩種風向角條件下車輛的五分力系數有一定的差異.其中，風偏角為60° 時，在斜風作用下兩種風向角對應的車輛升力系數差異較為顯著，隨著風偏角的增加，升力系數間的差異變小，這可能是因為斜風作用下風偏角為60°時車速較高（車速為8 m/s）導致的.

表1 不同風向時的車輛五分力系數Tab.1 Five-component coefficients of vehicle under different wind directions

此外，風向角α= 0，β＞60° 時，車輛的阻力系數、升力系數、傾覆力矩系數和點頭力矩系數均變化較小.搖頭力矩系數隨風偏角有一定變化，這可能是因為搖頭方向的力矩作用點并非位于車輛的形心位置導致的.結合圖5，考慮順向斜風的作用后（α= 30°），β＞60° 時，傾覆力矩系數和點頭力矩系數的數值已較小，但車輛的阻力系數、升力系數和搖頭力矩系數隨風偏角仍有一定變化，這與垂直來流（α= 0）情況有較明顯的區別.

3.3 風屏障的影響

為了減小車輛在大風區運行時受到的風荷載，常在線路兩側設置風屏障[19-20].為了研究風屏障高度對運動車輛氣動特性的影響，分別針對無風屏障和高度風屏障h= 2.5，3.0 m，測試了不同車速條件下車輛的氣動力，移動車輛的五分力系數如圖6所示.由于設置風屏障后車輛的氣動力較小，所以設置U= 10 m/s，α= 30°.

圖6 不同風屏障高度時車輛的五分力系數Fig.6 Five-component coefficients of vehicle under different wind barrier heights

由圖6可見，設置風屏障后，車輛阻力系數、升力系數、傾覆力矩系數和搖頭力矩系數均顯著的降低，風屏障明顯改變了車輛氣動力系數隨風偏角的變化規律.由于風屏障透風率為0，受風屏障回流的影響，車輛的阻力系數變為負值，且車輛阻力系數的絕對值隨風屏障高度增加而增加.

設置風屏障后升力系數和3個方向的力矩系數數值均較小，為進一步評價風屏障的設置對車輛阻力系數的影響，采用設置風屏障前后車輛阻力系數的比值來定義其變化率，如式（3）所示.

式中：γD為設置風屏障后車輛阻力系數的變化率；CDW為設置風屏障后車輛的阻力系數.

γD= 0 時車輛阻力系數為 0，γD＜ 0 表示氣流繞過風屏障后對車輛施加負阻力.

圖7給出了車輛阻力系數變化率隨風偏角的變化規律.由圖7可見，車輛阻力系數變化率的絕對值隨風屏障高度的增加而增加，隨風偏角的增大而先增后減.這表明設置風屏障后運動車輛阻力系數變化率在不同風偏角情況下是有所差異的.由于車輛模型為鈍體，雷諾數效應的影響有限，說明在順向斜風作用下，風屏障后運動車輛阻力系數變化率在不同的車速和風速條件下是有差異的.僅以靜止車輛模型在垂直來流情況下來評價風屏障設置對車輛阻力系數變化率的影響是不全面的.

圖7 阻力系數變化率Fig.7 Change rates of drag coefficients

4 結 論

采用移動車輛模型風洞試驗裝置，針對縮尺比為1/20的車輛和橋梁模型，測試了風向角為30° 時車輛順向移動時的氣動特性，討論了風速、風向和風屏障等因素對橋面運動車輛氣動特性的影響.得出以下結論：

1）風偏角相同時，車輛的側向阻力系數、升力系數、搖頭力矩系數和點頭力矩系數在不同風速下吻合較好，表明本文的測試方法是可行的.

2）側向阻力系數、升力系數和點頭力矩系數隨著合成風偏角的增大而減小，傾覆力矩系數和搖頭力矩系數隨合成風偏角的增大而增大.

3）車輛氣動特性并非以風偏角90° 為對稱軸.風向不同時，相同風偏角情況下車輛的升力系數和阻力系數有一定差異，其中對升力系數的影響最大，考慮風向和車輛的運動方向是有必要的.

4）風屏障能夠有效的改善車輛的氣動特性，且明顯改變了氣動力系數隨風偏角的變化規律.風屏障存在時阻力系數變為負值，且絕對值隨風屏障高度增加而增加.

5）設置風屏障后，車輛阻力系數的變化率受到風偏角、車速和風速等條件的影響，且考慮車輛運動是必要的.