不同路堤下攜沙橫風對高速列車氣動特性的影響

謝繁榮，金阿芳，李虎，熱依汗古麗·木沙

(新疆大學機械工程學院，新疆烏魯木齊830047)

0 前言

當高速列車經過新疆的百里風區等自然環境惡劣的地帶時，經常會遭遇攜沙強橫風的侵襲，這將嚴重影響高速列車運行的平穩性和安全性。而且由于中國的地理環境比較復雜，所以列車經過一些山丘等地帶時，不得不建造一些路堤，來保證列車的連貫性和平穩性。當高速列車經過路堤且受到橫向風作用時，路堤會改變橫向風對列車氣動性能的影響，這就導致高速列車在經過有路堤的地段時，發生事故的概率會大大增加。比如1994年，日本的一輛列車經過有路堤的路段時遭遇強橫風，發生了側翻脫軌，導致了大量人員的傷亡。所以，研究高速列車在不同路堤下攜沙橫風對高速列車氣動性能的影響具有重要的現實意義。關于這方面的課題，國內外的學者都展開了深入的研究：王中強對高速列車在平地路況和路塹路況下的氣動特性進行了對比分析，總結出了幾條高速列車在路堤路況下特有的動力學變化規律。羅建斌等研究了不同路堤高度對高速列車側風氣動性的影響，得出了在橫風條件下路堤的結構尺寸會對高速列車的氣動性能產生影響的結論。于夢閣等對隨機風速下列車的氣動特性、安全評估以及高速列車頭型優化進行了研究，并對高速列車流場進行了分析。張業等人對比了不同路基下的高速列車受到強橫風時氣動特性的差異，對列車在不同路堤下的安全性研究具有一定參考意義。田紅旗總結歸納了高速列車氣動性的基本研究方法、理論以及實驗，并著有《列車空氣動力學》;DIEDRICHS等對高速列車在路堤上的橫風穩定性進行了分析研究；LIU等對列車在變風條件下的安全性進行了研究，得到了風速變化條件下的臨界傾覆風速。楊超等人采用Fluent軟件，分析了在不同行駛速度以及不同風速下，高速列車在半堤半塹路況下的氣動特性。

基于前面的研究，選取單線路堤、雙線路堤和半塹路堤等不同類型的路堤，研究高速列車經過路堤且受到攜沙強橫風時列車一系列氣動性能的變化，并建立了高速列車的簡化模型，對列車組進行數值模擬和分析，探究影響列車氣動性能的主要影響因素。

1 幾何模型和數學模型

1.1 計算模型

為了避免計算誤差，同時節約計算時間，提高計算效率，特對文中的列車仿真模擬進行了幾個基本假設：

(1)選取的列車速度為200 km/h。因為當列車速度小于350 km/h的時候，馬赫數小于0.3，屬于不可壓縮流動，即流體密度不隨時間和空間變化。

(2)縮短列車的長度。因為各節列車的結構形狀基本一樣，受到的壓力波和氣動力效應也所差無幾，所以對列車模型進行合理的長度縮短，并不會對列車周圍的流場特性產生很大的影響，故采用3節列車仿真模型，頭車、中車、尾車均為25 m。

(3)簡化車體外形?，F實中的高速列車的零部件很多，比如受電弓、轉向架等零件的形狀很復雜，如果對這些零件的細節特征都進行仿真模擬，會大大增加計算網格數量和計算時間，且并不會對最終的計算結果有很大的影響，所以將轉向架、受電弓等細節部位忽略掉，并假設高速列車的表面是光滑的曲面，地面也是光滑的。

(4)為了方便計算，文中所有的力都設置為正值。

經過以上4條基本假設，簡化后的列車整車尺寸為：長75 m，寬3.38 m，高3.7 m,如圖1所示。

圖1 列車三維模型

1.2 計算域及邊界條件

根據文獻[14]建立路堤的CAD二維模型，具體尺寸如圖2所示。另外，為了探究不同路堤下攜沙橫風對高速列車氣動性能的影響，選取28.6°、33.7°、47.5°、59.7°、69.9°共5種路堤傾角進行仿真模擬，具體數值如表1所示。

圖2 路堤二維模型

表1 路堤傾角

計算域的邊界條件如圖3所示，整個計算域長175 m、高30 m。列車在運行中，受到側風的影響，由相對運動可知，氣流相對于列車向后運動，故定義面為速度入口1(inlet1)，定義面為壓力出口1(outlet1)，定義面為入口2(inlet2)，定義為出口2(outlet2)，則入口1距離列車的坐標原點75 m，出口1距離坐標原點100 m,入口2距離路堤側20 m，出口2距離路堤側42.5 m，整車進行2∶1的縮放，經過縮放后的列車長度為37.5 m，設置地面(wall)為滑移壁面，上壁面設置對稱界面。

圖3 計算域三維圖

1.3 計算網格

由于高速列車的結構比較復雜且零部件很多，若采用結構網格進行劃分，工作量大且難以保證網格質量，故使用非結構網格進行劃分，并將轉向架等在橫風條件下對列車氣動性影響不大的部件簡化忽略，這樣在保證網格質量的同時，也降低了網格數量，間接地提高了計算效率。為保證能真實模擬列車行進過程中周圍空氣的流動，在靠近列車表面處添加邊界層網格，在對列車進行合適的邊界層劃分后，列車的網格如圖4所示。

圖4 高速列車網格

1.4 計算方法

風沙環境下，沙塵濃度并不是很高(數值約為100 μg/m，沙塵相的體積分數低于10%)。運用Fluent軟件中DPM模型描述風沙環境下的氣固兩相流，沙粒直徑選0.1～1 mm,采用面入射的方式，把沙?？醋鲆粋€理想的狀況，忽略沙粒的不規則形狀，設置沙粒形狀為規則的球形，沙粒隨側風一起運動?；谌S、定常、不可壓縮Navier-Stokes方程和標準的-控制模型，采用Simple算法求解壓力速度耦合問題，空間壓力采用標準格式離散，應用二階迎風格式離散對流相。

連續性方程：

(1)

動量守恒方程：

(2)

動能守恒方程：

(3)

列車運行速度為200 km/h，為非定常的湍流流場，并近似認為是不可壓縮流場，所以采用標準-兩方程控制模型，其控制方程為

湍動能方程：

(4)

湍動能耗散方程：

(5)

(6)

式中：為流體密度；為流體速度沿方向分量；為靜壓力；為應力矢量；為方向重力分量；=+為有效黏性系數；=為由于阻力和能源引起的其他能源項；為熵；為溫度；為分子傳導率；為由于紊流傳遞而引起的傳導率；為定義的任何體積熱源；、為流體沿、方向的速度分量；、為橫坐標；、1、2、3、、為系數；為由浮力產生的湍流動能；為由層流梯度而產生的湍流動能；為湍動能；為湍動能耗散率；、為啞標。

1.5 數值驗證

為了驗證數值模擬的合理性，來流速度與文獻[15]的一致，速度分別為30、40、50、60 m/s進行對比。由圖5可知：模擬值與實驗值最大的誤差小于15%，是模擬中列車頭部幾何差異造成的。所示以上分析設置的方法及網格是合理的。

圖5 頭車阻力

2 結果分析

2.1 橫風環境下列車外部流場

圖6分別比較了不同路堤傾角下，單線路堤、雙線路堤和半塹路堤的列車流線圖：隨著路堤傾角的增大，在單線路堤上，高速列車的流線圖整體呈現“上疏下密，上規則，下不規則”的趨勢，即在上方遠離列車的區域，流線稀疏且規則，在下方背風側的近地面處，流線密集且無規則，除此之外，流線圖在靠近列車的周圍出現負壓，在列車背風側的近地面處，形成一個形狀不規則的漩渦，且漩渦的大小與路堤傾角是正相關的關系；在雙線路堤上，列車的流線圖與單線路堤上的流線圖基本一致，但是與單線路堤不同的是，雖然流線圖中漩渦的大小仍然和路堤的傾角呈現正相關的關系，但在雙線路堤中，漩渦的中心壓力值明顯比周圍低，是整個流線圖的負壓最大值；在半塹路堤上，隨著路堤傾角的增大，流線圖形成漩渦的速度更快，在傾角為28.6°時，就已經形成了較大的漩渦，漩渦的中心依然是負壓的最大值。

圖6 列車的流線

2.2 側力系數和升力系數

在攜沙風和凈風環境下，分別比較了列車在不同類型路堤上的側力系數，如圖7所示。在頭車部分，同一類型的路堤，攜沙風和凈風環境的側力系數的具體數值相差不大，尤其是在半塹路堤上，攜沙風環境和凈風環境的側力系數基本一致，說明攜沙風對半塹路堤下的高速列車的側力系數影響很?。浑S著路堤傾角的增大，無論是攜沙環境還是凈風環境，單線路堤和雙線路堤的側力系數都有規律地減小。在列車的中車處，側力系數整體隨著路堤傾角的增大而減小，在路堤傾角為47.5°時，中車的側力系數數值相差最大。在路堤傾角為69.9°時，攜沙環境下的單線路堤的側力系數接近于0。在列車的尾車處，除半塹路堤之外，單線路堤和雙線路堤在攜沙環境和凈風環境下的側力系數吻合程度不高，即在尾車處，攜沙風環境對單線路堤和雙線路堤的側力系數影響較大，對半塹路堤的側力系數影響很小。

圖7 列車的側力系數

在不同類型的路堤下，分別比較攜沙風和凈風環境下列車的升力系數，如圖8所示。在頭車處，當路堤傾角為33.7°時，雙線路堤升力系數的變化率最大，在路堤傾角為47.5°時，單線路堤的升力系數變化率最大。在中車處，當路堤傾角小于33.7°時，單線路堤和雙線路堤的升力系數隨著路堤傾角的增大而減小，當路堤傾角大于33.7°時，單線路堤和雙線路堤的升力系數隨著路堤傾角的增大而增大，而半塹路堤的升力系數幾乎不隨路堤傾角的變化而變化。在尾車處的各個傾角下，分別取升力系數的最大值和最小值做商，得到升力的最大值分別是最小值的7.27、5.71、7.58、8.80、8.36倍，半塹路堤的升力系數接近于0，升力系數的變化率也接近于0，即無論攜沙風還是凈風環境下，中車和尾車處，半塹路堤的升力系數幾乎不受路堤傾角的影響。

圖8 列車的升力系數

2.3 傾覆力矩

傾覆力矩指列車受到的側力對輪軌接觸點求矩，矩心位于列車背風側輪軌接觸點所在直線，提取傾覆力矩時只需在該線上取一點即可，示意如圖9所示，其中為升力，為側力，為列車的重力，則為列車的傾覆力矩。

圖9 各力分析簡圖

列車的傾覆力矩系數如圖10所示。在列車的頭車部分，無論是攜沙風環境還是凈風環境，在各個傾角下雙線路堤的傾覆力矩系數最高，單線路堤的傾覆力矩次之，半塹路堤的傾覆力矩最小。在各個傾角下，分別取頭車的最大值和最小值做商，得到傾覆力矩的最大值分別是最小值的3.41、3.81、4.56、2.78、2.74倍。在中車部分，除了凈風環境下單線路堤的傾覆力矩系數在47.5°時略微增加，其他部分都是隨著路堤傾角的增加傾覆力矩系數減小。在列車的尾車部分，單線路堤和雙線路堤在攜沙風環境下和凈風環境下的傾覆力矩數值相差較大，即在尾車部分，攜沙風對單線路堤和雙線路堤的列車傾覆力矩系數的影響較大。

圖10 列車的傾覆力矩

3 結論

通過計算流體力學方法，探討了不同路堤下攜沙橫風對高速列車氣動特性的影響，數值模擬結果表明：

(1)不同類型的路堤下，在列車背風側近地面處，都生成一個形狀不規則的漩渦，且漩渦的大小與路堤傾角正相關，漩渦的中心是負壓的最大值。

(2)在列車的頭車部分，同一類型的路堤，攜沙風和凈風環境的側力系數的具體數值相差不大，尤其是半塹路堤，攜沙風環境下和凈風環境下的側力系數基本一致，說明攜沙風對半塹路堤下高速列車的側力系數影響很小。

(3)在列車的尾車處，在各個傾角下，升力的最大值分別是最小值的7.27、5.71、7.58、8.80、8.36倍，且半塹路堤的升力系數接近于0，升力系數的變化率也接近于0。即無論攜沙風還是凈風環境下，在中車和尾車處，半塹路堤的升力系數幾乎不受路堤傾角的影響。

(4)在列車的頭車部分，無論是攜沙風環境還是凈風環境，雙線路堤的傾覆力矩系數最高，單線路堤的傾覆力矩次之，半塹路堤的傾覆力矩最小。