隨機側風下橋塔區域中高速列車氣動特性分析

杜禮明,章芝霖,張文嵐,李梓豪

(大連交通大學 機車車輛工程學院,遼寧 大連 116028)

高速列車通過橋塔時,由于橋塔遮風,列車周圍氣壓、氣流速度發生改變,車體表面的氣動載荷發生明顯變化,從而導致列車脫軌和傾覆。近年來,國內外學者對不同運行條件下的列車氣動特性展開了研究。針對列車附近流場結構,王磊等[1]發現運行條件相同時,列車不同部位流場結構不同,頭部、尾部附近流場結構變化嚴重,但中間列車周圍流場分布規律基本穩定;王希理等[2]發現列車背風側的流場是由列車頂部和底部卷起形成的多個旋渦組成的;謝紅太[3]發現隨著風速的變化,列車周圍流場分布結構復雜不規律,但當側風情況較為嚴重時正壓區主要分布在迎風側,并與背風側產生巨大壓差;Xia等[4]分析了大長細比列車附近流場中旋渦的變化,發現每個大尺度流向渦在大小上呈現出交替增加/減少以及橫向和垂直方向上的振蕩行為。同時,學者們分別采用仿真模擬和風洞試驗等方法探討了不同運行條件下列車氣動載荷變化。王玉晶等[5]發現不同車廂氣動載荷的時域變化規律不同;李田等[6]采用同一風場模型進行了數值研究,結果發現不同風速下氣動載荷系數波動幅值相差較大;王政等[7]通過改變風模型來比較均勻風模型和指數風模型對列車風載荷大小的影響,結果表明不同風場模型下列車氣動載荷變化明顯不同,列車側向力和氣動力矩差異更明顯,指數型風模型下比均勻風模型下大18%;劉智超等[8]發現在相同車速下,列車氣動載荷相等,但隨著加速度的改變,側向力、阻力、傾覆力矩的變化率不斷增大,導致短時間內高速列車氣動載荷的變化增大;曾廣志等[9]發現在龍卷風下列車背風側的壓力系數較迎風側更為顯著。

自然界的風受山川、地形和建筑物等的影響,風速往往是瞬變的,但目前對高速列車流場結構的研究大多是以風速恒定為前提的,未考慮在橋塔遮蔽的風場中,風速波動對高速列車氣動性能的影響,因此,研究結果難以準確反映實際情況。本文采用 “Chinese Hat”隨機側風模型,從壓力和渦量兩個角度對比分析恒定側風和隨機側風工況以及不同平均風速的隨機側風工況下列車周圍流場變化,總結隨機側風下列車在橋塔環境中的氣動特性,為橋塔區域的安全行車提供參考。

1 列車-橋系統的氣動仿真模型

1.1 列車-橋塔耦合的計算域

為確保計算結果受邊界影響較小,計算域設置為:列車上方流場、側方流場為車寬的5倍以上,后方流場為車寬的20倍以上;截取部分橋梁,取計算域長400 m,高29.2 m,寬200 m[10]。本文以某跨江大橋為研究對象,保留橋梁塔柱斷面輪廓,橋塔寬21 m,不考慮受電弓、轉向架、裙板等結構,建立頭-中-尾3節編組形式的列車-橋氣動仿真模型。由于掠過列車氣流速度比音速低0.3 Ma,可視為不可壓縮[10]。基于動態網格方法,采用滑移網格技術模擬車體運動,采用局部動態層變法更新動態網格,因此所有工況采用瞬態計算。

1.2 網格剖分與邊界條件設置

采用嵌套網格技術劃分計算域的網格,車體附近為四面體網格,其余部分為六面體網格,總數約454 萬。橋塔區域的網格劃分見圖1。

圖1 橋塔區域的網格劃分

計算域邊界條件設置見圖2:流體域中自然風入口為速度入口;前、后表面和自然風出口為壓力出口;上、下表面為對稱面;車體和橋梁表面為無滑移壁面。湍流模型選用k-w模型[11],用Simplec算法耦合速度壓力,計算時間步長為2×10-3s,采用二階迎風格式進行求解。

圖2 計算域邊界條件

1.3 風場模型

將恒定側風視為風速為15 m/s且方向垂直于列車側墻的均勻氣流,采用修正的“Chinese Hat”陣風模型描述隨機側風。“Chinese Hat”動態風場是在歐盟鐵路互聯互通技術規范(TSI)中提出的[12],其風速數值變化按周期循環,一個周期分為7個階段,圍繞平均風速上、下起伏。圖3為平均風速為15 m/s時 “Chinese Hat”風速模型的風速變化曲線。第一階段風速由0增長至平均風速,增長了0.312 5 s;第二階段風速保持在15 m/s不變;第三階段從0.625 s開始,風速變化呈曲線增長,在0.937 5 s時達到峰值,為22.26 m/s;第四階段風速減小,在1.25 s時下降至平均風速;第五階段以平均風速持續作用0.625 s,完成內風速變化;第六階段從1.875 s開始,風速下降,在2.187 5 s時降到谷值,為3.8 m/s;之后進入第七階段,最終風速在2.5 s時回到平均風速,完成一個風速變化周期,之后進入下一個循環周期。由于每個周期內風速變化趨勢相同,本文選取一個風速周期內氣動載荷、空氣壓力、空氣渦量進行分析。當平均風速增大時,風速曲線上每一時刻對應風速增大,反之減小,但風速階段變化趨勢不變。

圖3 “Chinese Hat”陣風的風速隨時間變化曲線

本文設計了5種工況(表1),對比分析相同車速下,風模型對列車氣動特性的影響。

表1 模擬工況

1.4 驗證模型可靠性

為驗證氣動模型的準確性和仿真計算方法的可行性,保證后續結果的準確可靠,本文建立的幾何模型和計算工況與文獻[5]相同。在此條件下,對比分析列車所受的橫向力,仿真結果與參考值對比見圖4,從圖4中可以看出,兩者的吻合較好,由此表明,本文的數值模型和數值方法可行。

圖4 仿真結果與參考值對比

2 不同風場模型下車體表面壓力特征

自然風與列車風的耦合作用引起列車表面的氣壓、氣動升力、橫向力等發生變化,對列車運行安全產生影響。為分析風模型對列車氣動性的影響,取頭車經過橋塔中央時刻,即第1.5 s(此刻隨機側風經過前4個階段變化,風速進入平穩狀態),比較此時頭車周圍空氣氣動壓力,氣動壓力變化見圖5。兩種風模型下,頭車橫截面周圍低壓區在頭車中心附近,壓力增長呈現以頭車為中心,向四周增大的趨勢,且都為正壓,氣動壓力變化現象明顯。隨著隨機側風平均風速的增大,頭車周圍低壓區向迎風側移動。比較圖5(d)、圖5(e)可知,列車橫截面發生這種變化后與恒定側風下極為相似。圖5(e)中,恒定側風下壓差是隨機側風下的1.12倍。由空氣氣動壓力分布推斷,風模型因素對列車周圍空氣壓力變化趨勢影響有限。

(a)工況1

3 不同風模型下渦量場特征

每個流體元都有獨立的運動狀態,因此流體運動時會發生變形,本文用既能直觀反映旋轉的角速度和又能反映平動的線速度的渦來描述列車周圍空氣的運動狀態。取兩種風模型下和不同平均風速的隨機側風下渦的運動和渦量變化進行對比。

比較渦量變化之前,取第1.5 s時,根據頭車周圍空氣流線變化對渦的分布進行比較,圖6為兩種風模型下列車周圍流線分布圖。比較圖6(b)和圖6(e),平均風速都為15 m/s時,恒定側風下頭車附近空氣從上、下兩側繞過頭車;隨機側風下,空氣在頭車上方分兩個方向流動,迎風側上方出現空氣流動形成的渦的趨勢。可見,較恒定側風,隨機側風由于每時每刻風速數值不同,空氣流動形式比恒定側風更為復雜,這與文獻[2]所得結論相吻合。針對隨機側風模型,進一步討論平均風速變化對列車周圍空氣流動的影響。由圖6(a)～圖6(d)可知,當平均風速為10 m/s時,頭車附近暫時沒有出現渦,但頭車上方空氣分兩個方向流動;平均風速為15 m/s時,頭車上方、迎風側空氣流動各分兩個方向流動,頭車迎風側上方出現一個渦;平均風速為20 m/s時,頭車上方空氣流動方向的分界線由頭車正上方逐漸移動到迎風側,列車下方附近流線更密集;平均風速為25 m/s時,頭車上方、迎風側、背風側出現共計6個渦,且這6個渦關于列車縱軸線呈對稱分布。隨機側風平均風速增加,旋渦數量增加的速度也越來越快。從渦的數量和渦出現的位置推斷,平均風速越快,頭車周圍空氣運動越復雜,該結果與頭車周圍空氣氣動壓力變化規律相吻合。

(a)工況1

由于在沒有漩渦的地方,渦量也未必是小量,因此取第1.5 s時,對頭車周圍的渦量進行分析,兩種風模型下列車周圍渦量分布見圖7。當平均風速相同時,在距離車體較近的位置,隨機側風下,頭車周圍最大渦量為3.803 59 s-1,恒定側風下為0.941 511 s-1,隨機側風下周圍渦量是恒定側風下的4倍左右。進一步比較不同平均風速的隨機側風下的渦量大小,距離列車越近,渦量越大,當平均風速為10 m/s時,最大渦量為2.906 08 s-1;平均風速為15 m/s時,最大渦量為3.803 59 s-1;平均風速為20 m/s時,最大渦量為5.566 48 s-1;平均風速為25 m/s時,最大渦量為8.911 68s-1。綜上所述,隨著平均風速的增大,最大渦量呈現指數型增長。

(a)工況1

4 不同風模型下的氣動載荷

高速列車的非均勻氣動載荷會加劇列車蛇行,導致列車安全性參數變差。列車的脫軌與側翻發生時間很短,可以認為是瞬間完成的,因此本文選取頭車氣動載荷最大值進行分析。

為探究隨機側風對列車氣動載荷變化的影響,分析隨機側風平均風速增加對列車氣動載荷變化程度的影響,取列車運行過程中頭車氣動載荷絕對值最大值,形成圖8所示曲線。由圖8(a)可見,升力、 橫向力變化范圍和數量級一致,比側滾力矩高一個數量級;由圖8(b)可見,點頭力矩、搖頭力矩數量級一致,但點頭力矩的變化范圍高于搖頭力矩,且同一平均風速下,點頭力矩是搖頭力矩的1～3倍。總體上,在同一車速下,氣動載荷最大值整體呈現隨平均風速升高而增加的趨勢。其中,升力最大值、橫向力最大值、側滾力矩最大值、搖頭力矩最大值增速隨平均風速增大而增加,近似指數型增長。而點頭力矩最大值增速較為平緩。氣動載荷最大值隨平均風速升高而增大,但不同類型氣動載荷升高速率不同,點頭力矩增速最為平緩,應考慮不同氣動載荷的綜合作用,不應僅考慮單一氣動載荷變化。

(a)氣動力

在隨機側風下,為從時域角度探究氣動載荷與平均風速增加之間的關系,分析列車經過橋塔全過程時的氣動載荷變化,見圖9。從圖9可知,同一時刻,列車氣動載荷隨平均風速變化幅度較小,變化趨勢較為雜亂,變化幅度與平均風速增加幅度之間沒有明顯關聯。但在整個行駛過程中,分別比較圖中每個載荷變化的曲線卻可以發現,隨著平均風速的增加,氣動載荷峰值、谷值幅度加大,且峰值、谷值數量增多,尤其是在0.8～1.0 s和1.8～2.0 s(列車進出橋塔區域的時間)。圖9(b)、圖9(c)中,兩個時間區間內,橫向力、側滾力矩在原方向上驟然增大約10%,可見雖然列車運行過程中經過橋塔遮蔽區域,但對于整個行駛過程而言,由于橋塔區域太短,即便平均風速增大,橋塔遮風作用對氣動載荷隨時間變化劇烈程度加劇作用基本沒有體現,該結果與參考文獻吻合。

(a)升力

可見,列車運行過程中,在隨機側風工況下,隨著平均風速的增大,氣動載荷變化劇烈程度加大。不同類型氣動載荷增加幅度不同,寬度小于車廂長度的橋塔對緩解列車氣動載荷增加和隨時間起伏劇烈程度現象作用不明顯,在既有線路下,列車安全運行應充分考慮實際風速波動現象。

5 結論

(1)風模型因素對列車周圍氣動壓力變化影響有限。隨機側風模型中,隨著平均風速增大,頭車周圍正、負壓分界線向迎風側移動。

(2)風模型變化對渦的影響明顯。平均風速相同時,隨機側風下最大渦量是恒定側風下的4倍左右,且最大渦量呈現指數型增長。隨機側風下,平均風速越高,列車附近空氣流動形成的旋渦越多,旋渦數量的增速也越來越快。

(3)平均風速相同時,隨機側風對列車氣動載荷影響更大。隨機側風下,隨著平均風速的增大,氣動載荷變化劇烈程度加大,且不同類型氣動載荷增加幅度不同。