车桥组合状态下CRH2客车横风气动特性研究

李永乐，向活跃，侯光阳，陈克坚

（1.西南交通大学 桥梁工程系，四川 成都 610031；2.中铁二院工程集团有限公司，四川 成都 610031）

0 引 言

随着我国第六次铁路大提速和高速铁路的大规模建设，我国自主研制的CRH系列列车广泛投入使用。CRH2采用了大型中空铝合金型材料或不锈钢薄筒型轻量化结构，使得动车组车体重量比传统机车车辆减轻了50%［1］；为了提高列车安全性和改善列车的空气动力学性能，在车下设置了设备仓，设备仓外侧设有裙板［2］，这加大了侧向迎风面积，加之运行速度高，强横风对行车安全危害很大。

列车通过大跨度桥梁时，其绕流流场改变更为突出，气动力显著变化，导致列车脱轨、翻车的可能性大大增加［3］。在风－车－桥系统中，车桥耦合振动分析时通常将车辆和桥梁作为两个动力子系统进行求解［4－5］，桥道和车辆的风荷载受车辆外形、桥道外形及车辆与桥道相对位置等多种因素的相互影响，为正确反映两子系统各自的振动特性，在考虑横向风作用时，需得到车辆和桥梁各自的三分力系数，并考虑车桥间的相互气动作用。CRH2采用圆顺型断面，增加了底部裙板，截面形式新颖，其横向风作用下的气动特性缺乏研究，车桥组合状态下CRH2客车的横风气动参数未见报道。

对于线状的桥道，可忽略风沿结构展向的流动，采用节段模型来确定单位长度桥道所受风荷载。一列火车通常由多节车厢组成，亦可近似看作线状结构，故也可以通过车－桥组合节段模型风洞试验的方法测试车辆的风荷载［6］，利用列车气动力系数余弦规则［6－7］，近似考虑车辆运动速度的影响。

以典型的大跨度桥梁主梁断面和中小跨度桥梁主梁断面为例，通过车辆与桥梁组合节段模型风洞试验，测试了单车行驶以及双车交会时背风侧车、迎风侧车和桥梁等各自的气动力系数。分析了单独车辆情况下的CRH2的气动三分力系数，讨论了雷诺数、车桥组合状态、桥梁类型对车辆气动力系数的影响。

1 模型试验

中小跨度桥梁选取跨度为32m的T型标准梁，梁高为3.38m，宽度为11.19m，其主梁截面如图1所示；大跨度铁路桥梁（特别是斜拉桥）通常采用板桁结构，有代表性地选取大跨度桥梁主梁断面如图2所示，板桁主梁高14.0m，宽18.0m，轨道中心距为4.4m。CRH2列车横断面如图1和图2所示，迎风面高3.5m，宽3.38m，与一般列车相比，在列车下部增加了裙板，增大了横向风作用下的迎风面积。

图1 中小跨度主梁断面（单位：mm）Fig.1 Cross section of small and medium span bridge

图2 大跨度桥梁主梁断面（单位：mm）Fig.2 Girder cross section of large span bridge

车－桥系统的节段风洞试验模型采用1／45.77的缩尺比，中小跨度桥梁节段模型长为2.1m，宽0.2466m，高0.0837m；大跨度桥梁主梁节段模型长2.1m，宽0.4151m，高0.336m；列车采用CRH2断面，列车节段模型长2.1m，宽0.0738m，高0.0765m。模型中除模拟了主梁的主要构件之外，对节点板、钢轨、栏杆等细节也做了模拟。试验在西南交通大学单回流串联双试验段工业风洞（XNJD－1）第二试验段中进行。

交叉滑槽系统（如图3所示）能方便地改变车辆和桥道沿横桥向的相对位置，能适应多线铁路中车辆位于不同轨道情况的测试。当需要改变车辆和桥道沿横桥向的相对位置时，将固定杆与端板的连接锁定，以保证车辆和桥道竖向相对位置不变，将固定杆与条形板的连接放松，即可实现车辆或桥道的横桥移动，移动完成后再将固定杆与条形板的连接锁定［8］。在试验中采用交叉滑槽系统测试测试了车辆分别位于大跨度桥梁和中小跨度桥梁两种情况下背风侧车和迎风侧车的三分力系数，试验工况如表1所示。

图3 交叉滑槽示意图Fig.3 Layout of cross slot system

表1 试验工况Table 1 Test cases

2 数据处理

体轴坐标系下静力三分力系数定义如下［9］：

其中：α为来流风攻角；1／2ρU2为动压；H、B、L分别为节段模型的高度、宽度和长度；FH（α）、FV（α）、M（α）为风攻角为α时的阻力、升力和扭矩；CH、CV、CM分别为阻力系数、升力系数、扭矩系数。为保证车桥系统整体合力不变，将车桥整体三分力系数与相应工况下桥梁三分力系数相减后，再换算至车辆截面形心，得到考虑桥梁影响的车辆三分力系数。

3 试验结果及分析

3.1 单独车辆情况下CRH2的三分力系数

图4为给出了不考虑桥梁影响时车辆的三分力系数，从图中可以看出，阻力系数受攻角的影响较小，升力系数负斜率，且升力系数和扭矩系数相对较小，车辆所受气动力主要是通过气动阻力反映。不考虑桥梁影响时，与常规铁路车辆［7］相比CRH2客车的气动阻力系数较大。

图4 不考虑桥道影响的车辆三分力系数Fig.4 Three－component coefficients of vehicle without bridge deck

3.2 雷诺数的影响

为了考查雷诺数效应的影响，表2给出了在三种级差风速下，车辆位于大跨度桥梁迎风侧时的阻力系数。由表2可见，在测试雷诺数范围内，阻力系数总体上存在随着风速的增大（雷诺数增大）而减小的趋势，这表明雷诺数对系统的气动性能有一定影响。尽管车辆截面较为圆顺，但车桥组合断面较为钝化，桥道较为紊乱的绕流可减弱了车辆的雷诺数效应［6］，另外，取低雷诺数时的阻力系数进行风车桥耦合振动分析时是偏于安全的，因此，可不计雷诺数的影响。考虑到低风速时模型上的风荷载相对较小、测试误差略大，而高风速时节段模型存在一定程度的抖动，故取中间风速（18m／s）下测试得到的三分力系数作为相应工况的实测值。

表2 大跨度桥单车行驶时迎风侧车辆阻力系数Table 2 Drag coefficient of vehicle along windward rail on large span bridge

3.3 车－桥间的相互气动影响

为了考查车－桥间的相互影响，表3给出了车辆位于大跨度桥梁时的三分力系数。从表3可见，风攻角对迎风侧车辆的气动阻力影响较小，但背风侧车辆气动阻力随着攻角的增大而减小。单车行驶时大跨度桥梁对车辆的阻力有较大影响，迎风侧和背风侧车辆所受的阻力均较单独车辆小，背风侧相比迎风侧车的变化更为显著。这是由于车辆处于桥道的绕流之中，一方面是桥梁的绕流改善了车辆的雷诺数效应；另一方面是轨道距大跨度桥梁的前缘较远，车辆处于前缘绕流形成的低速区，桁梁的腹杆也有一定的挡风作用。双车交会时，迎风侧车辆相对于单车沿迎风侧轨道行驶时气动力有略有变化，表明双车交会时，背风侧列车对迎风侧列车有一定的影响，但影响有限。双车交会时，背风侧列车相对于单车行驶时的气动力发生了突变，这主要由迎风侧列车的遮风效应引起。列车的存在改变了桥梁的气动绕流，但列车对桥梁气动力的影响有限。

表3 车辆位于大跨度桥梁时的阻力系数Table 3 Drag coefficient of vehicle on large span bridge

3.4 不同类型桥梁的影响

为了考查桥梁类型对车辆的影响，表4给出了迎风侧列车位于不同类型桥梁时的阻力系数，由于在背风侧列车在不同桥梁类型上所受的气动力变化较小，未在表中列出。从表中可以看出，列车位于不同桥梁类型时，风攻角对迎风侧列车的气动阻力影响较小；迎风侧列车在不同桥梁类型上行驶时的气动阻力会发生显著的变化，这是主要原因是列车进入了不同的绕流形式以及轨道距主梁迎风侧边缘的距离发生了变化。

若一座大桥由大跨度桥梁（主桥）和中小跨度桥梁（引桥）组成，强横向风作用下，列车从主桥进入引桥或者从引桥进入主桥时，列车所受的气动力会发生了显著变化，这对列车的舒适性和安全性非常不利。

表4 迎风侧车辆阻力系数Table 4 Drag coefficient of vehicle in windward side

4 结 论

采用交叉滑槽系统，测试了CRH2车辆分别位于典型大跨度桥梁和中小跨度桥梁两种情况下车辆和桥梁各自的气动力系数。通过对比分析大量测试结果，可得出以下结论：

（1）不考虑桥梁影响时，列车的气动阻力偏大，风攻角对其影响较小；升力系数出现负斜率，CRH2客车的阻力系数较常规车辆的要大。

（2）横向风作用下，雷诺数效应对车－桥组合状态中CRH2客车的气动特性有一定的影响，偏安全的考虑时可不计其作用。

（3）在车－桥组合状态下，风攻角对迎风侧车辆阻力的影响较小，背风侧列车阻力随着风攻角的增大而减小；单车行驶时，车辆位于背风侧时所受的气动力较位于迎风侧时的要小；双车交会时，背风侧列车的气动阻力显著变小，背风侧车辆气动力突变效应对行车安全性的影响值得进一步研究；列车对桥梁的气动力影响相对有限。

（4）横向风作用下，CRH2列车位于不同桥梁类型时，其阻力系数差异较大。桥梁类型对迎风侧车辆气动力的影响较背风侧时的要大。横向风作用下，列车从大跨度主桥进入中小跨度引桥或者从引桥进入主桥时，列车所受的气动力会发生显著变化，这对行车安全性是不利的。

［1］薛淳，方鸣.中国和谐号CRH动车组［J］.中国科技投资，2008，12：37－38.

［2］张曙光.CRH2型动车组［M］.中国高速铁路技术丛书／和谐号CRH动车组技术系列.北京：中国铁道工业出版社，2008.

［3］杨明智，袁先旭，鲁寨军，等.强侧风下青藏线列车气动性能风洞试验研究［J］.实验流体力学，2008，22（1）：76－79.

［4］LI Yong－le，QIANG Shi－zhong，LIAO Hai－li，et al.Dynamics of wind－rail vehicle－bridge systems［J］.Journalof WindEngineeringandIndustrialAerodynamics，2005，93：483－507.

［5］李永乐，强士中，廖海黎.风－车－桥系统空间耦合振动研究［J］.土木工程学报，2005，38（7）：61－64.

［6］李永乐，廖海黎.线状多体系统定常气动力节段模型风洞测试［J］.流体力学实验与测量，2004，18（2）：91－94.

［7］CHIU T W，SQUIRE L C.An experimental study of the flow over a train in a cross－wind at large yaw angles up to 90°［J］.JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics，1992，45：47－74.

［8］李永乐，廖海黎，强士中.车桥系统气动特性的节段模型风洞试验研究［J］.铁道学报，2004，26（3）：71－75.

［9］项海帆，林志兴，鲍卫刚，等.公路桥梁抗风设计指南［S］.北京：人民交通出版社，1996.