挡风墙后动车组与普速列车交会气动特性

潘新先,姚松，曾林森

(1.乌鲁木齐铁路局，新疆 乌鲁木齐 830011；2.中南大学 交通运输工程学院 轨道交通安全教育部重点实验室，湖南 长沙 410075)



挡风墙后动车组与普速列车交会气动特性

潘新先1,姚松2，曾林森2

(1.乌鲁木齐铁路局，新疆 乌鲁木齐 830011；2.中南大学 交通运输工程学院 轨道交通安全教育部重点实验室，湖南 长沙 410075)

摘要:采用三维、可压缩、非定常N-S方程的数值计算方法，对8辆编组的动车组和5辆编组的普速列车在3.5 m挡风墙和20 m/s横风环境下，以250/160 (km/h)速度交会时列车表面瞬变压力和车体所受气动力及力矩进行分析，并采用间接验证方法，将风洞实验、实车试验得到的结果分别与数值模拟进行对比。研究结果表明：间接验证方法所得的实验和数值模拟的气动效应变化规律基本一致，最大误差在12%以内，验证了本文数值方法及结果的可靠性。两车横风下交会的整个过程中，同一时刻位于车头不同位置的测点间压力差别较大，位于列车中部同侧的测点间压力差别较小；列车头车所受横向力及倾覆力矩幅值比中间车和尾车大，且处于二线列车所受横向力及倾覆力矩幅值大于一线列车。列车横风下交会时，特别是在列车交会的尾波部分，车体所受气动效应比单车运行时更为显著，对列车大风下运行带来更大的安全隐患。

关键词：动车组；普速列车；横风；交会；气动效应

大风对行车安全危害极大，在其作用下，列车气动性能恶化，不仅气动阻力迅速增加，还严重影响列车的横向稳定性，行驶车辆左右摆动加剧，严重时将导致列车脱轨倾覆[1]。由侧向风引发的行车安全事故在世界各国时有发生，大风给铁路运输安全、人民生命财产造成严重威胁，我国地形及气象条件比较复杂，不少行车区段已处于强风区，新疆地区曾先后发生大风吹翻列车13次的重大事故，总计翻车79辆[2]。高速行驶的列车使其周围的空气流场受到强烈扰动，当两相对行驶的列车交会时，这一扰动将会更加激烈，尤其是邻线列车的头部或尾部通过的瞬间，将引起交会一侧的空气压力发生突变，形成瞬态冲击交会气动力，从而对行车安全、旅客的舒适性、环境等产生影响。交会过程中若遭遇较大的横风，可使交会压力波幅值增加，列车将承受更大的横向冲击载荷[3-7]。国内外学者已利用试验和仿真手段对交会压力波特性开展了大量研究[8-10]，分析交会压力波的影响因素、压力波与不同地形、线间距、交会速度、列车编组方式、头型、车体宽度等的关系。而在风力较强的风区，为防止列车事故，普遍采取的措施是修建挡风墙[11-13]。本文以兰新第二双线铁路为研究对象，对动车组与普速列车在有挡风墙及横风作用下交会时的车体表面测点压力、车体所受横向气动力及倾覆力矩变化进行分析，为动车组合普速列车在风区内交会安全性提供气动依据，具有很强的实际意义。

1数值模拟

1.1数学模型

本文采用三维、非定常N-S方程的数值计算方法对流场进行数值分析，由于列车车速与横风风速的合成速度大于65 m/s，其马赫数大于0.3，同时列车在交会过程中流场瞬变剧烈，因此按照可压缩问题进行处理。在标准大气压下，温度为20 ℃时空气的运动黏度v=1.5×10-5m2/s，雷诺数Re=ul/v=8.57×10-6，远大于临界雷诺数，列车处在湍流流场，因此，采用k-ε双方程湍流模型[12]描述挡风墙后列车周围流场。参考近几年已发表的文献，本文计算时经验常数取值如下：C1=1.47，C2=1.92，σk=1.0，σz=1.33。

1.2计算模型、网格及测点布置

计算中选用的普速列车采用5辆编组(SS8机车+3节25T型单层客车+SS8机车)，动车组采用8车编组。计算工况选取普速列车和动车组在一线和二线交替交会，挡风墙高度为3.5 m，普速列车和动车组运行速度分别为160 km/h和250 km/h，横风风速为20 m/s。图1为动车组和普速列车横风下交会计算区域。计算区域下游边界尽可能远离列车尾部，以避免出口截面受到列车尾流的影响；初始时刻两车头相距100 m，保证两车在交会时，风场已发展充分。车体附近采用较细的非结构网格，远离车体处采用较为稀疏的结构网格，车体表面网格如图2所示。

为了对车体表面瞬变压力进行分析，在普速列车表面布置了多个测点。其中头车和尾车布点方式相同，分别布置7个测点；2车布置9个测点；3车和4车布点方式相同，分别布置5个测点。具体布点方式如图3所示。

图1　计算区域Fig.1 Computational zone

图2　计算网格Fig.2 Computational mesh

图3　普速列车模型测点布置图Fig.3 Points arrangement of Universal train model

2试验验证

对于列车在挡风墙-横风耦合作用下交会的复杂工况，采用的数值模拟方法很难通过实验手段进行直接验证，文献[14]提到，在对物理假说进行验证时，对于受实验水平的限制暂时达不到要求的情况，可以采用间接验证的方法。基于这一思路，本文采用风洞模型实验和实车试验，将动车组和普速列车单列横风下运行的数值计算结果与实验结果进行对比，从而尝试间接验证本文所采用数值计算模型的可行性。

2.1动车组模型数值仿真与风洞实验结果对比

横风作用下某型动车组气动性能风洞实验在中国空气动力研究与发展中心8 m×6 m风洞中进行。该风洞为闭口串联双实验段大型低速风洞，按风洞实验段尺寸，高速列车风洞模型缩比为1∶15，图4为此次实验的动车组风洞实验模型图，风洞中合成风速为60 m/s，侧滑角β分别为0°，10°，20°，30°，40°，50°，60°，70°，80°和90°。从图5的数值对比结果可以看出，数值计算与风洞实验分别所得气动参数随侧滑角变化曲线吻合良好，曲线变化规律基本一致，所得最大气动升力系数Cl，横向力系数Cs及倾覆力矩系数Cmx相差均在10%以内，可说明本文模拟横风所使用的动车组模型计算方法是合理的。

图4　风洞实验动车组模型Fig.4 Model of EMU of wind tunnel test

图5　风洞实验结果与计算结果比较Fig.5 Comparison between wind tunnel test results and calculation results

2.2普速列车模型数值仿真与实车试验结果对比

2015年12月乌鲁木齐铁路局联合中南大学在兰新线“百里风区”进行了大风下列车空气动力学试验(图6)。表1为相同工况下，实车试验与数值计算结果对比。从表1可见：除了升力相差较大外(11.5%)，横向力和倾覆力矩的相对误差均在6%之内。两者吻合较好，从而验证了本文采用的普速列车计算模型是合理的。

图6　25T实车试验测点照片Fig.6 Photo of 25T real vehicle test points

Table 1 Comparison between calculation results and real vehicle test results

方法升力系数侧向力系数倾覆力矩系数实车试验0.4231.0030.858数值模拟0.3741.0610.829相对误差/%11.55.83.3

3横风和挡风墙作用下的列车交会气动特性分析

3.1列车表面压力及气动力

列车交会在挡风墙-风载荷的耦合作用下，挡风墙的防风特性使得横风有部分绕流形成了较复杂的漩涡现象，使得流场的变化非常剧烈。通过分析计算结果可得，当两车挡风墙后交会过程中，最大、最小压力值都出现在头车测点，且各测点间压力值差异较大；列车中部测点间压力变化差异较小。普速列车车体表面测点最大压力出现在鼻尖附近，值为1 332 Pa；最小压力出现在鼻尖往上与车顶过渡的位置，值为-998 Pa。车顶测点全程处于负压状态，车头鼻尖周围位置全程处于正压状态，并从鼻尖往四周逐渐减小至负压值，由于挡风墙防风过度的影响，鼻尖周围的正压区域向迎风侧方向偏移。

图7为普速列车中部不同高度的测点压力变化曲线，显然同一节车在车身的不同高度压力变化基本一致，而不同中部车因其在纵向的位置不同，头波尾波到达的时间不同之外，其压力变化规律也基本相同。图8为普速列车中间车中部截面的各测点压力变化曲线，交会侧变化明显，其峰峰值为793 Pa,非交会侧变化幅值不超过150 Pa，且全程处于负压状态。

图7　交会侧不同高度压力Fig.7 Curves of pressure for different height at theintersection part points

图8　中间车截面测点压力Fig.8 Curves of pressure for measuring at the central vehicle cross-section

图9为两车横风下交会时，各节车厢的横向力峰值对比。对于普速列车，当其位于一线会车时，车体所受最大正向横向力为27.2 kN，出现在头车；最大负向横向力-36.1 kN，出现在中间车；当普速车位于二线时，将比位于一线交会受到更大的气动载荷，其最大、最小横向力均出现在头车，分别为19 kN和-39.8 kN。对于动车组，在一线会车时最大正峰值6.9 kN出现在头车，头车至尾车负向绝对幅值依次增大，最小负峰值-36.2 kN出现在尾车，最大峰峰值为头车的26 kN；在二线交会时全车的最大正负峰值都出现在头车，分别为19.1 kN和-39.2 kN，峰峰值为58.3 kN；动车组位于二线交会的侧向力最大绝对峰值和峰峰值分别比一线增长了8.2%和123.2%。

(a)单客：1线，动车组：2线；(b)单客：2线，动车组：1线图9　车体横向力变化Fig.9 Lateral force acting of the train

3.2交会前后的气动性能比较

选取交会气动力性能比较恶劣的位于二线的普速列车进行交会前后的气动效应对比，从表2可得头车的幅值增长最大，其侧向气动力和倾覆力矩分别比会车前增长了17.9倍和7.5倍。交会前的列车虽然在挡风墙的防风过度下基本处于负压状态，但其绝对值比没挡风墙下的正压值小很多，交会后列车的气动效应幅值显然比交会前增大不少，严重影响了列车的安全运行稳定性。

表2普速列车二线交会前后气动性能对比

Table 2 Comparison of aerodynamic performance before and after intersecion on the second line

车辆侧向气动力/kN倾覆力矩/(kN·m)交会前交会中负峰值交会中正峰值交会前交会中负峰值交会中正峰值头车-2.0-37.817.19.8-43.883.3二车-14-31.914.323.1-40.671.5三车-14.3-31.915.323.9-41.963.4四车-14.8-29.013.430.1-35.760.5尾车-2.7-20.010.810.3-33.439.8

4结论

1)动车组和普速列车单列横风下运行的数值计算结果与风洞实验、实车试验结果进行了对比，所得的气动效应变化规律基本一致，最大误差为10%左右，说明本文采用的计算模型及数值方法能够较好地模拟横风下列车空气动力效应问题。

2)列车横风下交会过程中，最大、最小压力值均出现在列车头部，而列车中部不同测点间压力值差异较小；最大正值出现在鼻尖位置,最小负值出现在鼻尖往上与车身交接的位置。车顶测点全程处于负压状态，车头鼻尖周围位置全程处于正压状态，并从鼻尖往四周逐渐减小至负压值，由于挡风墙防风过度的影响，鼻尖周围的正压区域往迎风侧方向偏。

3)无论动车组或是普速列车，列车位于二线比位于一线交会受到更大的气动载荷；相比于中间车而言，头、尾车受到的气动横向力更为显著。

4)列车横风下交会比单车运行时产生更加复杂的气动效应，车体所受气动横向力及倾覆力矩幅值在交会瞬间急剧增加，建议结合列车动力学对横风下交会车体运行稳定性展开进一步研究。

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* 收稿日期：2016-01-29

基金项目：中国铁路总公司科技研究开发计划项目(2014T001-A)

通讯作者：姚松(1975-)，男，湖北公安人，副教授，从事轨道交通安全研究；E-mail: song_yao@csu.edu.cn

中图分类号：U271.91；U25

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)06-1025-06

Aerodynamic effect of EMU and universal train passing by each other under wind-break wall

PAN Xinxian1,YAO Song2,ZENG Linsen2

(1.Urumqi Railway Administration, Urumqi 830011, China;2. Key Laboratory of Traffic Safety on Track of Ministry of Education, School of Traffic &Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Abstract:Based on unsteady N-S equation of three-dimensional and compressible viscous fluid, the transient pressure on the train surface, aerodynamic pressure and its moment were analyzed on the condition that the EMU consisting 8 carriages and the Universal train consisting 5 carriages interact with each other by speed of 250/160(km/h) under 3.5 m wind-break wall and crosswind speed of 20 m/s. The results obtained by wind tunnel test and moving model experiment with numerical simulation are used for comparison. The changing law of aerodynamic effect shows agreeable accordance with the error under 12%, and the reliability of the numerical method and the results are verified. When two trains are coming cross under crosswind, the difference of pressures at the head is great while that on the same side of middle part is little. In terms of lateral force and overturning moment, the head car shows the greatest aerodynamic effect and the train in the second line is danger than the first line. The aerodynamic effect is obviously increased, especially at the part of the wake wave. The aerodynamic effect of the train is worse than that before the intersection, which may seriously affected the safety of the train running.

Key words：EMU; universal train; crosswind; interact; aerodynamic effect