降雨环境下大气底层边界型风场对高速列车气动特性影响

杜礼明，倪守隆

(大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028)*



降雨环境下大气底层边界型风场对高速列车气动特性影响

杜礼明，倪守隆

(大连交通大学 交通运输工程学院，辽宁 大连 116028)*

采用大气底层边界速度型风场模拟自然风和Marshall-Palmer雨滴谱模型，应用离散相模型研究了风雨联合作用环境下列车运行时气动特性的变化情况.结果表明：雨滴颗粒的加入扰乱了列车周围气流的正常流动，减轻了列车背风侧气流漩涡的脱落，列车迎风侧和背风侧的压力差减小；降雨强度对列车气动特性影响不大，从20 mm/h增大到100 mm/h，受影响最大的横向力仅增大了9.11%；风雨耦合环境下列车的运行速度对气动阻力影响较明显，列车时速从200 km/h到400 km/h，阻力增大了102%；随着车速增大，车辆所受横向力与升力的变化规律与车辆在列车中的位置相关，头车所受到横向力明显增大，而尾车的横向力则呈减小趋势，而所受升力正好相反，头车呈减小趋势，尾车则明显升高.

高速列车；大气底层边界速度型风场；风雨联合作用；离散相模型；气动特性

0　引言

风雨联合环境下运行的列车除受到空气的作用外,还受到雨滴的撞击作用, 降雨改变了列车周围流场的物质构成，使得列车的运行安全问题更加突出.风和雨往往是伴随而生的，形成了风雨联合作用效应[1]，这将会对高速列车的空气动力学性能产生影响.世界各国都有发生由横风作用而导致的列车失稳和倾覆的事故，再加上降雨的作用，列车在风雨联合作用下的运行状况将会更加复杂.

C.J.Baker[2]、Minoru Suzuki[3]、马静[4]等研究了列车在横风条件下运行的气动力和气动力矩的变化情况；李军产[5]、敬俊娥[6]等应用离散相模型研究了列车在风雨联合作用下运行时列车周围雨滴密度、气动力和气动力矩等的变化情况；邵雪明等[7]采用欧拉多相流模型，研究了列车在横风和降雨这一工况下运行时的气动特性.正常降雨强度情况下雨滴的体积分数一般小于10%～12%，因此用离散相模型进行模拟更能符合实际情况.上述研究都是基于均匀风场进行的，而自然环境中的风具有明显的随机性和非均匀性，并且随着高度的增加风速会增大，属于典型大气底层边界速度型风场[8].本文基于两相流离散相模型，采用大气底层边界速度型风场取代均匀型风场，研究大气底层边界速度型横风对高速列车在降雨环境下运行时的气动特性变化规律，分析降雨强度、横风速度及列车运行速度等对列车气动特性的影响，为列车的抗风雨设计提供参考.

1　计算模型与方法

1.1计算模型

研究对象为国产CRH3某型动车组.一般动车组由八辆车编组，由于动车组中间车部分的流场保持稳定，中间车长度的改变对列车附近流场基本特征变化影响不大，因此，在计算列车稳态气动性能时，可采用头车+中间车+尾车的三辆车编组的简化模型[9].三辆车的长度分别为25.84、24.82和25.84 m，而列车宽度为3.2 m，高度为3.89 m.由于本文主要研究列车在风雨联合作用环境下运行时的气动特性规律，因此对列车结构进行了简化，并忽略了转向架、受电弓以及门把手和车灯等部件.简化后的列车模型如图1所示.

图1　列车简化模型

1.2计算域及网格划分

在不影响列车周围流体流动情况下，实际模拟计算时列车运行的外流场只能选取有限空间.本文选取长方体型计算区域，为有效并准确地进行模拟列车的尾部流场，需要足够长的尾部计算区域；同时，考虑降雨时列车能完全在降雨范围内，列车前部空间也要足够大.计算域如图2所示：

图2　计算区域

对计算域进行了四面体网格的划分，为减少计算量和提高计算效率，需要对计算域网格的划分进行优化，应用尺寸函数对计算域网格进行不同疏密程度的划分可以大大的减少网格数量.本文还利用Fluent软件的网格转化功能，将四面体网格转化为多面体网格，网格数量减少到四面体网格的1/4～1/3，转化后的网格如图3所示.由于流体在车体表面及地面的流动情况变化很大，在采用壁面函数法对车体表面与地面处进行计算时，需要对车体表面和地面进行边界层网格划分[10].

图3　列车计算网格

1.3雨滴谱模型与降雨等级

观测结果表明，雨滴谱一般服从负指数分布，本文采用目前被广泛应用的是马歇尔—帕尔默(Marshall-Palmer)指数分布[11]：

(1)

式中：N0为8×103个/m3； λ为斜率因子，λ=0.41I0.21/mm；I为降雨强度(mm/h)；D为雨滴直径(mm).

根据式(1)，在雨强确定情况下，可以求出各个直径的雨滴数量.按24 h降雨量进行划分降雨等级，不能准确反映出降雨量的强度大小，工程中重点考虑的最大降雨强度的影响被降低.因此，在本文计算中取每小时的降雨量作为划分标准.

1.4计算方法

降雨时雨滴所占的体积分数小于10%～12%，但其质量载荷比较大，选用欧拉-拉格朗日离散相模型可以较好模拟降雨工况.由于自然风与列车风的最大合成速度马赫数小于0.3，因此，可认为列车周围的流体流动是三维、黏性、不可压缩湍流，湍流模型选用k-ε标准模型，选用SIMPLEC算法处理压力与速度的耦合,数值离散采用二阶迎风格式.

1.5计算工况及边界条件

根据图2所示的计算区域，连续相流场的边界条件设置如下：

(1)计算域流动入口：高速列车前进方向入口处施加均匀风场，其大小为列车的运行速度，方向与列车运行方向相反；横风速度入口处为大气底层边界速度型风场，风速为在气象上10 m高度处的风速Vz；

(2)计算域流动出口：压力出口边界条件，压力值为一个标准大气压；

(3)列车表面：列车表面设置成有一定粗糙度的固定壁面边界，考虑列车表面边界层效应的影响；

(4)地面：为了更加准确地模拟列车运动情况，并消除地面效应的影响，地面采用滑移壁面边界条件.速度为车速大小，方向与列车运行方向相反.

离散相边界条件设置如下：计算区域的上表面为射流源喷射口，雨滴以一定的初速度从该面射出，其速度值参考文献[12]确定.连续相速度入口处雨滴被风吹到计算域内，形成了风驱雨现象；压力出口设置为逃逸边界条件，也就是雨滴到达此边界计算即终止；雨滴撞击到车体后碎成小液滴，并在车身表面形成壁膜，设置成壁面覆膜边界类型；地面及其他壁面设置为捕集面，雨滴被壁面捕集而终止其运动轨迹的计算.

2　结果与分析

2.1降雨天气对列车气动特性的影响

采用大气底层边界速度型风场模拟自然风，在列车运行速度为300 km/h，横风速度24 m/s条件下，研究列车在降雨强度为60 mm/h和无降雨这两种工况下运行时的气动特性，图4为列车迎风侧和背风侧表面气动压力的对比.

(a)列车迎风(左图无降雨，右图降雨强度60 mm/h)

(b)列车背风(左图无降雨，右图降雨强度60 mm/h)

由图4可以看出，列车在无降雨和降雨强度为60 mm/h两种工况下运行时的表面压力分布规律基本一致，只是压力大小有所不同.列车在无降雨工况下运行时，最大正压值为10.4 kPa，最大负压值为14.0 kPa；在降雨强度为60 mm/h条件下运行时，最大正压值为11.0 kPa，最大负压值为13.2 kPa.

导致压力值不同的原因是列车在降雨环境中运行时，由于雨滴颗粒的加入，列车迎风侧受到空气的挤压和雨滴的撞击双重作用，使得迎风侧最大正压值比无降雨工况要大；而在列车背风侧，由于雨滴颗粒的加入会扰乱背风侧区域空气的正常流动，减轻了尾流漩涡的脱落，使得列车背风侧最大负压值比无降雨工况要小.

列车在横风中运行时，头车和尾车的头部所受到的压力分布明显不相同.在头车的头部处，列车的鼻尖以及导流板处不再为驻点，列车运行时对迎风侧的空气产生挤压，使得头部最大正压区往迎风侧偏移.头部背风侧则由于空气流动加快，使得背风侧出现较大的负压.而在尾车的头部处，由于迎风侧到车顶过渡处空气流动突然加快，此处产生负压.空气流过车顶后，由于边界分离产生的漩涡脱落，使得背风侧空气流速降低而产生一定的正压，这与文献[13]中结论完全一致.

截取列车长度方向上x=-33 m，0 m及33 m处三个截面，分别得到列车在运行时各个横截面上的压力云图和速度矢量图.以x=33 m截面处的压力云图和速度矢量图为例进行阐述，如图5所示.

(a)x=33 m截面处压力云图(左图无降雨，右图降雨强度60 mm/h)

(b)x=33 m截面处速度矢量图(左图无降雨，右图降雨强度60 mm/h)

由图5(a)可看出，列车车顶与背风侧过渡处的正压区域明显减小，背风侧后方的最大正压值也明显降低.这是由于雨滴颗粒的加入，雨滴在列车迎风侧与列车表面发生碰撞，一部分雨滴粘附在列车表面形成水膜，列车迎风侧表面正压比无降雨时要大.另一部分雨滴经过碰撞形成了更小的雨滴颗粒，这些雨滴颗粒扰乱了空气的正常流动，减小列车背风侧的漩涡，最大正压由无降雨时的3.2 kPa减小到3.0 kPa.列车迎风侧和车顶过渡处的气流由于受到雨滴的扰动其速度会变小，最大负压由无降雨时的13.0 kPa减小到12.3 kPa.图5(b)显示了气流绕过列车时的流动情况，而列车背风侧后方区域产生了漩涡.在降雨条件下，由于受到雨滴的干扰，列车背风侧气流漩涡则明显减小.

2.2降雨强度对列列车气动特性影响

为研究降雨强度对高速列车运行时气动特性的影响规律，在保持列车时速300 km/h和横风速度24 m/s不变情况下，分别研究了列车在降雨强度为0、20、40、60、80和100 mm/h六种工况下的运行情况.图6为列车在其中一种降雨工况下运行时的雨滴轨迹图，不同降雨强度下雨滴轨迹图类似，只不过随着降雨强度的增大，雨滴的直径以及其所占的体积分数都会变大，雨滴显得更为密集，从而对列车运行气动特性的影响也有所不同.

图6　列车运行时雨滴轨迹

列车在降雨环境下运行时，雨滴与车体发生碰撞，对列车运行时的气动力和气动力矩都有一定影响.图7为列车运行时所受到的气动阻力和气动升力随降雨强度的变化曲线.

(a)气动阻力 (b)气动升力

图7列车运行时气动力随降雨强度变化曲线

由图7可知，在横风与降雨耦合作用下，车辆所受到的气动阻力与气动升力与其所处的位置有关，且具有相同的规律性，即头车受力最小，因其迎风面积小，中间车受力比头车大，而比尾车稍小.从图中可知，降雨强度对列车气动阻力和气动升力的影响不大，这是由于通常雨滴颗粒所占的体积分数小于10%～12%，对列车运行时所受气动特性的影响有限.表1为不同降雨强度下列车运行中所受到的气动力.

从表中可看出，随着降雨强度增大，气动阻力和升力增加幅度比横向力要小得多，这是由于列车侧面积比较大，列车运行时与列车发生碰撞的雨滴也会很多，导致列车运行受到的横向力变化幅度比阻力和升力大很多.与无降雨状况相比，降雨强度100 mm/h时列车气动阻力仅增大了约2.82%，而横向力则增大了约9.11%.

表1　不同降雨强度下列车受到的气动力

横向力增大将会导致列车的倾覆力矩明显增大，影响列车的安全运行.列车运行时受到的倾覆力矩和侧偏力矩随降雨强度的变化曲线见图8.由该图可以看出，列车运行时受到的倾覆力矩受降雨强度的影响比侧偏力矩大，表明列车在风雨耦合环境中运行时列车脱轨的危险增大.倾覆力矩主要是由列车的横向力引起的，横向力随着降雨强度的增大而增大，导致列车的倾覆力矩也随着降雨强度的增大而增大.

(a)倾覆力矩 (b)侧偏力矩

图8列车运行时气动力矩随降雨强度的变化曲线

2.3降雨环境下风速对列车运行气动特性影响

保持降雨强度60 mm/h和列车运行速度为300 km/h不变，对横风速度为10、15、20、24、27和30 m/s等工况分别进行模拟，以考察降雨环境下大气底层边界速度型横风风速对列车运行气动特性影响.

图9为列车所受到的气动力和倾覆力矩随横风速度的关系曲线.气动升力和横向力受横风速度的影响比气动阻力大，倾覆力矩受横向力的影响最大，因此其变化也更为明显.在风速较小的时候，由于列车顶面和底面的压差较小，而车头导流板处正压较大，这使得列车车头受到向下的压力.随着风速逐渐增大，列车顶部和底部的压差越来越大，使得列车的气动升力增大.

(a)气动阻力 (b)气动升力

(c)横向力 (d) 倾覆力矩

图9列车运行时气动力和气动力矩随横风速度的变化曲线

随着横风速度不断增大，列车所受到的横向力增大幅度较大.从横风速度为10 m/s增大至30 m/s，列车的横向力和气动升力增大一倍多，倾覆力矩增大约60%，而气动阻力仅增大了约28%.

2.4降雨环境下车速对列车运行气动特性影响

保持降雨强度为60 mm/h和横风速度为24 m/s不变，对列车运行速度为200、250、300、350、380和400 km/h等工况分别进行了模拟，分析风雨联合作用下列车的气动特性与列车速度的关系.

图10为风雨耦合环境下列车运行时所受的气动力和倾覆力矩与车速的关系曲线.由该图可知，随着列车速度增大，列车所受到的各气动力和倾覆力矩都逐渐增大.与车速200 km/h相比，车速为400 km/h时，列车运行时所受气动阻力增大了102%，而气动升力和横向力仅增大了23%和27%.可见，随着列车运行速度增大，列车受到的气动阻力变化幅度要比气动升力和横向力大得多.

横向力是造成列车倾覆的主要作用力之一.由图10可知，头车、中间车和整车受到的横向力随着车速的增大而增大，尤其是头车和整车增大趋势较为明显，中间车的增幅次之.尾车的横向力与车速的关系与之有所不同，尾车迎风侧受到负压作用，而背风侧受到正压作用，但是随着车速的不断增大，迎风侧负压增速大于背风侧正压的增速，因此尾车表现为横向力趋于减小.随着列车运行速度增大，车辆所受气动升力规律与其在列车中的位置有关，头车的气动升力逐渐减小而尾车气动升力逐渐增大.其原因是：随着列车速度的增大，头车上表面和下底面之间的压力差逐渐减小，致使气动升力逐渐减小，而尾车处气流边界层分离现象随着列车速度的增大而加剧，尾流漩涡脱落趋向严重，导致尾车气动升力明显升高，从而增加了列车尾车的脱轨危险性.

(a)气动阻力 (b)气动升力

(c)横向力 (d) 倾覆力矩

图10气动力和气动力矩随列车运行速度的变化曲线

3　结论

(1)在风雨耦合环境下运行的列车，由于雨滴颗粒的加入，扰乱了列车周围气流的正常流动.列车背风侧气流漩涡的脱落明显减轻，使得列车的横向力与无降雨条件下相比时明显减小；

(2)降雨强度对列车的气动特性有一定影响，但影响不甚明显.由于雨滴颗粒所占的体积分数比较小，仅是其质量分数占的比例很大，与无降雨工况相比，即使在降雨强度为100 mm/h条件下，列车气动阻力和气动升力增幅较小，横向力增幅相对较大，但也仅增大了9.11%；

(3)在降雨环境下，横风速度对列车的横向力和倾覆力矩影响较大，但对列车的气动阻力影响不大，从横风速度从10～30 m/s，横向力增加了一倍多，而气动阻力仅增大了28%；

(4)在降雨环境下，列车的运行速度对列车所受的气动阻力影响明显，从车速200～400 km/h，列车的气动阻力增大了102%，但对升力和横向力影响不明显；

(5)随着列车的运行速度增大，车辆所受的横向力与升力变化规律与车辆在列车中的位置有关.头车所受到的横向力随列车速度增大而明显增大，而尾车的横向力却呈减小趋势；列车所受的升力，头车呈减小趋势，尾车由于气流边界层分离现象随车速增大而加剧，尾流漩涡脱落严重，导致尾车的气动升力明显升高.

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Influence of Aerodynamic Characteristics of a High-Speed Train under Rain and Lower Atmospheric Boundary Layer Crosswind Conditions

DU Liming，NI Shoulong

(School of Traffic and Transportation Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028，China)

The lower atmospheric boundary layer wind and Raindrop spectrum model Marshall-Palmer were used to simulate the natural wind, and the discrete phase model was used to study the changing of aerodynamic characteristics when the train running in the wind driven rain. The results show that the addition of rain drops disrupts the normal air flow around the train and reduces the air flow vortex shedding at the train leeward side, which leads to reduce the pressure difference between the windward and leeward side. The influence of rainfall intensity on the train aerodynamic characteristics is small, and the greatest impacted lateral force increases only 9.11% with rainfall intensity from 20 mm/h to 100 mm/h. The train speed has great influence on the aerodynamic drag, and it increases 102% with the train speed from 200 km/h to 400 km/h. The lateral force and lift force of the vehicle are related to its position on the train. With the increase of the train speed train, the lateral force of the head car is increased, and the tail car is decreased, while the change trend of lift force is just opposite.

high-speed train; lower atmospheric boundary layer winds; action effect of wind driven rain; discrete phase model; aerodynamic characteristics

1673- 9590(2016)05- 0056- 06

2016- 05- 07

杜礼明(1972—)，男，副教授，博士，主要从事机车车辆流体动力学的研究

E-mail:dulm@vip.sina.com.

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