突变阶跃型阵风作用下高速列车的气动特性分析

李泉,杜礼明

(大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028)



突变阶跃型阵风作用下高速列车的气动特性分析

李泉,杜礼明

(大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028)

为研究阵风对高速列车行车安全的影响，建立了突变阶跃型阵风作用下高速列车的三维数值模型，分析了突变阶跃型阵风对高速列车的气动性能影响规律，并与恒定风场下的情况进行了对比.结果表明,与恒定风速相比，阵风对高速列车所受的各种气动力影响明显，且不同的阵风模型有不同的影响；阵风发生突变时列车表面的气动力成倍增加，阵风结束后其尾流对高速列车仍有作用；尾流对高速列车的气动力随阵风风速增大而变大，尾流的作用时间也随之增长，最高风速为5 m/s的阵风，尾流在10 s左右后消失；而对于最高风速为30 m/s的阵风，其尾流在14.2 s左右后才消失.

突变阶跃型阵风；高速列车；气动特性；数值分析

0 引言

强阵风是威胁高速列车运行安全的自然灾害之一，自然环境中的阵风是影响高速列车侧风稳定性的一个主要因素.近年来强阵风引发了不少列车重大脱轨事故[1].随着我国高速铁路网的快速扩展，高速列车在运行当中遭遇强风的概率也越来越大，特别是经过沿海和西北多风区域.一旦高速列车遭遇强阵风而发生倾覆脱轨，其带来的损失无法估量.

高速列车的风致安全性问题引起了国内外相关学者及铁路机构的极大重视.田红旗[2]系统地论述了列车空气动力学研究方法、空气动力特性、形成机理及规律、分析理论与工程应用.任尊松等[3]在列车空气动力学与系统动力学相结合的基础上研究了强侧风对高速列车运行安全的影响.于梦阁等[4]在列车空气动力学与系统动力学相结合基础上并考虑了路堤与桥梁的影响.文献[5- 6]分析了横风条件下列车周围的流场的结构，得到了横风速度、车速与气动力之间的变化关系.

对于强风环境下列车的安全性问题，大多数学者侧重于研究恒定风场下高速列车的空气动力特性.然而，自然环境中的风随着地势、地形等变化，风的角度、速度都会发生变化，有明显的波动性和随机性.风速会在某段时间内突然增大或突然减小，又表现出时效性.目前对于这类非定常的阵风研究很少见，且少量研究主要集中在飞机以及汽车领域，比如文献[7-8]采用数值方法分析了阵风对机翼气动特性的影响，而高速列车方面的研究鲜为见诸报道.本文建立基于突变阶跃阵风下的高速列车空气动力学模型，分析列车表面压力以及气动力并与恒定风速的风场进行比较，以获得阵风模型对高速列车气动性能的影响规律，为高速列车的安全运行提供参考.

1 数值模型与计算方法

1.1 高速列车气动性能仿真模型

高速列车是复杂的细长结构，若对整列列车的流场进行数值模拟，计算量大，对计算机的要求很高，而且中间车部分的流场结构保持稳定，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[9].国内某CRH型高速动车组的几何外形，采用头车+中间车+尾车的三辆车编组的简化模型进行计算，其中头车和尾车的形状相同.为避免网格过多，列车简化为光滑曲面构成的几何体，不考虑受电弓、转向架、门把手等细部特征.

流场的计算范围取400 m×100 m×40 m的空间区域.计算区域及边界条件的设置如图1所示.采用混合网格法对区域进行划分，其中列车周围的动区域采用非结构的四面体网格进行划分，不动区域以及外围区域采用结构的六面体网格，单元总数约为167万.

图1 计算区域及边界条件设置

1.2 突变阶跃阵风计算模型

阵风是由空气扰动产生的，气流流过固体表面时，会遇到来自固体表面的阻力，使流速减小.因此，当空气流过丘陵、森林或建筑物等障碍物时产生阻力并出现回流，造成不规则的涡流，导致流速产生变化，形成阵风.“突变阶跃型阵风模型”描述的动态风速变化可由分段函数表示为[10]：

(1)

1.3 阵风模拟方法

通过UDF编程的方法来模拟阵风条件，实现高速列车阵风响应的数值模拟.Fluent软件包中的UDF (User-Defined Function),即用户自定义函数,它是用户利用C语言自己编写的函数,可以FLUENT动态的加载,采用UDF来描述突变阶跃型阵风和定义边界条件.

1.4 数学模型及边界条件

设定列车的运行速度均为350 km/h，在不考虑列车交会的情况下，空气密度的变化对气流流动的影响可以忽略不计，此时可以认为空气是不可压缩的，并假定阵风引起的流动是非定长的.

边界条件设置如图1所示.模型采用滑移网格，列车是运动的，列车表面以及地面均设置为无滑移壁面的边界条件.入口给定速度边界条件，出口给定压力边界条件.流场的顶面设置为对称面.恒定侧风速度大小为30 m/s，阶跃阵风模型的最大风速为30 m/s，风向角皆为90°.

1.5 计算方法适用性验证

在运用数值模拟方法对列车在明线运行时横风对其气动特性的影响研究之前，有必要对所采用的数值模型和模拟方法进行可行性验证.参照文献[11]中在中国空气动力研究与发展中心8 m×6 m风洞进行的缩尺模型试验所得到的数据，与缩尺模型的数值模拟结果进行了对比.

模型试验中，速度为60 m/s,气流夹角有3°、6°等.验证仅选取气流夹角为6°时的试验数据进行仿真对照.仿真模型与模型试验的相同，计算尺寸为20 m×8 m×6 m，采用RANS方法，湍流模型选用k-ε两方程模型.用分离式解法对离散后的控制方程组求解，采用SIMPLE法耦合压力-速度场.将模型试验与数值模拟的结果进行对比，下面仅列出整车部分气动力系数对比数据，如表1所示.

表1 缩尺模型试验与相应数值模拟结果

由表1可知，数值模拟与其缩尺模型试验的气动力系数的误差在10%左右，在工程允许的误差的范围内.产生误差的主要原因如下：

(1)数值模拟对列车模型进行了一定的简化处理，与缩尺模型试验的模型存在几何差别；

(2)数值模拟的风场设定为完全均匀的风场，而缩尺模型试验中的风并不是完全均匀的风场.

数值模拟与列车的缩尺模型试验的结果误差基本合理，因此，采用的数值方法可用于进行列车气动特性分析.

2 结果与分析

2.1 列车表面压力分布

为了对比分析突变阶跃型阵风对高速列车的影响，首先对恒定风速下的高速列车表面压力进行数值分析.在横风环境下列车头车与中间车、尾车相比，头车的气动载荷相对较大，下面重点分析高速列车头车的表面压力.恒定风速下不同时刻的列车头车表面的压力云图如图2所示.

从图中可以看出：当高速列车运行稳定后，在头车鼻尖处迎风侧受到的压力是正压，背风侧的压力为负压，表现出明显的压力差.随着列车在恒定风环境下运行，其头车的表面压力分布没有明显的变化，表现出横风效应，不随时间而变化.

图2 恒定风下列车头车 表面的压力云图 图3 阶跃阵风下列车头车表面的压力云图

高速列车在阶跃型阵风作用下不同时刻头车的表面压力分布如图3所示.从图中可以看出对于阵风模型中的列车表面的压力云图都是随时间变化的.在0.2 s之前流场中还没有施加侧风，列车迎风侧与背风侧压力都为正压且相差不大，流场压力分布比较简单，没有表现出横风效应；在0.2 s与1.8 s之间流场中有了侧风的加入，列车迎风侧为正压，背风侧为负压，流场压力复杂，表现出横风效应；在t=1.8 s以后，流场中已经停止侧风的加入，但并没有出现t=0.1 s时的压力分布，仍然表现出有侧风时的压力分布，但与1.0 s时相比压力明显减小.

通过与恒定风速风场对比，高速列车在阶跃型阵风流场中，受到的气动压力是随时间变化的，而且当流场中所施加的侧风突然消失时，列车表面的压力不会马上恢复到侧风施加之前的情况，此时仍会表现出横风效应.

2.2 阵风特征对高速列车气动力的影响

为研究阵风对高速列车气动力的影响，模拟计算车速为350 km/h的情况，阶跃风速与恒定风速均为30 m/s,风向角均为90°.

侧风作用下列车所受气动力主要有阻力、升力、侧力和倾覆力矩.高速列车在阵风与恒定风下气动力系数随时间变化的曲线如图4所示.通过与恒定风的比较可以看出：

(1)对于阻力系数，恒定风是在高速列车稳定后会一直维持一种稳定状态.阶跃阵风在0.2 s时发生突变，之后与恒定风的响应趋势基本相同，都是在0.1上下波动，在1.8 s时其阻力系数未发生突变;

(2)对于侧力系数，从图中看出恒定风情况下，阻力系数基本保持不变.而对于阶跃型阵风，其在0.2 s和1.8 s时都发生突变，随后再趋于平稳，在0.2 s与1.8 s之间与恒定风的趋势相一致，在1.8 s之后阵风消失，侧力系数明显下降，但并没有恢复到阵风施加之前的状态;

(3)对于升力系数，恒定风在列车先增大后减小，然后再趋于稳定.阶跃阵风在0.2 s和1.8 s时发生突变，在0.2 s与1.8 s之间与恒定风的趋势基本相一致，当阵风消失后围绕一个稳定值波动.

通过以上气动系数的对比，对于恒定风当列车运行平稳后，所受到的气动力保持稳定，不会有很大波动.而在阵风模型中，列车所受到的气动力具有很强的时效性，其随阵风的变化而变化，尤其是在阵风施加与消失时，均发生突变，在这一刻所受到的力成倍增加.

(a)阻力系数

(b)升力系数

(c)横向力系数

2.3 阵风风速对高速列车侧力的影响

当阵风消失之后，此时流场中已经没有侧风，但高速列车仍表现出受到侧风影响的情况.这种情况是因为高速列车在阵风流场中运行形成的列车风所造成的.针对这种情况，先重点分析阵风风速对列车所受到侧力的影响.选取风速为5、10、20、30 m/s,车速仍为350 km/h.下面取5、30 m/s风速进行对比.

从图5可知，在整个过程中30 m/s时的横向力系数、阻力系数明显大于5 m/s时.对于升力系数在5 m/s时为正值，而在30 m/s时为负值.说明高速列车在低速风时受到的升力为正值，随着风速的增加升力的方向发生变化，并逐渐增大.在0.2 s与1.8 s之间时，风速都是稳定的，此时可以看风速增大，气动载荷增大.在1.8 s以后阵风消失，各气动力系数突变过后仍维持在一定范围波动，不会马上恢复到无风状态.从横向力系数可以明显看出侧风消失之后，风速30 m/s仍高于5 m/s时的横向力系数.

(a)阻力系数

(b)升力系数

(c)横向力系数

不同速度的侧风消失后，尾流对高速列车所受到的气动载荷的影响，见图6所示.从图6可以看出，随着阵风风速由5 m/s增加到30 m/s，列车所受到的阻力变化比较小，仅增加了不到2 kN.升力的增幅最大，增加了259.26 kN.横向力增加了59.90 kN.

图6 气动力随风速的变化

图7 阵风的尾流作用时间

图7为阵风的尾流的作用时间.在阵风消失后的很长一段时间内都存在尾流的作用，对于最高风速为5 m/s的阵风，尾流在10 s左右消失；而对于最高风速为30 m/s的阵风，其尾流在14.2 s左右消失.由此可见随着阵风速度的增大，其尾流的作用时间不断增长.

3 结论

对突变阶跃阵风下高速列车的响应特性进行了数值分析，得到如下结论：

(1)对于突变阶跃型的阵风，气动力响应基本与阵风的变化趋势相同，随时间的变化而变化，都是在0.2 s与1.8 s时发生突变，瞬时所受到的气动力成倍地增大，对高速列车的运行带来威胁；

(2)当阵风消失时，列车所受的气动力不会马上恢复到无风时的水平，仍表现出侧风的特性，并且随阵风风速的增大，其尾流对高速列车的作用力增大；

(3)阵风模型对列车阻力的影响不明显，但对侧力及升力的影响较大.

[1]金学松,郭俊,肖新标,等.高速列车安全运行研究的关键科学问题[J].工程力学,2009,26(增刊)：8- 22.

[2]田红旗.高速列车空气动力学[M].北京：中国铁道出版社，2007.

[3]任尊松，徐宇工，王璐雷，等．强侧风对高速列车运行安全性影响研究[J].铁道学报，2006，28(6):47- 50．

[4]于梦阁，张继业，张卫华.平地上高速列车的风致安全特性[J].西南交通大学学报,2011,12：989- 995.

[5]李雪冰，杨征，张继业，等．强风中高速列车空气动力学性能[J].交通运输工程学报，2009，9(2):66- 73．

[6]谭深根，李雪冰，张继业，等．路堤上运行的高速列车在侧风下的流场结构及气动性能[J].铁道车辆，2008，46(8):4- 8．

[7]张伟伟，叶正寅，杨青，等.基于ROM技术的阵风响应分析方法[J].力学学报，2008，40(5)：593- 598.

[8]许晓平,祝小平,周洲,等.基于CFD方法的阵风响应与阵风减缓研究[J].西北工业大学学报，2010,12：818- 823.

[9]费天翔.侧风作用下列车行驶的安全性研究[D].北京交通大学,2014:45- 91.

[10]COPLEY J M.The three-dimensional flow around railway trains[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,1987，26(l)：21- 52.

[11]毛军,郗艳红,杨国伟.侧风风场特征对高速列车气动性能作用的研究[J].铁道学报,2011,33(4):22- 30.

Aerodynamic Characteristic Analysis of High-Speed Train under Gust with Mutation Step

LI Quan,DU Liming

(School of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

In order to explore the impacts of gusts on traffic safety of high-speed trains,a three-dimensional aerodynamic numerical model of high-speed trains running in gust with mutation step was developed.The impacts of the mutation step gust on aerodynamic performance of the high-speed trains were analyzed and compared with the cases under the constant speed wind.The results show that the gusts have obvious impacts on various aerodynamic forces of the high-speed trains,and different gust model has different impacts,compared with the impacts of constant speed wind.It also indicates that aerodynamic force on the train surface are increased by times.When gusts mutating,the tail wake of gust still play some role on the train.The aerodynamic forces on high-speed trains and the action time of the gust wake increase with gusts speed increasing.For example,the gust wake lasts about 10 s after the gust with the maximum speed of 5 m/s disappearing and 14.2 s for the gust with the maximum speed of 30 m/s.

gust with mutation step;high-speed train;aerodynamic characteristics;numerical analysis

1673- 9590(2016)03- 0027- 05

2015- 01- 23

牵引动力国家重点实验室开放基金资助项目(TPL0906)

李泉(1989-),男，硕士研究生； 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:957730024@163.com.

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