动车组在防风设施过渡段气动性能仿真分析

肖 政 何德华

（1.华东交通大学土木建筑学院 江西南昌 330013；2.中国铁道科学研究院 北京 100081）

动车组在防风设施过渡段气动性能仿真分析

肖 政1何德华2

（1.华东交通大学土木建筑学院 江西南昌 330013；2.中国铁道科学研究院 北京 100081）

我国铁科院在进行兰新二线大风试验期间，动车组试验列车在多处防风设施过渡段均有明显的晃车现象，对列车运行安全性产生了不利影响。防风设施过渡段是限制大风条件下行车速度提升的关键影响因素。文章针对8编组CRH5型动车组建立模型，采用trim+prism layer的体网格类型通过STAR-CCM+软件对列车通过某一处典型防风设施过渡段进行仿真计算来探寻分析动车组通过防风设施过渡段的气动性能的方法。分析表明，该仿真计算方法能很好的反映出动车组通过该过渡段时的气动特性，这对探索评估和验收防风设施过渡段具有很强的现实意义。

防风设施过渡段；trim+prism layer体网格；气动性能

我国对列车在风区过渡段空气动力学性能研究开展目前尚处于起步阶段。兰新铁路第二双线是世界上第一条大风环境下的高速铁路，正线通过安西风区、烟墩风区、百里风区、三十里风区、达坂城风区等五大风区，其中百里风区、三十里风区的风力最为强劲，部分区段年均大于8级大风天气达到两百多天，最大风速60米/秒，相当于17级风。兰新铁路第二双线为了达到少停轮，少限速、少停车的运营目标，进行了新的防风工程设计，总线一共设置了四百多千米防风工程，包括路基挡风墙、桥梁挡风屏和防风明洞三种防风结构。为了研究新设计的防风工程的效果，在铁路总公司的总体组织和领导下，铁科院2014年在兰新二线百里风区累计开展了8次大风试验，由于未系统的研究列车通过防风设施过渡段时的空气动力学性能，导致过渡段成为薄弱环节，严重影响到了试验的顺利进行[1]。综上所述，亟需一种方法对防风设施过渡段进行静态验收，但是过渡段受地形地貌影响很大，各过渡段差异较大，没有统一的评估方法可用，鉴于此，探索一种等效的仿真计算方法对过渡段防风效果进行统一评估具有非常重要的现实意义。

一、三维地形地貌建模

选取大风试验线路上一处空气动力学性能较为不利，对行驶安全会造成威胁的防风设施过渡段位置进行现场考察，该过渡段由挡风墙、路基以及涵洞构成。测量采集该过渡段位置环境数据，包括地形地貌等高线、风速等。该过渡段位置如图1所示：

图1 实地勘察图

仿真模型尽可能还原真实环境，按照实测参数进行挡风墙、路基及涵洞的1:1三维建模，涵洞部分模型图如下：

图2 涵洞仿真模型

除挡风墙、路基、涵洞以外，实际地形地貌按照等高线地形图进行1:1三维建模，地形示意图如下：

图3 地形地貌三维建模示意图

二、数值计算说明

仿真计算采用稳态模型，通过相对坐标系计算列车运行至某一位置时的流场情况。利用软件STAR-CCM+进行仿真计算。网格的划分以及网格质量对计算结果效率、收敛性和精确性最为重要。根据试算，在高速列车的横风效应计算中，采用trim+prismlayer的体网格类型。在整个空间计算域采用较大尺寸的网格，对流场变化比较大的区域进行网格细化，主要包括车身周围、尾流及受电弓等区域，采用从细网格到粗网格采用逐层过渡的方案[2-3]。

列车边界层的首层厚度的选择原则是计算得到的Y+值在30100范围内。采用六面体网格，在地面处以及车体表面生成边界层网格，边界层的总厚度为30mm。为了保证网格质量以及更好的衔接六面体网格，设置增长比为1.2的边界层网格6层，网格的厚度以及与列车表面的正交性与贴体性，可以保证壁面函数的应用于边界层模拟的准确性。加密对流场影响比较大的区域的网格如尾流、列车表面和受电弓三处。为了减少了网格数量又不降低计算的精度，远离列车流畅平稳区域的空间网格则设置较大。本文计算网格采用的是TRIM网格进行生成，由于TRIM网格对于复杂外形的适应性比较好，可以通过设置不同大小的区域加密来完成高速列车复杂模型的高质量网格生成。生成网格时在列车壁面附近和地面、轨道等位置也进行边界层网格生成，这样就能够准确的捕捉列车壁面附近的边界层流动[4]。

三、动车组稳态仿真计算分析

（一）计算条件。列车模型为8编组CRH5型列车，总长为212m，车体最大横截面积S=12.206。列车运行速度80km/h，风速35m/s，风向角67.50，即列车由东向西开行，风向来流为西偏北67.50。本次计算由于列车运行速度不高，气流处于不可压缩状态，因而采用不可压求解器进行分析，来流密度：1.225kg/m。边界条件包括固定壁面边界、速度入口边界条件、压力边界条件。

采用相对运动来模拟列车附近的外流场。设定列车为静止的，而地面移动，空气来流以与列车运行速度反向等值的速度绕流列车，横风以固定速度垂直吹向列车。

（1）入口边界条件。包括列车风和横风的速度入口条件。假设入口边界来流的三维速度分布不会受到模型的扰动，除运动方向外，另外两个方向的速度分量均为零，沿运动方向的速度在另外两个方向上均匀分布。流入速度取理论上的无穷远处的来流速度，平行于列车方向的主流风速取为列车运行速度；垂直于列车方向速度取为横风风速；

（2）出口边界条件。压力边界条件，出口压力取为一个标准大气压强[4]；

（3）列车表面边界条件：由于在列车表面存在边界层效应的影响，故列车表面设定为有摩擦的固壁边界 (无滑移边界)，接近于实际情况，可较为精确的计算出列车表面的摩擦阻力，即粘性剪切力，以及表面的压力分布等参数；

（4）计算域上表面。由于选择的流场计算区域足够大，故可认为外围边界对列车周围的流场几乎无影响。为了与相对运动的条件相对应，将计算区域的外围边界设定为压力出口条件[5]。

为了便于分析，定义无量纲系数如下：

列车气动阻力系数CD，其表达式为：

式中，Fx为列车空气阻力，ρ为空气密度，V为列车运行速度，Sx为参考面积，这里取列车最大迎风面积，本次计算取为12.206m2。

升力系数CL，其表达式为：

式中，FZ为列车气动升力，ρ为空气密度，V为列车运行速度，Sx为参考面积，本次计算取为12.206m2。

侧向力系数Cs，其表达式为：

式中，Fs为列车侧向力，ρ为空气密度，V为列车运行速度，Sx为参考面积，本次计算取为12.206m2。列车滚转力矩系数CMx，其表达式为：

式中，Mx为列车滚转力矩，ρ为空气密度，V为列车运行速度，Sx为参考面积，这里取列车最大迎风面积，本次计算取为12.206m2。L为参考长度，取距中心为每节列车中心位置。

列车倾覆力矩系数CMy，其表达式为：

式中，My为列车倾覆力矩，ρ为空气密度，V为列车运行速度，Sx为参考面积，这里取列车最大迎风面积，本次计算取为12.206m2。L为参考长度，取距中心为每节列车中心位置。列车偏航力矩系数，其表达式为：

式中，为Mz列车偏航力矩，为空气密度，V为列车运行速度，为Sx参考面积，这里取列车最大迎风面积，本次计算取为12.206m2。L为参考长度，取距中心为每节列车中心位置。

（二）网格分布。计算采用直角切割网格，总网格数约5000万单元。利用国家超算中心服务器进行大规模并行计算。计算区域及网格示意图如下图所示。

图4 计算区域及网格示意图

（三）流场分布情况。高速列车在行驶时，由于空气的粘性作用，列车将带动列车尾部周围的空气随之运动，形成列车尾流，并以速度场和压力场的形式表现出来。如果有强横风的作用，列车空气动力性能恶化，不仅列车的空气阻力、升力和横向力迅速增加，还影响列车的横向稳定性，严重时将导致列车倾覆[6]。

由于列车所受空气动力由列车周围流场产生，列车周围的流场分布情况直接影响列车各个部分气动力的大小，而且

列车尾流结构反映了全车各部分分离状态和相互作用的综合效果，包含了车身绕流的大量信息，因此需要对列车周围流场进行研究。

列车整车气动力分布取决于表面的压力分布，列车表面压力的分布情况会直接影响列车各个部分气动力的大小[7-10]。本文首先就列车表面压力分布进行分析，先给出列车表面整体压力分布云图和各个特征部位的压力分布云图：

图5 流场压力云图

图6 列车和路基、挡风墙压力云图

图7 头车压力云图

图8 第三至第六节车厢压力云图

为清楚直观的研究地形地貌对列车的影响，下面分析列车的空间流线分布：

图9 空间流线分布

为更清楚直观地分析气流绕过挡风墙的过程，下面再分析横截面上的流线分布：

图10 横截面上的流线分布

（四）气动力统计。计算得出列车各部分的受力统计：

表1 气动力系数

四、结语

（一）通过列车表面整体压力分布云图和各个特征部位的压力分布云图可以得出，挡风墙及涵洞明显改变了区域内的流场分布，涵洞后方即列车第五六两节车厢的表面压力要明显小于涵洞前方即列车第三四节车厢的表面压力，在涵洞和挡风墙的共同作用下，列车受力不均，以涵洞为界限，前半部分车厢表面压力要大于后四节车厢表面压力，这容易加重列车的不稳定性，影响行车安全。

（二）通过列车的空间流线分布可以得出：1.挡风墙对横风起到了一定的阻挡作用；2.涵洞对气流起到了抽吸作用，涵洞出口气流对列车尤其是后四节车厢的周围流场起到了较强的扰动作用。

（三）通过横截面上的流线分布图可以得出，气流一部分通过涵洞，一部分绕过挡风墙，形成的涡系结构主要存在于两个区域：列车与挡风墙之间、涵洞出口与地形之间。这两个较大涡系的存在，会显著影响列车的受力及运行稳定性。

（四）通过列车各部分的受力统计可以得出，列车受力主要有2个特点：1.后四节车厢升力显著增大，升力过大会影响列车车轮与轨道的接触力，严重时会导致脱轨、倾覆；2.列车侧向力在四五六七节车厢显著增大并且所受合力的方向发生改变，这意味着涵洞前和通过涵洞后流场发生了显著的改变，导致列车受力不均衡，这种情况下会明显影响列车的稳定性。

本文的仿真计算针对的是动车组中部通过该涵洞过渡段位置瞬时的情况，后续可以进行尽可能多时刻的仿真计算，通过这些静态离散多时刻的仿真计算计算结果就能够直观的描述出动车组各个位置压力分布随时间变化的情况。这将为探索对过渡段防风效果进行统一评估的仿真计算方法提供良好的基础。

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U292.91+4

A

2095-0438（2017）11-0149-04

2017-05-27

肖政（1993－），男，江西吉安人，华东交通大学土木建筑学院硕士研究生，研究方向：建筑与土木工程研究。

国家自然科学基金项目（编号：51048010）。

[责任编辑 郑丽娟]