编组长度对高速列车表面交变压力载荷的影响

周丹，贾丽荣，牛纪强



编组长度对高速列车表面交变压力载荷的影响

周丹，贾丽荣，牛纪强

(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)

基于标准-双方程湍流模型，采用滑移网格方法，对不同编组长度(3车编组，4车编组，5车编组和8车编组)高速列车明线交会以及于各自最不利长度隧道通过和交会工况进行模拟，并对车体表面产生的交变压力载荷进行研究。数值计算结果和实车试验结果进行对比，波形吻合度高，误差不超过6%。研究结果表明：列车明线交会时，列车压力波尾波幅值由3车编组到8车编组减小11%；列车于各自最不利长度隧道通过和交会时，编组长度不改变列车车体表面压力波变化规律，但对幅值有较明显影响；列车通过隧道时压力波峰峰值由3车编组到8车编组增大14.0%，列车于隧道中心处交会时该值增大26.4%。

高速列车；列车长度；交会；隧道；交变压力

随着列车速度的提高，与之相关的空气动力学问题也越来越突出，对列车空气动力性能进行的专门研究也越来越多[1−3]。高速列车是一种外形细长的交通工具，在实际运行中还会根据需要调节编组长度。在现有研究过程中，由于受到试验装置尺寸的限制以及数值计算经济性的影响，通常采用短编组(国内通常采用3车编组)来进行高速列车气动性能的模拟[4−6]。但是列车编组长度不同，其外部绕流流场会发生变化，尤其在隧道运行时，列车长度影响头尾车进出隧道产生的压缩波和膨胀波叠加，使得隧道壁面及车体表面瞬变压力变化波形及幅值有所不同。因此有必要研究编组长度对列车明线交会、隧道通过和交会时车体表面瞬变压力的影响。国内外学者对明线运行下不同编组长度列车的气动性能进行研究。Muld等[7]采用延迟分离涡(delayed detached eddy simulation，DDES)研究了不同编组长度列车尾涡结构，研究发现尾部主要流动结构由于边界层厚度的不同而有不同的频率和涡长。GUO等[8]采用改进延迟分离涡(improved delayed detached eddy simulation，IDDES)研究了编组长度对列车风的影响，研究发现随着编组长度的增加，纵向列车风强度增大。Bell等[9]通过动模型实验，得出列车长度越大，边界层厚度越厚。田红旗[10]通过风洞试验，发现中间车因所在编组位置的不同阻力系数不同，且把这种差异归因于附面层厚度不同。黄志祥等[11]采用风洞试验的方法，研究了不同编组长度列车的气动阻力在各节车中的分布规律，发现2车编组时尾车的阻力系数明显小于3车及以上编组数量时尾车的阻力系数。毛军等[12]采用数值计算方法，研究了不同横风风速作用下的不同编组长度列车气动特性，并建立列车的阻力系数与列车编组辆数之间的无量纲关系，发现用头车的气动安全性评估整个列车的气动安全性会偏于保守。相对明线运行情况，不同编组长度列车在隧道运行时差异更大。欧洲标准委员会(CEN)提出列车编组长度是影响隧道内气流的重要因素[13]。Ricco等[14]通过动模型试验，发现隧道内长编组列车第一阶段升压持续时间更长，幅值更大。Martiez等[15]对2种不同编组长度的列车通过隧道进行研究，通过实车试验发现进入隧道时长编组列车压缩波峰值较大。唐荥[16]采用数值模拟方法，研究了隧道中不同编组长度列车受电弓表面测点压力随时间的变化，发现测点压力幅值随编组长度的增加略增大。章磊[17]采用数值模拟方法，研究了隧道中不同编组长度列车不同位置测点压力随时间的变化，发现列车编组长度对尾车测点的压力变化幅值影响较大。这些研究工作主要是针对明线运行条件下不同编组长度列车气动阻力和列车风的研究，或者只关注单车过隧道时压力测点随时间的变化关系，但较少从压缩波和膨胀波的叠加分析隧道中编组长度对列车表面压力载荷的影响。本文则从高速列车明线交会、通过最不利长度隧道以及于最不利长度隧道中心交会时编组长度对车体表面瞬变压力的影响进行研究。

1 数值计算模型

1.1 列车模型

计算模型为头车(6.9)+×中间车(6.76)+尾车(6.9)的(+2)车编组高速列车，其中为车高，分别取1，2，3和6，列车编组示意如图1所示。列车总长(13.8+6.76×)，以3车编组模型为例进行说明，如图2所示。列车/隧道耦合空气动力学模拟中，隧道为有效净空面积100 m2的单洞双线隧道，列车明线和隧道内运行线路的线间距均为5.0 m。为了更精准的研究列车表面压力载荷，建立了包含转向架、风挡等结构在内的精细化模型。测点均取在列车头车交会侧后窗处，距头车鼻尖20 m，距地面高度1.9 m。

图1 列车编组

1.2 计算网格

为了较为准确的捕捉列车交会以及在隧道内产生的压力变化，对车身表面附近网格进行了加密处理，列车表面第一层网格为1 mm，并在初始计算后采用网格自适应进行调整，以满足标准壁面函数的要求。计算采用网格主要为六面体网格，8车编组时明线交汇、隧道单车、隧道交会时，网格数分别为4 583，3 627和5 574万。列车表面及其周围网格如图3所示，隧道表面网格如图4所示。

图2 列车模型及尺寸

1.3 计算域及边界条件

以3车编组为例进行说明，计算流域具体尺寸及边界设置如图5所示。采用滑移网格技术模拟列车运行，列车给定实际运行速度，滑移面位置见示意图5(a)。压力出口和进口边界条件中的相对压强Pout=0 Pa；地面给定无滑移固壁边界条件。

图3 列车表面及其周围网格

图4 隧道表面网格

图5 列车计算域及边界条件

1.4 计算细节

采用商业软件Fluent，选用标准壁面函数，压力速度的耦合采用SIMPLE算法，压力采用标准格式离散，动量和湍流项采用二阶迎风格式离散进行计算。其中，非稳态计算采用双时间步长控制，时间采用一阶隐式格式推进，计算步长为1.0×10−4s。

1.5 隧道长度选取

在隧道入口形成的压缩波、膨胀波，在隧道内以音速传播，来回反射的周期，与隧道长度直接相关。对于短隧道，由于压缩波在隧道内生成的压力还未达到最大值时即受到了返回的膨胀波影响而使压力下降；当隧道长度超过压力转折点后，随着隧道长度的增加，压缩波、膨胀波传播及来回反射的周期随之增长，由于波在传播及反射过程中的能量会衰减，隧道愈长，能量衰减愈多，从而导致长隧道的空气压力变化幅值减小。因此在不考虑具体施工及地质条件下存在一个最不利隧道长度，列车表面压力波动幅度在该隧道长度下最大，因此本文在最不利长度隧道下进行隧道单车和隧道交会的表面压力研究。如表1所示为单列车过隧道最不利隧道长度1和列车隧道内交会最不利隧道长度2，其中最不利隧道长度根据文献[18]中公式计算 所得。

表1 最不利隧道长度

1.6 气动压力系数定义

为便于分析，定义各气动压力系数如下：

式中：C和△均为压力系数；为空气密度，取1.225 kg/m³；为车速，m/s；为流场某处压力，max和min分别为压力变化中的最大值和最小值，0为参考压力，取为0 Pa。

1.7 数值可靠性验证

为验证本文所使用网格和方法的准确性，数值计算结果与2007−01在石家庄−太原客运专线上进行的隧道气动性能实车试验结果进行对比。试验列车为8车编组，车速为200 km/h。试验隧道长度为987 m，有效净空面积为92 m2。在列车表面布置压力传感器以监测列车表面压力变化。利用距列车头部50 m，距轨道上表面2 m的测点所得数据进行数值计算验证。建立与实车试验相同的列车和隧道进行数值计算。

如图6所示为数值计算和实车试验车体表面的测点波形，可以看出两者波形吻合较好。数值计算峰峰值为1.420，实车试验峰峰值为1.346，相差5.2%。其余各点也均吻合较好，相差不超过6%。

图6 实车试验数据与数值计算结果比较

2 结果及分析

2.1 编组长度对列车交会时车体表面压力影响

图7所示为列车交会侧车体表面压力变化幅值()沿车长方向分布。横坐标表示列车长度方向，以特征长度进行标准化，纵坐标为压力系数。从图7可知，不同编组长度列车车体表面沿车长方向分布规律一致；各编组长度列车的头车区域幅值差异很小，均不超过1.5%；中间车表面的也差异很小，且随着编组长度增加，越靠近尾车，车体表面略有增大。

图8所示为列车交会侧测点交会压力波形。横坐标为时间，纵坐标为压力系数C。从图8可知，不同编组长度头波的波形一致，幅值无明显差异，即头波与编组长度无关；不同编组列车的尾波幅值存在明显差异，随着编组长度增加，尾波幅值逐渐减小；对于尾波的正峰值降幅最大可达11%，负峰值降幅不超过6%，峰峰值降幅最大可达8%。由于交会压力波尾波幅度小于头波幅度，可见交会压力波主要峰值由头波决定。因此用短编组模型进行明线交会压力波的模拟是可行的。

图7 列车明线交会压力波幅值沿车长分布

图8 列车明线交会压力测点波形

2.2 编组长度对单车过隧道时车体表面压力影响

图9为3车编组和8车编组列车过隧道时压力变化过程，其中，图9(a)为马赫波在隧道内的传递过程；图9(b)为列车通过所对应最不利隧道时头车后部测点压力系数随时间的变化过程。如图9所示，Cmax−3和Cmax−8的差异是由于列车长度增加而导致列车进入隧道产生的压缩波与来自车尾膨胀波的时间间隔更长；可以看出随测点沿车长后移，会更早遇到车尾产生的膨胀波，压力峰值减小。Cmin−3和Cmin−8为由列车进入隧道所产生的压缩波经隧道口反射而形成的膨胀波与列车尾部进入隧道所产生的膨胀波共同作用而引起，两者差异是由于8车编组列车进入隧道所产生的压缩波强度大于3车编组情况。

3车编组时Cmax−3为0.125 9，8车编组时Cmax−8为0.233 6，幅值增大了85.5%；3车编组时Cmin−3为−0.756 0，8车编组时Cmin−8为−0.771 5，幅值增大了2.1%，其中最大正压的增幅显著强于最大负压。3车编组时△3为0.881 9，8车编组时△8为1.005 1，幅值增大了14.0%。

图9 单车过隧道压力变化过程

2.3 编组长度对列车隧道内交会时车体表面压力影响

图10为3车编组和8车编组列车隧道中心交会时压力变化过程，其中，图10(a)为马赫波在隧道内的传递过程；图10(b)为列车在所对应最不利隧道中交会时头部测点压力系数随时间的变化过程。如图10所示，Cmax−3和Cmax−8为列车进入隧道时压缩波与相向运行列车进入隧道所产生的压缩波共同作用于测点而引起，差异同样是由于列车长度增加而导致列车进入隧道产生的压缩波与来自车尾膨胀波的时间间隔更长，但是由于叠加作用的影响幅值更大；可以看出随测点后移，会更早遇到车尾产生的膨胀波，压力峰值减小。Cmin−3和Cmin−8为由列车主体进入隧道所产生的压缩波经隧道口反射而形成的膨胀波与相向列车同样经反射所形成的膨胀波同时作用在交会列车上而引起，差异同样是由于列车长度增加引起进入隧道产生的压缩波强度更大，同时由于交会的影响幅值下降更为明显。

3车编组时Cmax−3为0.303 9，8车编组时Cmax−8为0.531 3，幅值增大了74.8%；3车编组时Cmin−3为−1.046 9，8车编组时Cmin−8为−1.175 5，幅值增大了12.3%，其中最大正压的增幅显著强于最大负压。3车编组时△−3为1.350 8，8车编组时△−8为1.706 8，幅值增大了26.4%。

图10 列车隧道交会压力变化过程

3 结论

1) 对于明线交会而言，压力波幅值沿车长方向分布规律一致，且各编组长度列车的头车区域交会压力波幅值差异均不超过1.5%；随着编组长度增加，越靠近尾车，车体表面交会压力波幅值略有增大。列车交会压力波尾波受编组长度影响明显，变化可达11%。但交会压力波主要由头波决定，因此用短编组模型进行明线交会压力波的模拟是可 行的。

2) 对于列车通过隧道以及于隧道中心处交会而言，车体表面幅值随着编组长度增加而增加，列车通过隧道时△从3车编组时的0.881 9到8车编组时的1.005 1，幅值增大了14.0%。列车于隧道中心处交会时△从3车编组时的1.350 8到8车编组时的1.706 8，幅值增大了26.4%。正峰值的差异是因为随编组长度的增加，列车进入隧道产生的压缩波与来自车尾膨胀波的时间间隔更长。负峰值的差异因为长编组列车进入隧道所产生的压缩波强度略大，因此经隧道口反射后作用于观测列车的膨胀波强度也略大。

[1] Baker C. The flow around high speed trains[J]. Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics, 2010, 98(Suppl 6–7): 277−298.

[2] 马伟斌, 张千里, 刘艳青. 中国高速铁路隧道气动效应研究进展[J]. 交通运输工程学报, 2012, 12(4): 25−32.

MA Weibin, ZHANG Qianli, LIU Yanqing. Study evolvement of high-speed railway tunnel aerodynamic effect in China[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2012, 12(4): 25−32.

[3] 蔡军爽, 张洁, 刘堂红. 基于DES的高速列车气动阻力分布特性研究[J]. 铁道科学与工程学报, 2014, 11(5): 64−69.

CAI Junshuang, ZHANG Jie, LIU Tanghong. Study on distribution characteristics of aerodynamic drag of high-speed train based on DES[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2014, 11(5): 64−69.

[4] 牛纪强, 梁习锋, 周丹, 等. 动车组过隧道时设备舱气动效应动模型试验[J]. 浙江大学学报(工学版), 2016, 50(7): 1258−1265.

NIU Jiqiang, LIANG Xifeng, ZHOU Dan, et al. Equipment cabin aerodynamic performance of electric multiple unit going through tunnel by dynamic model test[J]. Journal of Zhejiang University (Engineering Science), 2016, 50(7): 1258−1265.

[5] 李永乐, 杨怿, 吴梦雪, 等. 侧向风作用下桥上列车交会过程的空气动力特性[J]. 中国铁道科学, 2015, 36(2): 37−44.

LI Yongle, YANG Yi, WU Mengxue, et al. Aerodynamic characteristics in the process of two trains passing each other on bridge under cross wind action[J]. China Railway Science, 2015, 36(2): 37−44.

[6] 梅元贵, 孙建成, 许建林, 等. 高速列车隧道交会压力波特性[J]. 交通运输工程学报, 2015, 15(5): 34−43.

MEI Yuangui, SUN Jiancheng, XU Jianlin, et al. Crossing pressure wave characteristics of high-speed trains in tunnel[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2015, 15(5): 34−43.

[7] Muld T W, Efraimsson G, Henningson D S. Wake characteristics of high-speed trains with different lengths[J]. Journal of Rail and Rapid Transit, 2014, 228(4): 333−342.

[8] GUO D, SHANG K M, ZHANG Y, et al. Influence of affiliated components and train length on the train wind[J]. Acta Mechanica Sinica, 2016, 32(2): 191−205.

[9] Bell J R, Burton D, Thompson M C, et al. Moving model analysis of the slipstream and wake of a high-speed train[J]. Journal of Wind Engineering and Industrail Aerodynamics, 2015(136): 127−137.

[10] 田红旗. 列车空气动力学[M]. 北京: 中国铁道出版社, 2007: 161−162.

TIAN Hongqi. Train aerodynamics[M]. Beijing: China Railway Publishing House, 2007: 161−162.

[11] 黄志祥, 陈立, 蒋科林. 高速列车模型编组长度和风挡结构对气动阻力的影响[J]. 实验流体力学, 2012, 26(5): 36−41.

HUANG Zhixiang, CHEN Li, JIANG Kelin. Influence of length of train formation and vestilule diaphragm structure on aerodynamic drag of high speed train model[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2012, 26(5): 36−41.

[12] 毛军, 郗艳红, 杨国伟. 列车编成辆数对高速列车横风气动特性影响的数值分析[J]. 中国铁道科学, 2012, 33(1): 78−85.

MAO Jun, XI Yanhong, YANG Guowei. Numerical analysis on the influence of train formation on the aerodynamic characteristics of high-speed trains under crosswind[J]. China Railway Science, 2012, 33(1): 78− 85.

[13] EN-14067-3-2003, Railway applications-aerodynamics- part 3: aerodynamics in tunnels[S].

[14] Ricco P, Baron A, Molteni P. Nature of pressure waves induced by a high-speed train travelling through a tunnel[J]. Journal of Wind Engineering and Industrail Aerodynamics, 2007(95): 781−808.

[15] Martinez A, Vego E, Gaite Z, et al. Pressure measurements on real high-speed trains travelling through tunnels[C]// BBAA VI International Colloquium. Italy: 2008: 1−11.

[16] 唐荥. 高速列车进出隧道口受电弓气动载荷研究[D]. 长沙: 中南大学, 2014.

TAND Xing. Research on aerodynamic load on pantograph when a high-speed train passing in and out tunnel[D]. Changsha: Central South University, 2014.

[17] 章磊. 高速列车隧道通过气动性能研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2009.

ZHANG Lei. Study on aerodynamic performance of high-speed trains through the tunnel[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2009.

[18] 田红旗. 中国高速轨道交通空气动力学研究进展及发展思考[J]. 中国工程科学, 2015, 17(4): 30−41.

TIAN Hongqi. Development of research on aerodynamics of high-speed rails in China[J]. Engineering Sciences, 2015, 17(4): 30−41.

Numerical simulation of impact of train length on alternating pressure load

ZHOU Dan, JIA Lirong, NIU Jiqiang

(Key Laboratory of Traffic Safety on Track, School of Traffic & Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Based on the standard-equation turbulence mode, using sliding mesh method, different length of trains (3 cars, 4 cars, 5cars and 8cars) passing by each other, operation and passing in the tunnel of worst length were all simulated. The pressure load on train surface was analyzed. Numerical results were compared with measurements from the full-scale train test. The wave shape fits well and the maximum error is below 6%. The results showed that the amplitude of pressure tail wave reduced by 11% in trains with 3 cars to 8 cars when pass by each other. The distribution regularity of pressure in the train is not changed by the train length, but the effect of the train length on pressure amplitude is obvious when operate and pass in the tunnel of worst length. The peak to peak of pressure reduced by 14.0% in trains with 3 cars to 8 cars when operation in tunnel, the value reduced by 26.4% when passing in tunnel.

high-speed train; train length; passing by each other; tunnel; alternating pressure

U27；V211

A

1672 − 7029(2018)01 − 0001 − 07

2016−12−21

湖南省自然科学基金资助项目(14JJ3028)；中国铁路总公司重大课题资助项目(2016ZB17)；湖南省研究生科研创新资助项目(CX2015B046)

周丹(1980−)，女，湖北武汉人，副教授，博士，从事列车空气动力学研究；E−mail：zd_lzj@126.com