高路堤上列车横风荷载的分布研究

曾永平，李永乐，张明金，宋莎嘉，苏延文，唐平

高路堤上列车横风荷载的分布研究

曾永平1, 2，李永乐1，张明金1，宋莎嘉1，苏延文2，唐平1

(1. 西南交通大学 桥梁工程系，四川 成都 610031; 2. 中国中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031)

为研究横风作用下高路堤上列车的气动荷载分布规律，保证列车运行的安全性，基于计算流体动力学方法，通过FLUENT软件对典型路堤上不同车辆的列车气动力进行数值模拟仿真分析，并探讨风速的影响，采用BANSYS软件进行列车风致行车安全性的研究。通过区域无关性和网格无关性分析，验证所建立的列车-高路堤三维数值模型的合理性。研究结果表明:各节车所受阻力随风速增大而上升，中间车所受阻力大于头车，且风速越大两者之间差值越大。各节车所受升力差异较小，且随风速增大而下降。当风速达到30 m/s时，车速若低于250 km/h，车辆行车安全性满足要求；车速若高于300 km/h，车辆的横向加速度超过限值。

高路堤；高速列车；横风荷载；数值模拟；行车安全性

1999年秦沈客运专线的开工建设，标志着中国铁路正式进入高速铁路建设的新时代，高速运输也就成为现代铁路的发展方向[1−2]。高速铁路的发展理念一直以“安全、可靠、舒适”为主，造就了现今高速铁路系统高品质和高可靠性的特点。它具备速度高、载客量大、安全性高和舒适性好等优点，很大程度上满足了人类对交通工具日益增长的需求[3−5]。随着列车运行速度的提高，列车的气动性能也会随着列车所受到的升力和俯仰力矩的增加而恶化。在我国高速铁路的建设中，由于地形的多样性，往往需要设置高路堤以满足列车线路标高要求，而且，与平地运行环境下也有较大差异。相比于在平地上行驶的列车，高路堤结构对列车的气动影响更为复杂，高路堤运行环境下，不同速度的列车横风荷载分布是不同的[6−10]。Tomasini等[11]通过风洞试验，开展了不同风向角下路堤上的列车气动力测试。Fujii等[12]通过风洞试验研究，研究单线铁路不同路堤坡度对头车、中间车气动力的影响。Suzuki等[13]利用数值模拟的方式模拟高速列车在高路堤上行驶的过程。通过对列车的外流场特性的研究和分析，发现当列车在高路堤上运行时，列车本身受到的气动力比在低路堤运行时的大很多，并且列车运行情况与大气边界层密切相关。Diedrichs等[14]提出列车在高路堤上运行时的容许最大风速的标准，认为该容许最大风速不可以超过当列车在平地上运行时的80%。Baker等[15]建立一个专门分析风洞实验数据结果的框架，使得在风洞进行模拟的实验结果与在线实车实验的数据结果尽可能相接近，研究发现在路堤上行驶的高速列车气动力的大小会受到路堤几何形状的影响。本文以高速铁路典型高路堤线下结构类型为研究背景，建立列车−高路堤三维数值模拟模型，研究高路堤上行驶的高速列车在不同运行风速下，其头车、中车和尾车的横风荷载的分布情况，并分析得到高路堤线路形式下列车的气动性能的影响规律，最后对列车风致行车安全性进行分析。

1 工程背景

本文所有工况的列车模型均选取3编组CRH3列车，包含头车、中间车和尾车。为方便网格划分，对车辆模型进行适当简化(包括车顶、车门、车床以及车底转向架等)，但保持车辆外形及投影面积不变，以保证列车整体气动特性。列车总长度为74 m，绿色为头车，黄色为中间车，红色为尾车。其中头车、尾车的长为24.66 m，宽为3.25 m，高为3.44 m；中间车的长为24.68 m，宽为3.25 m，高为3.44 m，如图1所示。选取的路堤为我国沿海某高速铁路客运专线路堤断面，路堤高度取为6 m，路堤坡度为1.5，如图2所示。

图1 列车示意图

图2 路堤示意图

2 数值计算

2.1 计算模型

首先采用ICEM 软件构建流动区域的几何形状，划分计算区域的网格，并输出能导入到FLUENT的求解器网格格式，最后利用FLUENT软件设定相关参数进行求解计算。

使用ICEM划分网格前需要确定计算区域。本文中所有工况数值模型的计算区域均参照图3取用，即计算区域宽度1为130 m，高度2为160 m，计算区域长度3为取列车3倍车长222 m。这样既消除了模型两端的边界效应的影响又保证阻塞率小于5%，满足数值风洞计算的要求。大气边界层考虑为均匀流，对模型进行定常分析。

在进行网格划分时，从列车两端到计算区域两端采用放射性网格，考虑到列车外形较为复杂，在列车车身周围的网格进行单独划分，并进行网格加密，另外考虑到地面附近空气流动会产生突变，利用ICEM网格节点划分的Hyperbolic命令，地面附近的网格进行了加密，整个模型最小网格尺寸约0.3 m。列车网格划分示意图见图4。

(a) 计算区域正面示意图；(b) 计算区域侧面示意图

图4 列车网格划分示意图

参照上述的计算区域选取和网格划分方式，模型网格数量为335万，高路堤与列车模型网格示意图如图5所示。图5中蓝色部分边界条件设为速度入口，黄色部分边界条件设置为压力出口，红色部分边界条件设置为对称边界。

除了计算区域和网格划分外，在FLUENT中选取合理的湍流模型来模拟空气流动也极为重要。其中，SST-湍流模型收敛性较好、计算精度较高，运用较为普遍且比较适合模拟近壁自由流。因此，本次选用SST-模型。其中，数值计算模型缩尺比为1/1，并选取压力修正的SIMPLE算法，离散格式均选取精度较高的二阶离散格式。

图5 高路堤与列车模型网格示意图

为了验证计算区域的选取和网格划分方式的合理性，从而进一步保证计算结果的可靠性，分别进行计算区域无关性和网格数量无关性的验证。进行计算区域无关性验证时，将原计算区域(如图3)的长、宽和高均扩大1倍，即新的计算区域长444 m，宽260 m，高320 m。采用相同的网格划分方式，数值计算参数均不变。进行网格数量无关性验证时，保证计算区域大小不变，将网格数量增大1倍，即670万，数值计算参数均不变。

3种工况计算结果见表1。对比结果可知，区域无关性和网格无关性检验与原模型计算结果吻合较好，表明本文中网格数量与计算区域的选取是合理的，故后续所有计算模型均采用相同的计算区域和网格划分方法。

表1 区域无关性和网格无关性结果对比

2.2 计算工况

为了探究列车处于高路堤环境中的风荷载特性，模拟计算列车处于高路堤线路上，分别受到15，20，25，30以及40 m/s共5种横风时头车和中间车所受风荷载。

3 计算结果及分析

本文所选的列车模型为3编组CRH3列车，头车和尾车外形一致，模型关于中间车完全轴对称，故头车和尾车所受风荷载基本一致，只是头车和中间车外形有一定差异，所以高路堤模型只对比头车和中间车的结果。表2为列车处于路堤环境中受到以上5种风速时头车和中间车所受风荷载对比。

图6为列车处于高路堤环境下受到5种不同风速时头车和中间车所受阻力的对比，由图6可见，同一风速条件下，头车和中间车所受阻力有一定差异，中间车所受阻力大于头车，且风速越大差异越大。图7为风速25 m/s时，高路堤上列车车体中心处断面的静压迹线图，由图7可见，中间车迎风侧均为正压，背风侧均为负压；而头车迎风侧在车头处附近受到绕流的影响，存在一定的负压区域，且车头鼻尖处负压极值达到近−1 000 Pa，故头车迎风侧压力较中间车迎风侧压力有一定下降。另一方面，中间车为通长断面，头车车头处为渐近缩小断面，迎风侧挡风面积相对于中间车有一定减小，故与中间车相比头车迎风侧正压区域必定有一定减少。综合以上2个方面原因，头车所受阻力比中间车要小，且风速越大，两者差值越大。

表2 列车处于高路堤上头车和中间车风荷载

图6 高路堤上列车阻力对比

图8为列车处于高路堤环境下在5种不同风速的情况下头车和中间车所受升力的对比，由图8可见，头车和中间车所受升力随风速上升而下降，且头车和中间车所受升力差异较小。这可能是因为头车和中间车车底和车底的投影面积基本相同，头车和尾车在车顶和车底处压力分布差异较小，故头车和尾车所受升力差异较小。图9为高路堤上列车中间断面的静压迹线云图，图10为高路堤上列车中间断面速度迹线云图。由图8可见，来流风一部分经过在列车迎风侧顶部处分离，绕过列车在背风侧形成漩涡，另一部分通过列车底部间隙流到背风侧。列车底部间隙小，造成来流风速有一定增大，列车底部风压减小。由于来流在迎风侧分离，列车顶部风速较低，列车顶部风压相对于底部要高得多。基于以上分析，头车和尾车升力为负值，且风速越大，导致车顶与车底压差增大，头车和尾车所受升力值随风速增大而下降。

图7 高路堤上列车车体中心处静压迹线云图

图8 高路堤上列车升力对比

图9 高路堤上中间车中间断面静压迹线云图

图10 高路堤上中间车中间断面风速迹线云图

4 列车风致行车安全性研究

风−车−线耦合振动分析中，除了线路类型和轨道不平顺外，对列车振动影响最大的因素为横风的风速和列车的车速。探究不同风速和车速条件下，列车在不同类型线路上运行时的行车安全性。

横风作用下，运动列车所受风荷载包括3个方面：平均风作用产生的静风力、脉动风作用产生的抖振力以及列车运动产生的自激力。列车所受静风力按以上所计算的列车风荷载数据作为参考，列车单位长度上抖振力参照考虑气动导纳修正的Scanlan 准定常气动力求解，见式(1)。列车断面较钝，且列车在运行时横向运动幅度较小，列车的气动耦合效应较弱，故计算时可以忽略列车的自 激力。

采用BANSYS进行计算分析，列车采用8编组列车：2×(动车+拖车+拖车+动车)。各节车的静风力通过静力三分力系数输入BANSYS软件，5种线路环境下动车和拖车的静力三分力系数通过以上所求的风荷载通过式(2)计算而得。不同风速条件下，受到雷诺数效应的影响，各节车的所受风荷载有一定差异，各节车的静力三分力有所不同。

式中：为空气密度；为横风风速；C，C和C为体轴坐标系下列车三分力系数；，和分别为列车长度、高度和宽度。

分析4种不同风速(包括15，20，25以及30 m/s)环境中，列车以5种不同的车速(包括150，200，250，300以及350 km/h)运行时的工况。列车运行的工况设置见表3所示。

得到各工况下车辆各项动力响应见表4。由表4可见，当风速低于25 m/s且车速低于350 km/h时，车辆各项响应均低于规范限值。当风速达到30 m/s时，车速若低于250 km/h，车辆行车安全性也能满足要求；车速若高于300 km/h，车辆的横向加速度会超过限值，建议该条件下列车停运或降速运行。

表3 工况设置

表4 横风环境下列车在高路堤上运行时车辆响应

5 结论

1) 建立列车−高路堤三维数值模型，通过区域无关性和网格无关性分析，验证了本模型的合 理性。

2) 列车处于高路堤环境中时，各节车所受阻力随风速增大而上升，中间车所受阻力大于头车，且风速越大两者之间差值越大。

3) 各节车所受升力差异较小。风速越大，车顶与车底压差增大，且头车和尾车所受升力值随风速增大而下降。

4) 当风速低于25 m/s且车速低于350 km/h时，车辆各项响应均低于规范限值。当风速达到30 m/s时，车速若低于250 km/h，车辆行车安全性也能满足要求；车速若高于300 km/h，车辆的横向加速度超限，建议列车停运或降速运行。

[1] 沈之介. 加快我国高速铁路的发展[J]. 中国铁路, 1993(7): 1−4. SHEN Zhijie. High-speed railways in China calls for faster development[J]. Chinese Railways, 1993(7): 1−4.

[2] 钱立新. 世界高速列车技术的最新进展[J]. 中国铁道科学, 2003, 24(4): 1−11. QIAN Lixin. Recent technical development of high-sped trains in the world[J]. China Railway Science, 2003, 24(4): 1−11.

[3] 钱立新. 速度350 km/h等级世界高速列车技术发展综述[J]. 中国铁道科学, 2007, 28(4): 66−72. QIAN Lixin. Summary of the technical development of high-speed train with the speed of 350 km/h in the world[J]. China Railway Science, 2007, 28(4): 66−72.

[4] Ellwanger G, Wilckens M. European high-speed transport: A service with future[J]. Rail International, 1994(1): 2−12.

[5] 唐士晟, 史永革, 张小勇. 新疆铁路百里风区大风特征统计分析[J]. 铁道技术监督, 2010, 39(1): 36−40. TANG Shisheng, SHI Yongge, ZHANG Xiaoyong. Statistical analysis on characteristics of the strong wind along the 100km-long wind area in Xinjiang region[J]. Railway Quality Control, 2010, 39(1): 36−40.

[6] Cheli F, Belforte P, Melzi S, et al. Numerical– experimental approach for evaluating cross-wind aerodynamic effects on heavy vehicles[J]. Vehicle System Dynamics, 2006, 44(Suppl 1): 791−804.

[7] 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. TAN Shengen, LI Xuebing, ZHANG Jiye, et al. The flow field structure and the aerodynamic performance of high speed trains running on embankment under cross wind[J]. Rolling Stock, 2008, 46(8): 4−8.

[8] Bocciolone M, Cheli F, Corradi R, et al. Crosswind action on rail vehicles: wind tunnel experimental analyses[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2008, 96(5): 584−610.

[9] 苗秀娟. 瞬态风荷载下的列车运行安全性研究[D]. 长沙: 中南大学, 2012. MIAO Xiujuan. Train operation safety under transient wind load[D]. Changsha: Central South University, 2012.

[10] 周丹, 田红旗, 鲁寨军. 大风对路堤上运行的客运列车气动性能的影响[J]. 交通运输工程学报, 2007, 7(4): 6−9. ZHOU Dan, TIAN Hongqi, LU Zhaijun. Influence of strong crosswind on aerodynamic performance of passenger train running on embankment[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2007, 7(4): 6−9.

[11] Tomasini G, Giappino S, Corradi R. Experimental investigation of the effects of embankment scenario on railway vehicle aerodynamic coefficients[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2014, 131: 59−71.

[12] Fujii T, Maeda T, Ishida H, et al. Wind-induced accidents of train/vehicles and their measures in Japan[J]. Quarterly Report of RTRI, 1999, 40(1): 50−55.

[13] Suzuki M, Nakade K, Fujimoto. Study on interaction between vehicle dynamics and aerodynamic force on high speed train in tunnel[J]. RTRI Report, 2001, 15(5): 19− 24.

[14] Diedrichs B, Sima M, Orellano A, et al. Crosswind stability of a high-speed train on a high embankment[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit, 2007, 221(2): 205−225.

[15] Baker C J, Jones J, Lopez-Calleja F, et al. Measurements of the crosswind forces on trains[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2004, 92: 547−563.

(编辑 阳丽霞)

Study on the distribution of wind load of the train on the high embankment

ZENG Yongping1, 2, LI Yongle1, ZHANG Mingjin1, SONG Shajia1, SU Yanwen2, TANG Ping1

(1. Department of Bridge Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. China Railway Eryuan Engineering Group Co., Ltd, Chengdu 610031, China)

In order to investigate the distributions of wind loads of vehicles on the high embankment and ensure the safety of operating vehicles, numerical simulations of wind loads of different vehicles on the typical high embankment were conducted with FLUENT software, based on computational fluid dynamics (CFD). The influences of wind speeds were discussed as well. And running safety of vehicle under cross wind was conducted using BANSYS software. The validity of the established three-dimensional vehicle-high embankment model were verified by zone and mesh independences analyses. The results show that: drag force of train increases as wind speed increases, drag force of middle train is greater than that of head train, and the greater the wind speed is, the greater the difference between these two types of trains. Difference of lift force between middle train and head train is small, and the difference decreases as the wind speed increases. When the wind speed is 30 m/s and the vehicle speed is smaller than 250 km/h, the safety of vehicle meets the demands, while the vehicle speed is larger than 300 km/h, the lateral acceleration exceeds the limit.

high embankment; high speed train; crosswind loads; numerical simulation; running safety

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2018.10.003

U270.11

A

1672 − 7029(2018)10 − 2471 − 07

2017−08−17

国家重点研发计划资助项目(2017YFB1201204)；国家自然科学基金资助项目(U1334201)

曾永平(1982−)，男，湖南邵东人，高级工程师，从事桥梁结构设计研究；E−mail：12543706@qq.com