强侧风下城际动车组非定常气动特性研究

李玉坤，周丹



强侧风下城际动车组非定常气动特性研究

李玉坤，周丹

(中南大学 轨道交通安全教育部重点实验室，湖南 长沙 410075)

通过分离涡模拟(DES)数值计算方法，对强侧风中不同行驶工况下某新型城际动车组的非定常气动特性进行研究，计算得到各工况下该型城际动车组所受非定常气动力的时域特性、频域特性，以及列车周围的非定常流场结构。研究结果表明：在强侧风作用下，列车所受气动力存在明显的非定常性，随着路堤高度的增加，非定常性更加显著；非定常气动载荷的主要频率出现在0~50 Hz，峰值频率主要出现在0~8 Hz，应考虑气动载荷频率与车身固有频率接近而可能造成的共振问题；随着路堤高度的增加，转向架和风挡区域流场扰动更加剧烈。

强侧风；城际动车组；非定常；分离涡方法

城际铁路成为轨道交通行业未来发展的新趋势，城际铁路以短途、快速、运转灵活等特点，与普通铁路和高速铁路形成优势互补。《城际铁路设计规范》规定：城际铁路是指专门服务于相邻城市间或城市群，旅客列车设计速度200 km/小时及以下的快速、便捷的交通设施。随着城际铁路的快速发展，由于动车组的轻量化设计，导致动车组自重轻，抗倾覆能力低，强侧风下城际动车组的空气动力学问题越来越突出[1]。在某些特殊的风环境，如高架桥、路堤、丘陵及山口的风口地段，列车的扰流流场改变更为突出，导致列车脱轨、倾覆的可能性大大增加。由大风导致的事故在世界各国时有发生，对乘客的生命和财产安全构成严重威胁[2−3]。过去大风导致的事故通常发生在普速列车上，而动车组出于安全性的考虑，在设计之初就进行了相关优化，因此目前为止还没有相关事故在动车组上发生过，但由于动车组的轻量化设计，导致动车组自重轻，抗倾覆能力低，因此对强侧风下动车组的气动特性进行研究是很有必要的。已有的研究多针对于运行时速低于120 km/h的普速列车和高于250 km/h的高速列车，针对强侧风城际动车组气动性能的研究尚且不多。邢海英等[4]利用动模型试验的方法对CRH3A型城际动车组的气动性能进行了研究；于庆斌[5]利用风洞试验的方法对城际动车组的气动性能进行了研究；张亮等[6]将空气动力学与多体系统动力学结合起来，研究了横风下高速列车的非定常气动特性及安全性；郗艳红等[7]用采用分离涡方法模拟了恒定风场中高速列车绕流的非定常流动，在时域和频域内分析了车辆气动特性的瞬态性质；刘加利等[8]在列车空气动力学和系统动力学相结合的基础上研究了横风下高速列车气动载荷。Hassan等[10]通过研究指出，横风导致列车所受非定常气动力的频率较低，接近列车的固有频率。以往由于受计算规模的限制，多将计算简化为定常问题或者将三维问题简化为二维问题进行研究。本文以我国某新型城际动车组为分析对象，利用三维分离涡方法(DES)模拟列车周围的瞬态流场，研究了该车所受气动载荷的非定常性及列车周围非定常流场结构，并分析了路堤高度对于该型城际动车组所受非定常气动载荷的影响，以期为我国城际动车组在强侧风环境下的行车安全设计提供参考。

1 数学模型与计算方法

本文计算采用DES方法求解整个流场。DES方法可视为非稳态RANS方法与LES方法的结合。该方法在整个边界层区域采用非稳态RANS求解，用LES对其余部分进行模拟。所采用的RANS模型为SST-2方程模型。

本文数值计算工作利用流场计算软件fluent完成。计算中马赫数小于0.3，按不可压处理；速度压力耦合采用SIMPLEC算法。考虑计算精度和计算效率2方面原因，确定非定常计算时间步长为5×10−5s，通过监测流动变量的残差以保证每一个时间步内的计算收敛。

2 计算模型、区域及边界条件

2.1 计算模型

本文计算模型采用3车编组的某新型城际动车组模型，即由1节头车、1节中车、1节尾车组成，长度分别为6.7，6.3和6.7，如图1所示，其中为车高(此处为3.85 m)，车辆之间以风挡连接。为了较真实地计算城际动车组所受的气动载荷，对转向架、风挡等细部特征进行了模拟。图2给出了模拟所用的路堤模型示意图。

图1 列车模型图

图2 路堤模型图

2.2 计算网格

采用OpenFOAM软件中的SnappyHexMesh模块对数值计算区域进行离散。为了准确模拟城际动车组所受气动载荷，对车体周围主要关心区域进行了加密处理。车体表面采用10层棱柱形网格模拟附面层边界，计算网格及附面层见图3，网格总数超过5 000万。

图3 计算网格

2.3 计算区域

计算域及边界条件设置如图4所示。为保证横风下列车周围流场的充分发展以及减小边界条件的影响，列车前部距离为10，距离横风出口为18.8；计算域高度为10。将面和面设置为速度入口，面和面设置为压力出口，面、面给定壁面边界条件。

图4 计算域及边界条件

2.4 气动力系数定义

空气压力、力和力矩系数定义为：

2.5 计算方法验证

为验证数值模拟计算方法的可靠性，在中国空气动力研究与发展中心低速所8 m×6 m大型低速风洞中进行列车风洞试验，试验模型为CRH2动车组模型，如图5所示。数值计算中建立与风洞试验相同的1:8缩比列车模型及风洞流域尺寸计算模型。将风洞来流速度60 m/s，风偏角19.8°作为数值计算中的来流速度，以保证风洞试验与数值模拟的雷诺数等相关参数的一致；将地面设为无滑移壁面边界条件，以保证和风洞试验的地面条件一致。

将数值计算结果时均化后与风洞试验结果比较，对比结果见表1和表2。从对比结果可以看出，本文所使用的计算方法及各项设置是合理的。

图5 CRH2动车组模型

表1 数值计算侧向力系数与风洞试验对比

表2 数值计算升力系数与风洞试验对比

Table 1 Comparison between experimental results and calculation results for the lift force coefficient

3 计算结果分析

3.1 车体所受气动载荷的时域特性

通过对平地和不同路堤高度(3，6和9 m)上运行的城际动车组进行数值模拟，得到城际动车组在各种工况下所受非定常气动载荷信息及其周围非定常流场结构。计算发现，头车所受各项气动载荷均为最大，此处以来流速度60 m/s，侧滑角19.8°，不同高度路堤上运行的城际动车组头车为代表，进行车体所受非定常气动载荷的时域分析。图6给出了该不同工况下，头车的侧向力、升力及倾覆力矩系数随时间变化的时程曲线。

表3给出了不同路堤高度下头车所受各项气动力的均方根值。由表3可以看出：当路堤高度从0增加到9 m，头车各项气动力及力矩均大幅增加，其中侧向力增大了64.5%，升力增大了108.1%，倾覆力矩的绝对值增大了57.4%，升力的增幅最为显著，应考虑升力大幅增加而可能引起的运行安全性问题。

(a) 侧向力系数；(b) 升力系数；(c) 倾覆力矩系数

3.2 车体所受气动载荷的频域特性

为了进一步研究城际动车组在强侧风作用下所受非定常气动力的脉动特性，对不同高度路堤上头车所受非定常气动力信号进行快速傅里叶变换，得到其频谱分布情况。

3.2.1 侧向力的频域特性

图7所示为不同路堤高度上列车各部分的侧向力功率谱密度曲线。由图5可知，不同工况下列车各部分的侧向力功率谱密度峰值主要集中于0~50 Hz的范围内，但各部分的功率谱密度峰值的最大值以及最大值所对应的频率有所不同。对于头车来说，功率谱密度峰值最大值为3.3×10−4，出现在平地上，对应频率为2 Hz，其次为9 m路堤，6 m路堤和3 m路堤上，对应的功率谱密度峰值为1.47×10−4，1.05×10−4和1.31×10−5，对应频率为12，2和2 Hz；对于中车来说，功率谱密度峰值最大值为1.9×10−3，出现在9 m路堤上，对应频率为2 Hz，其次为6 m路堤，3 m路堤和平地上，对应的功率谱密度峰值为1.1×10−3，7.58×10−4和5.74×10−4，对应频率分别为4，2和2 Hz；对于尾车来说，功率谱密度峰值的最大值为3.56×10−3，出现在6 m路堤上，对应频率为2 Hz，其次为9 m路堤，3 m路堤和平地上，对应功率谱密度峰值为1.02×10−3，8.86×10−4和2.84×10−4，对应频率分别为6，4和2 Hz。

表3 头车各项气动力系数均方根值

(a) 头车；(b) 中车；(c) 尾车

3.2.2 升力的频域特性

图8所示为不同路堤高度上列车各部分升力系数的频域特性曲线，由图6可知，不同工况下列车各部分的升力系数功率谱密度峰值主要集中于0~50 Hz的范围内，但各部分的功率谱密度峰值的最大值以及最大值所对应的频率有所不同。对于头车来说，功率谱密度峰值最大值为1.28×10−3，出现在9 m路堤上，对应频率为8 Hz，其次为6 m路堤、平地和3 m路堤上，对应的功率谱密度峰值为7.9×10−3，6.28×10−4和2.02×10−4，对应频率分别为2，2和6 Hz；对于中车来说，功率谱密度峰值最大值为2.79×10−3，出现在9 m路堤上，对应频率为4 Hz，其次为3 m路堤、6 m路堤和平地上，对应的功率谱密度峰值为2.34×10−3，1.66×10−3和9.24×10−4，对应频率为2，4和2 Hz；对于尾车来说，功率谱密度峰值的最大值为4.98×10−3，出现在9 m路堤上，对应频率为4 Hz，其次为6 m路堤，3 m路堤和平地上，对应功率谱密度峰值为2.49×10−3，3.91×10−4和3.46×10−4，对应频率分别为4，2和2 Hz。

(a) 头车；(b) 中车；(c) 尾车

3.2.3 倾覆力矩的频域特性

图9所示为不同路堤高度上列车各部分倾覆力矩系数的频域特性曲线，由图6可知，不同工况下列车各部分的升力系数功率谱密度峰值主要集中于0~50 Hz的范围内，但各部分的功率谱密度峰值的最大值以及最大值所对应的频率有所不同。对于头车来说，功率谱密度峰值最大值为4.37×10−4，出现在平地上，对应频率为4 Hz，其次为9 m路堤、6 m路堤和3 m路堤上，对应的功率谱密度峰值为2.00×10−4，1.08×10−4和3.27×10−5，对应频率分别为8，2和2 Hz；对于中车来说，功率谱密度峰值最大值为5.16×10−4，出现在9 m路堤上，对应频率为2 Hz，其次为6 m路堤、3 m路堤和平地上，对应的功率谱密度峰值为1.83×10−4，8.53×10−5和3.96×10−5，对应频率为2，14和4 Hz；对于尾车来说，功率谱密度峰值的最大值为7.13×10−4，出现在6 m路堤上，对应频率为2 Hz，其次为9 m路堤，3 m路堤和平地上，对应功率谱密度峰值为5.16×10−4，2.53×10−4和1.52×10−4，对应频率分别为26，4和2 Hz。

3.3 车体周围流场结构

列车周围流场的非定常流动是产生非定常气动力的主要原因，为进一步研究车体周围流场的非定常流动以及路堤高度对列车周围流场非定常流动的影响，对其周围流场结构进行分析。

针对瞬态流场，用等值面显示漩涡的位置。定义为

式中：和是指速度梯度的对称和反对称，等值面图取自=0.6 s时刻的流场，并由时均速度进行渲染。

从图10可见，在强侧风作用下，列车的背风侧生成了许多尺度不同的涡。其中主要的涡有以下5个：1为头车第一个转向架部分产生的涡，这个涡的尺度仅次于2，并独立与其他涡在背风侧发展；2为气流在车体背风侧发生流动分离而产生的涡，这个涡尺度最大，影响范围最广；3为列车第1个风挡部位产生的涡，4为列车第2个风挡部位产生的涡，这2个涡的尺度相对都较小，最终与2融合在一起；5为气流在尾车发生流动分离而生成的涡，尺度也较小，并最终与2，3和4融合在一起，并向下游发展，形成十分复杂的尾涡区。这些涡的生成、脱落、融合都具有很强的非定常性，这些非定常流场结构是产生非定常气动力的根本原因。为了进一步研究涡的生成和发展规律，以及路堤高度对流场结构的影响，取不同工况下车身不同位置处横截面的涡量图如图11所示。

(a) 头车；(b) 中车；(c) 尾车

图10 3 m路堤工况下列车Q等值面图(Q=20 000)

图9所示为不同路堤高度下车身不同位置处横截面的涡量云图，5个截面位置分别位于1，2，3，4和5这5个涡的产生位置处。从图9可以看出，在不同路堤高度下车身不同位置处的流场具有相似的结构：在1截面处，1开始生成，此时图中仅有这一个涡存在；在2截面处，2开始生成，此时图中有2个涡存在，1的影响范围在扩大，但是涡量强度开始下降；在3截面处，3和3′开始生成，其中3'是列车第2、3个转向架位置产生的涡，在等值面图中由被2挡住，所以并没有直观地表现出来；在4截面处，4和4′开始生成，其中4′产生于列车第4、5个转向架位置处，3由于与2融合所以并不明显，3′进一步发展，尺度与2相当，1在此截面已经不太明显；在5截面处，由于前面的涡融合在一起，已经不能明显地区分每个涡的位置，仅能看出5的位置。而随着路堤高度的增加，在超出路堤宽度的地方，列车背风侧的流动不再受地面的限制，因此脱落涡得到了更充分的发展，涡强度进一步增强，导致列车所受气动载荷的非定常性更加显著。

结合图9和图10来看，在车辆的设计过程中如果将车辆表面设计得尽量光滑无突变结构，可以减少风挡处分离涡的生成，提高车辆在强侧风下的气动特性。

为了分析不同工况下列车周围的压力分布，取不同工况下与图11相同位置处车身横截面压力云图与如图12所示，由于5截面处已超出车身长度，该截面处各部分压力分布趋于一致，因此未给出5截面处压力云图。由图12可以看出，不同路堤高度上车身不同位置处压力云图具有相似的结构，随着路堤高度的增加，列车背风侧负压区的影响范围逐渐增大，这是造成列车所受侧向力和倾覆力矩增大的主要原因。

(a) 平地；(b) 3 m；(c) 6 m；(d) 9 m

图12 不同工况下车身不同位置处横截面压力云图

4 结论

1) 在强侧风的作用下，作用在该型城际动车组上的气动载荷具有非定常性，且随着路堤高度的增大，各项气动载荷系数迅速增大，波动也显著增大，非定常性更加明显，从平地到9 m路堤，头车的侧向力增大了64.5%，升力增大了108.1%，倾覆力矩的绝对值增大了57.1%。在设计线路时应考虑侧向力、升力及倾覆力矩急剧增大所带来的后果。

2) 气动载荷的峰值结果远大于其时均化的结果，因此在计算强侧风下城际动车组运行安全性分析时，必须考虑气动载荷的非定常效应。

3) 频谱分析表明，非定常气动载荷的频率集中于0~100 Hz，气动载荷峰值大致集中于0~8 Hz，随路堤高度的增大，峰值出现的频率范围几乎不变，但峰值的幅值有显著的增加，应注意到气动载荷频率与车身固有频率接近所可能引起的共振问题。

4) 随路堤高度的增加，列车转向架和风挡处涡强度显著增加，应考虑转向架区域气流扰动可能带来的行车安全性问题。

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Study on the unsteady aerodynamic characteristics of a intercity emu under strong crosswind

LI Yukun, ZHOU Dan

(Key Laboratory of Traffic Safety on Track, Ministry of Education, Central South University, Changsha 410075, China)

The detached-eddy simulation (DES) method is used to study the unsteady aerodynamic characteristics of a new type intercity EMU of different driving conditions, the time and frequency domain characteristics of the unsteady aerodynamic forces of the intercity EMU of different driving conditions are obtained ,what’s more, the structures of the flow field around the train are acquired. The results indicate that the aerodynamic forces of the train under strong crosswind have significant unsteady characteristics, with the increase of the embankment height, the unsteady characteristics become more significant; the main frequencies of the unsteady aerodynamic characteristics are between 0 and 50 Hz while the peak frequencies are between 0 and 8 Hz, thus the resonance problem may caused due to the similarity of the aerodynamic characteristics frequencies and the natural frequencies of the train; with the increase of the embankment height, the disturbance of the flow field around the bogie and the windshield is becoming more intense.

strong crosswind; inercity EMU; unsteady aerodynamic force; DES method

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2018.11.001

U270.1

A

1672 − 7029(2018)11 − 2721 − 09

2017−10−11

国家科技支撑计划资助项目(2015BAG12B01-24)

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

(编辑 蒋学东)