不同风速风向条件下的列车风特性

韩运动，陈大伟，刘韶庆，林 鹏

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司 国家高速动车组总成工程技术研究中心，山东 青岛 266111)

近年来，随着高速铁路技术的不断发展，列车运行时速呈现逐步上升的趋势。与此同时，列车高速运行带来气动效应方面的危害也日益显著。当列车高速运行时，尤其是当列车运行与不利的环境因素(例如横风环境)耦合时，列车风以及瞬态的压力波动作用在铁路沿线的人员以及设施上，会对铁路安全造成巨大的隐患。因此，有必要对列车在不同横风环境下运行时周围流场的结构特征进行系统性的研究。

针对列车在横风条件下运行时的气动性能，已有相当数量的研究：苗秀娟[1]使用数值仿真的手段，对不同地面条件以及风向角下列车的气动力系数进行研究，并得到列车的气动力系数随风向角的变化规律；田红旗[2]通过风洞试验的手段，研究不同风向角下列车的气动阻力及其变化规律；于梦阁[3]通过数值仿真以及多体动力学分析方法，研究不同路况以及横风条件下列车的脱轨系数、轮重减载率等动力学安全性指标；毛军[4]采用数值模拟以及量纲分析的研究方法，提出列车气动阻力系数与风速、风向角和列车车速之间关系的综合表达式；张亮[5]通过分离涡模拟，得到列车在横风作用下气动载荷的非定常特性，并以动力学指标分析了列车横风环境下运行的安全性。在这些现有研究中，均以列车受到的气动载荷为最主要的考察对象，而针对列车运行过程中在不同风向条件下车身周围空间以及地表的压力、风速分布状况即列车风特性的研究则鲜有涉及。

本文主要通过数值模拟的手段，研究列车处于不同横风风速以及风向角下近地表以及车身周围空间的流场分布规律，以便为高速列车风致安全性的评估提供指导。

1 数值计算方法

1.1 计算域、边界条件设置

为减少计算量，仿真计算时列车采用2+2重联编组，忽略受电弓等细微结构，采用简化的转向架结构，这一处理不仅使得列车周围的流场不会受到太大的影响，而且易于网格的划分，有利于数值计算的收敛。列车计算模型如图1所示。

计算时使用的计算域如图2所示。图2中，计算外场的长宽高分别为400，40和30 m，保留了轨道结构的地面设施。稳态计算时，采用相对风速法给定边界条件模拟列车与气流之间的相对运动，即在列车运行前方边界给定与车速方向相反的风速，计算中给定列车运行的速度为300 km·h-1，因此给定列车前方边界均匀的风速为83.33 m·s-1。同时，为了模拟列车与地面之间的相对运动，地面给定滑移壁面边界条件，地面滑移速度的大小和方向与前方风速的入口边界一致[6]。在有横风的工况中，通过计算域侧面速度的入口边界给定横风的风速。列车的后方以及背风侧则采用压力出口的边界条件，顶部设置为对称边界。

图1 列车计算模型(2+2重联编组)

图2 计算域示意图

1.2 网格划分

采用切割体网格对计算域进行有限体积划分。为了捕捉到流场中的小尺寸结构，在车身、转向架、风挡以及尾部等区域进行了局部加密。此外，为了准确地模拟列车车身及风挡等壁面区域的流动，捕捉到车身处流动的附面层沿壁面逐渐向外部空间区域发展的过程，在壁面区域使用了附面层网格，且其Y+(第1层网格质心到壁面的无量纲距离)应达到相关要求(30

图3 计算网格

1.3 求解计算

使用有限体积法，基于Navier-Stokes方程对计算域内的列车风流动参数进行求解[8]。流场的控制方程为

(1)

由于上述方程组不封闭，仅仅依靠式(1)对流场进行求解是不足够的，需引入适当的湍流模型。因此，在列车风流场的仿真中使用已经得到了广泛应用的SST k-omega湍流模型，该湍流模型对湍流参数求解的控制方程可以参照文献[9]。风速—压力耦合采用SIMPLC算法。为了使计算达到有效的精度，空间以及时间离散均采用2阶。

2 方法验证

风洞试验与数值计算所使用的模型如图4所示。

图4 风洞试验与数据计算模型

在风洞试验模型侧边近地表附近设置压力孔，通过压力传感器采集压力。风洞试验模型侧边开孔距离轨道中心线0.18 m，测试风速为50 m·s-1。风洞测点布置范围为距离列车前鼻尖前方0.105 m至后鼻尖后方0.148 m，约为1节车长，足够捕捉到列车流线型部分引起的压力波动。风洞试验与数值计算结果的对比如图5所示。

图5 风洞试验与数值计算结果对比

从图5可以看出：数值计算与风洞试验结果吻合得很好，表明所采用的数值计算模型和方法对列车风流场关键参数的获取是准确的。

3 结果及分析

3.1 压力、风速评价方法

列车在运行过程中，其车身周围空间以及地表的压力和风速是随时间波动变化的。按列车风标准要求(TSI232)，本文列车风的压力主要考察距离轨道中心线2.5 m处地表及以上空间测点的压力峰峰值，即整个时程的压力最大值与最小值之差；列车风的风速主要考察距离轨道中心线3.0 m处地表及以上空间测点风速。

需要说明的是，由于列车风的最主要成分为纵向的流速，因此文中主要考虑的风速为纵向列车风。因为使用相对风速法给定来流条件模拟列车的运行，所以计算中得到的风速实际上是以列车为参照物，而实际情形下列车经过时引起的列车风应该是以地面为参照物，因此对计算得到的风速进行坐标变换[10]，即经过坐标变换后得到的以地面为参照物的列车风纵向风速。

无横风条件下，列车以300 km·h-1的速度运行时，距轨道中心线2.5 m地表处及其上较高空间处列车风的压力变化时程曲线如图6所示。从图6可以看出：当重联列车在无横风条件下运行时，列车风均在车头、车尾以及重联处出现幅度较大的压力波动；车头处为先正后负的压力脉动，尾车处与之相反，压力脉动为先负后正，重联处则出现正向压力脉动。

图6 列车风压力变化时程曲线

无横风条件下，列车以300 km·h-1的速度运行时，距轨道中心线3 m地表处及其上较高空间处列车风的风速变化时程曲线如图7所示。从图7可以看出：列车风通过列车头部等截面变化较大区域时，其风速变化较大。此外，在尾流区域列车风的风速较大，且呈现波动的趋势，这是由于列车的尾部存在尺度较大的涡结构，且随着距离尾车的距离增大而逐渐向两侧分离脱落，在涡核区域则存在较大的流速，因此造成了尾部区域复杂的流动现象且出现了较大的风速。

图7 列车风风速变化时程曲线

3.2 横风风速对列车风特性的影响

本节以上行线列车在横风风速分别为7，13和20 m·s-1时的工况进行讨论。

实际情形下列车风流场往往具有较大的雷诺数，这就表示列车处于较大的湍流环境中，列车风流场伴随大量涡流结构的不断生成和脱落。列车风流速和压力的变化也是这一周期过程作用的结果。近年来，为了更加直观地描述不同运行条件下的列车风，国内外学者往往采用对涡流结构实现可视化的方法。Hunt等人[11]提出的涡量Q的评判方法是对涡流结构实现可视化的重要方法。不同横风风速下，Q=4 000时列车风风速的等值面如图8所示。图中：着色标量为列车风的风速。

图8 不同横风风速下Q=4 000时的列车风速等值面

从图8可以看出：当列车处于横风环境下运行时，在列车的背风侧出现明显的涡流结构[12]，在这一区域内列车风的压力和风速存在较大的波动；横风风速较小时，从列车车身脱落的涡结构基本上沿车身方向分布，且集中在尾车以及重联处；横风风速较大时，尾涡偏向背风侧的偏角更大，且车头也出现明显的流动分离而引起的涡脱，进而在列车的背风侧形成更大的涡流区域。

不同横风风速下、上行线列车距线路中心线2.5 m地表处及其上2 m空间处列车风的压力峰峰值如图9所示。从图9可以看出：当存在横风时，背风侧地表相对于其上2 m处而言，其列车风压力峰峰值更大；此外，随着横风风速的增加，相同位置处列车风压力峰峰值也变大。其中横风风速为20 m·s-1这一恶劣工况下，迎风侧地表处及其上空间处的压力峰峰值分别为1373.7和1178.6 Pa，背风侧的则为1 718.9和1 271.0 Pa。

图9 列车不同横风风速下压力峰峰值

不同横风风速下，上行线列车距轨道中心线3 m地表上0.2和1.4 m空间处的风速极值如图10所示。

图10 列车不同横风风速下风速极值

从图10可以看出：在横风条件下，近地表区域列车风的风速极值均大于较高空间处的；相对于迎风侧而言，背风侧列车风的风速极值更大。对于上行线列车而言，横风风速使得不同位置处列车风的风速呈现逐渐上升的趋势，横风风速为20 m·s-1时，迎风侧0.2和1.4 m空间处列车的风速极值分别为6.2和5.5 m·s，而背风侧的则为52.5和35.9 m·s-1。

3.3 风向角对列车风特性的影响

本节考察横风风速维持在20 m·s-1，风向角分别为0°，45°，90°，135°和180°时，下行线列车列车风的分布特性。其中，风向角为0°代表列车逆风行驶，风向角180°代表列车顺风行驶，风向角的定义如图11所示。

图11 风向角的定义

不同风向角下，Q=4 000时列车风风速的等值面如图12所示。

图12 不同风向角下列车外部流场Q=4 000时的等值面

从图12可以得出：不同风向角下下行线列车周边流场的分布规律大致相同；当列车运行方向与环境风平行，即列车的风向角为0°以及180°时，仅在列车车底、重联区域以及车尾出现涡流区域，且尾涡脱落后基本处于离地面较近的区域；此外，在风向角为0°即列车逆风行驶时，涡流区域比180°风向角情况下更大，这是由于风速与车速合成后，0°风向角实际上的来流速度较180°的来流速度而言更大，因此出现了图12所示的状况；当列车处于90°风向角时，列车周围的流动状况较为复杂，此时列车背风侧出现大量的涡结构，这一区域的速度、压力场更为复杂。

不同风向角下，下行线列车迎风侧距轨道中心线2.5 m地表处及其上2 m空间处列车风的压力峰峰值变化如图13所示。从图13可以看出：风向角对列车迎、背风侧的压力分布有影响，风向角为45°时，地表及其上空间处列车风的压力峰峰值均达到最大；在风向角从45°增加到180°的过程中，压力峰峰值开始呈现下降的趋势；由于横风与列车运行这2个过程之间的相互耦合，在风向角从0°增加到180°的过程中并未呈现单调变化的趋势；从测点高度来看，虽然地表区域及其上空间处均遵循上述变化特点，但是地表的压力变化峰峰值始终大于其上空间2 m高度处的，45°风向角下，迎风侧地表的压力峰峰值最大达到1 420.2 Pa，背风侧则达到了2 083.9 Pa。

图13 列车不同风向角下压力峰峰值

不同风向角下，下行线列车距轨道中心线3 m地表上0.2和1.4 m空间处列车风的风速极值如图14所示。从图14可以看出：由于环境风在列车行进方向上的分量会对列车风造成影响，因此不同风向角下的列车风极值分布规律较为复杂，但是总体来讲，在有横风的条件下，近地表区域的风速极值较大，背风侧的大于迎风侧的；当列车运行于45°风向角的条件下时，背风侧近地表区域的列车风最大达到了52.9 m·s-1。

图14 列车不同风向角下风速极值

3.4 编组形式对列车风特性的影响

以列车在下行线运行， 90°风向角、20 m·s-1横风风速和45°风向角、20 m·s-1横风风速2种工况为例，说明列车在8+8重联编组条件下，车身周围列车风压力、速度的分布规律。45°风向角、20 m·s-1横风风速、8+8编组条件下Q=4 000时列车风风速的等值面和车身表面的压力云图分别如图15和图16所示。

图15 8+8编组条件下列车车身风场Q=4 000等值面

图16 8+8编组条件下列车车身表面压力云图(单位：Pa)

从图15可以看出：8+8编组时，列车风随环境风场的变化与2+2编组时有相近的特征；45°风向角、20 m·s-1横风风速环境时，车身周围的涡流区域范围扩大，在车头、重联部位以及车尾斜后方均出现与车身位置呈一定偏角的涡结构，车顶与迎风侧面的交界处也因横风作用下的流动分离产生了较多的涡结构；当列车运行于20 m·s-1的横风风速环境下时，8+8编组时列车风的主涡结构相对于2+2编组时偏移的角度更大。

从图16可以看出：8+8编组时，头车附近壁面的压力分布与2+2编组时的类似；45°横风时，车头压力驻点向迎风侧偏移，车头前方地面也出现更大的正压范围；车头流线型表面则由于横风风速的作用，出现较大范围的负压区域，同时在这一区域也会出现较大的流动分离。

90°风向角、20 m·s-1横风风速、8+8编组工况下，列车风的压力分布和风速变化曲线分别如图17和图18所示。

图17 8+8编组条件下列车迎风侧测点压力变化曲线

图18 8+8编组条件下列车迎风侧测点风速变化曲线

90°风向角、20 m·s-1横风风速下，8+8编组与2+2编组列车在相同车速下的列车风压力峰峰值和风速极值的对比分别见表1和表2。

表1 45°风向角、20 m·s-1横风风速下2种编组列车不同位置处列车风的压力峰峰值对比 Pa

表2 45°风向角、20 m·s-1横风风速下2种编组列车不同位置处的风速极值对比 m·s-1

综合图17、图18以及表1、表2可以看出：当存在横风时，与2+2编组相比，8+8编组列车的重联部位到头尾的距离有所不同，因此列车车顶以及背风侧列车风的流动及车头、车尾和重联区域列车风的相互作用形式以及结果不一致，进而引起了压力以及风速的空间分布差异。

4 结 论

(1)在无横风或横风风向平行于列车运行方向时，车尾及重联区域有较多的涡流结构，且尾涡基本贴近地面区域脱落；在有横风时，尾涡朝背风侧区域发生偏移，列车的背风侧出现复杂的涡流结构，且车头处出现流动分离进而引起涡脱现象。

(2)列车周围的压力变化峰峰值与测点空间位置有关，从高度方向上来看，近地表区域压力变化峰峰值大于空间2 m高度处的压力测点。列车周围的风速同样与空间位置有关，0.2 m高度处的列车风极值大于1.4 m高度处的列车风极值。相对于迎风侧而言，背风侧测点的压力峰峰值以及风速极值总体而言更大。

(3)横风风速越大，上行线列车周围压力波动越大，列车风风速极值也越大。随着横风风速的增加，同一位置处列车风的压力峰峰值变化更大，不同位置处列车风的风速极值呈现逐渐上升的趋势。

(4)当横风风向不同时，由于环境风与列车运行时前方来流之间相互耦合，风向角为45°时近地表区域和较高空间处列车风的压力峰峰值达到最大，在风向角从45°增至180°的过程中，列车风的压力峰峰值呈现下降的趋势。

(5)8+8重联编组时，列车周围流动随环境风场的变化以及头车附近壁面的压力分布状况与2+2重联编组的工况有相近的特征。当存在横风时，由于重联部位到头尾的距离不一致，列车车顶以及背风侧部位的流动与车头、车尾以及重联区域流动之间的相互作用形式以及结果不一致，进而引起了压力以及风速的空间分布差异。