大风作用下高速列车运行安全性研究综述

胥红敏，张鹏，郭湛

（中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道科学技术研究发展中心，北京 100081）

高速铁路的发展对铁路安全性提出了更高要求，大风是影响铁路安全的重要因素之一，对大风作用下高速列车运行安全性进行研究具有重要意义。

在大风作用下高速列车安全性的研究方面，我国起步较晚，但近10年来随着我国高速铁路的迅猛发展，我国研究人员也进行了大量、多方面的相关研究。对国内外相关研究进行归纳整理，以期对我国进一步深入研究提供参考和借鉴。

1 国外相关研究

早在20世纪70年代，国外研究者就开始研究侧风对轨道交通的影响，特别是德国、法国和日本这些高速铁路发展较早的国家。研究表明，列车对风的干扰是敏感的，风是影响列车安全的重要因素。为降低燃料损耗，列车制造商更倾向于生产低风阻车辆，1986年研究者发现流线型列车可以降低列车的横风敏感性，并开展了列车横风特性研究[1-2]。同时，降低列车重量的现实要求进一步加强了对风稳定性、列车外形以及动态特性耦合研究的迫切性。

列车强风空气动力学性能作为强风对策研究的重要组成部分，各国研究者进行了多角度的研究。J Bettle等[3]通过数值模拟，给出了高架桥上、横风作用下货车车辆的流场分布及气动力，结果表明列车在横风下的气动力矩随车速的增加而增大。Suzuki等[4]利用风洞试验研究了横风作用下车辆的气动特性，发现横风对车辆的作用不仅与车辆外形有关，还与车辆下部的线路结构有关，该文献对在高路堤和桥梁上运行的高速列车外流场进行了数值模拟，结果显示当桥梁厚度增加时，作用在列车上的横向气动力也增大；运行在路堤上的列车受到的气动力与地面边界层的分布有关，列车在高路堤上运行时，承受的横向气动力要大于在低路堤上运行的情况。Stephane等[5]用一种新的试验方法研究了风力系数的变化规律。基于Cheli等[6-8]提出的作用于车体的气动载荷定义的方法体系，Bocciolone 等[9]开展了3种车型列车模型在不同工况下静止和运动时的风洞试验，结果认为列车的运动并未严重影响相关力学参数。B Diedrichs等[10]应用ADAMS/RAIL软件建立了准静态模型，研究横风作用下不同类型机车车辆的轮轨关系。Tristan Favre等[11]针对机车车辆开展了非稳态横风气动力学分离涡模拟。C J Baker等[12]把在线实车试验结果与风洞试验结果进行了对比，发现两者之间能很好地吻合。

1.1 欧洲国家

部分欧洲国家（德国、法国）的铁路公司、大学（埃尔朗根大学、诺丁汉大学）以及英国铁路安全与标准委员会联合进行了一系列相关研究，包括1996年启动的为期3年的研究项目“TRANSAERO”以及此后德国铁路公司、法国铁路公司和西门子股份公司相继开展的“DEUFRAKO”“WODAN”等项目，所涉及的方法包括实车试验方法、风洞试验方法、CFD数值模拟计算方法以及多体动力学仿真等[11]。通过以上方法对列车在强侧风作用下脱轨及倾覆的空气动力作用及动力学过程进行了深入系统的研究，为制定铁路运行规范和采取防风措施提供了重要科学依据。

德国铁路公司在采用了高速轻量化的ICE2列车后，开展了密集的跨学科合作，目标是建立1个对于轨道交通广泛适用的方法以保证强侧风下列车的运营安全。其中，A Carrarini[13]利用线性面元法计算了作用在列车表面的非稳态气动力，然后将其传递给多体系统动力学软件SIMPACK，计算出列车在该气动力作用下的动力学响应，再将车体位移和速度响应传递回流体计算程序，如此反复，计算二者之间的相互作用。该研究指出当气动力的激振频率接近车体的振动频率时，车体的振动对流场的影响不可忽视。然而，面元法是基于无粘流的假设，因此不能模拟存在粘性影响的分离流区域。

法国学者S Aita[14]采用有限元法在Convex计算机上求解N-S方程，对TGV列车头部进行优化；N Paradot等[15]为了法国地中海线TGV高速双层列车在侧风环境下的运行安全性，应用等比缩小风洞和水槽试验研究了该列车的横风敏感性，并用数值方法对列车的流场特性进行模拟，通过对比侧向力、升力和倾覆力矩结果，指出在风向角≤30°时，试验结果和数值模拟结果吻合较好，而当风向角在60°左右时差异较大。

在瑞典，以 Siniša Krajnović[16-18]为主的研究团队在列车空气动力学方面进行了出色的研究，将大涡模拟（LES）引入列车空气动力学的计算中，并将计算结果与风洞试验进行了对比，发现如果雷诺数足够高，则雷诺数对列车周围的分离流没有太大影响，同时也说明大涡模拟可以应用于列车外流场的模拟，并对列车侧风安全性和舒适性以及隧道内列车横向晃动严重这些问题进行了研究。在风向角为35°和90°的情况下，雷诺数分别为3.7×105和3.0×105，简化列车模型的外流场计算结果表明，列车表面旋涡的脱落与再附着对气动力有一定影响，该结果与风洞试验数据一致。并且还发现尽管气动力系数转换过来的流动频率非常小，但接近于高速列车的横向振动频率。B Diedrichs等[19-20]利用试验和数值模拟的方法，对ICE3列车的牵引车在6 m高路堤上以及ICE2列车在单、双线隧道中运行时的外流场进行了研究，数值模拟结果与试验结果吻合。结果显示列车在路堤背风侧运行时空气动力性能较迎风侧更加恶化，指出相对于平地，列车在6 m高路堤上运行时的容许最大风速要降低20%左右。

在英国，J M Copley[21]提出了一种预测平均风作用下列车承受气动力和力矩的数值方法，并编制了相应的计算程序。T W Chiu等[22-24]提出了一种三维源/涡面元法，预测在侧风环境下作用在一简化列车模型表面的空气动力载荷。在这个模型中，列车表面和背风侧的旋涡分别用一系列的源和涡面元来描述，计算过程是二维和三维计算的混合，二维计算大大简化了三维计算所需要的计算资源。C J Baker等[25-31]在风洞模拟与实车试验方面所做的研究对推动列车空气动力学的飞速发展作出了重要贡献。C J Baker研究了侧风环境下，作用在各种不同类型车辆上的稳态和瞬态气动力，建立了统一的分析框架。为确定获得信息的可靠性，对于不同的车辆参数，开展了一系列大规模的实车试验。W Khier等[32-33]对不同风向角时简化车体模型周围的高雷诺数流场进行了数值模拟，发现风向角在0°～90°内变化时，列车周围的气流呈现不同的发展形态，旋涡结构与风向角有着密切的关系。同时，W Khier还计算了运行在路堤上的高速列车在横风作用下的气动力特性，得到了列车在不同角度自然风作用下受到的侧向力、升力、侧滚力矩系数以及列车表面不同位置的压力系数。

在意大利，C Catanzaro等[34]应用计算流体力学模拟了不同场景横风作用下ETR-500型高速动车组的气动性能，其结果与风洞试验吻合较好。

1.2 日本

日本政府对于横风下的铁路安全较重视，从20世纪开始，日本铁道综合技术研究所（RTRI）等机构就开展了包括风洞试验、仿真模拟以及实车试验等多方面的研究[35-36]。RTRI防止强风灾害的研究分为强风下车辆力学性能、强风下车辆空气动力学特性、外力强风特性以及安全性评价等4个领域。各领域的研究人员就各自承担的课题并行研究，共享研究成果。在以上分支领域，日本研究者做出了不同的成绩。首先，为了提高颠覆界限风速的推测精度，RTRI提出了精密的静态解析模型，并着手构造再现车辆运动的动态解析模型；其次，采用缩尺模型，用稳态风场进行了风洞试验，从而求出不同车辆形状、线路及列车速度条件对应的颠覆界限风速；再次，对强风的时间、空间关系进行了研究，探讨了限制风速和与强风遭遇的可能性，为使行车管制区间与风速计设置点相适应，开发了制作沿线强风分布图（强风图）的方法。同时，还针对防风栅式样对空气力的影响进行了风洞试验。此外，在评价强风下列车运行安全性时提出需要考虑引入概率论的意向。

2 国内相关研究

我国于20世纪90年代才正式开始研究横风对列车的影响，主要包括理论研究、试验研究和数值模拟研究3种研究方法。其中，试验研究主要是针对列车空气动力学，包括风洞试验研究和实车试验研究。实车试验研究考虑到经济等方面原因，几乎都仅限于较低风速情况下。风洞试验研究应用较广，我国相关科研人员研究了多种工况。尽管风洞试验模型和实车有较大差别、具有局限性，但对于了解各种工况下车辆的空气动力学还是具有较高的实践意义。数值模拟研究源于近年来计算机技术的快速发展以及对国外诸如FLUENT、CFX、STAR-CD等流体专业软件和NUCARS、SIMPACK等多体动力学软件的引进，其中流体力学软件用于列车空气动力学的研究，多体动力学软件用于列车安全性的研究，由于高风速下实车安全性试验研究难以实现，数值模拟方法有效填补了该方面研究的空白[37-39]。

近年来，我国相关研究主要集中在以下3个方面：不同工况下高速列车周围流场及列车安全性研究；周围环境，如路堤、风屏障以及突风口等对列车气动特性的影响研究；风、车、桥耦合研究。

2.1 不同工况下高速列车周围流场及列车安全性研究

我国研究前期着重于不同工况下高速列车周围流场及列车安全性的研究[40-44]，方法涉及风洞试验、理论计算、计算机仿真以及以上方法结合运用。

1998年，张健等[45]进行风洞试验，研究了横风对电动车组中各车辆气动特性的影响，认为横风风速为15～25 m/s、列车速度不大于300 km/h时，横风不能对车辆造成严重影响，电动车组横向是稳定的；缪新乐等[46]基于风洞试验，采用计算流体力学方法对CRH380A型高速列车车头形状进行结构优化后，对空气动力学性能进行计算、分析和比较；黄志祥等[47-48]应用风洞试验的方法比较了2种头型高速列车的气动特性，探讨了减小高速列车空气阻力的措施；毛军等[49]应用风洞试验结合计算流体力学方法比较了均匀风场和实际大气风场对列车空气动力学影响；张在中等[50]应用风洞试验探讨了高速列车不同头型对其气动性能的影响。

于梦阁等[51]基于Cooper理论和谐波叠加法对任意风向角下的脉动风速进行数值模拟，并推导了任意风向角下高速列车非定常气动载荷的计算方法，研究了不同车速和不同风向角下高速列车的非定常气动载荷特性；刘为亚等[52]采用流体力学仿真的方法研究了横风作用下高速列车同向并行运行时的气动性能；鉴于风的随机性，于梦阁[53]把可靠性理论引入高速列车的气动安全性研究；李明等[54]应用数值模拟研究了横风速度对气动粘性阻力和气动压差阻力的影响；邵微[55]通过几种不同的研究手段对高速列车头车的空气动力学结构进行了初步优化设计；张明禄等[56]基于三维非定常不可压缩流动的 Navier-Stokes方程，采用大涡模拟的湍流模型和有限体积法，对CRH2型动车组的流场结构和气动力进行了动网格的动态数值模拟计算；马静等[57]通过大涡模拟数值计算方法，对均匀定常横风下高速列车的非定常空气动力特性进行了研究；王永冠、Y Xu、杨吉忠、邓永权等[58-61]通过仿真分析，研究了横风作用时间对于高速列车直线运行安全性指标的影响。

姚应峰[62]针对200 km/h动车组，利用流体力学软件FLUENT进行动力学计算和分析，得出动车组在常值侧风和阵风工况下的气动力及气动力矩，同时还借助多体动力学软件SIMPACK建立了该动车组的多体动力学模型并进行了临界速度计算；康康等[63]通过ADAMS的insight模块进行试验设计，计算了各气动力分量对尾车前转向架背风侧前车轮脱轨系数的影响因子，但其研究工况中列车速度最大仅为108 km/h；彭祎恺[64]应用多体动力学模拟研究了侧风作用下轨道激扰对列车安全性的影响；于梦阁等[65-67]应用多体动力学软件研究了不同风向角、不同风速和不同车速下列车车体上的阻力、侧力、升力、倾覆力矩、摇头力矩和点头力矩，还研究了侧风作用下列车的轮对状态，同时，通过数值模拟研究，认为传统确定性方法得到的高速列车的安全域曲线偏于保守，基于可靠性方法可得到更合理的安全域曲线。

田红旗、谭深根[68-69]在列车空气动力学方面取得了诸多成果，系统论述了列车空气动力学研究方法、空气动力特性、形成机理及规律、影响因素、分析理论与工程应用。

2.2 周围环境对列车气动特性的影响研究

我国研究者注意到周围环境，如路堤、风屏障以及突风口等对列车气动特性的影响[70-74]比较重要，遂逐渐展开该方面的研究工作。

梁习锋等[75-77]采用二维模型研究了客车、敞车、棚车和罐车4种不同外形铁路车辆在路堤高度、横风风速相同条件下的横向气动性能差异，采用有限体积法对强侧风作用下棚车气动外形进行了优化研究，并对不同风速、不同风向环境风作用下，磁浮列车等速交会时列车横向气动性能进行了数值分析；王厚雄等[78-79]以现场实测和风洞及水槽模拟试验结果为依据，论述了不同类型和不同高度的挡风墙及铁路路堤对大风特性和车辆横风气动特性的诸多影响，并通过风洞试验和全尺寸车辆现场实测研究了车顶外形对车辆气动横向稳定性等气动特性的影响；刘为亚等[80]研究了横风作用下高速列车同向并行运行安全性；罗建斌等[81]采用计算流体力学方法研究了路堤倾角变化对高速列车侧风运行气动特性的影响；贾晔松[82]建立了侧风中列车在路堤、桥梁和平地运行时的三维空气动力学模型，对车体表面及周围压强随车速的变化进行了分析，比较了不同风速和不同路况时，车体周围的流场分布情况；黄亚进[83]开展了风障-列车-简支箱梁系统气动性能的数值模拟分析和风洞试验研究；刘伟等[84]建立了高架线和路堤2种不同路况下侧风作用于列车的空气动力学模型，并进行数值计算，得到不同侧风速度和不同运行速度下列车周围压强分布及列车的气动载荷特性，同时应用多体动力学软件研究了不同工况下列车安全特性。

在这部分研究中，风屏障以及类似物对风的影响研究占很大一部分。苗秀娟等[85]应用滑动网格技术模拟研究了强横风下列车出隧道时的瞬态气动性能；叶剑[86]建立不同高度、透风率/挡风板旋转角度风屏障模型，在横风下考虑桥上有车和无车2种情况进行数值计算，得到每种风屏障在不同高度、挡风板转角下的挡风效果和自身风荷载；向活跃[87]采用李永乐研发的桥梁结构分析软件BANSYS模拟了风屏障对运动车辆横风气动特性的影响和风屏障在风荷载及列车风作用下的疲劳特性；项超群等[88]在风屏障研究中引入了动网格模型；周志勇等[89]采用动网格技术数值模拟高速列车从进入站台到驶离站台过程中，雨棚表面所受空气荷载的空间、时间变化特性；李鲲[90]采用风洞烟流等综合方法研究了防风半封闭长廊对于大风作用下兰新二线高速列车的空气动力学影响。

2.3 风、车、桥耦合研究

风、车、桥耦合研究是风作用下列车运行安全的一个重要方面[91-94]。岳澄等[95]建立了桥梁单体、车辆单体和车桥耦合体系二维模型，采用数值模拟的方法计算分析了车桥耦合体系气动力特性和风压分布；项超群等[96]的研究中不仅考虑了风、车、桥耦合，还研究了风屏障对风的影响；杜风宇[97]以京沪高铁32 m简支梁桥及双侧透风式挡风墙为试验模型，对车-桥系统间气动特性的相互干扰及挡风墙的影响进行了风洞测压试验研究；张田[98]建立了考虑风屏障的风、车、桥耦合振动分析框架；赖慧蕊等[99]模拟了风洞试验中横风作用下高速列车与32 m简支梁桥系统空气动力学行为，以研究高速列车与桥梁之间的相互气动影响；罗建斌等[100]模拟计算了横风速度对单线高架桥上高速列车气动特性影响；陈玥[101]以沪昆铁路某槽形梁独塔跨线斜拉桥为工程背景，对车-桥流场进行了数值模拟，得到不同工况下列车风对桥梁的气动力；杨靖[102]釆用SST湍流模型对不同来流条件下的三跨连续梁桥的气动性能进行了三维数值模拟，分别探讨了来流风速、风攻角、边界层和桥墩对连续梁桥气动性能的影响；冉瑞飞[103]应用自行研制的移动列车模型风洞试验系统研究了不同风速、风偏角、湍流强度以及列车在桥上不同纵向位置、会车等工况下列车和桥梁各自气动力系数的变化规律。

近10年来，中国铁道科学研究院集团有限公司一方面针对高速铁路进行了大量风监测试验和研究，在部分高速铁路线路上安装了风监测设备，为铁路安全保驾护航；另一方面，鉴于实车试验的危险性，进行了多种工况的风作用下高速列车安全动力学仿真模拟，研究了风速、车速和高速列车安全性的关系[104-106]。此外，通过合理简化，应用理论计算方法，研究了准静态条件下车体受到的风压与线路附近局部环境的关系。

综上所述，国内研究各有偏重，尽管有些方面的研究比较深入，但距离针对高速动车组的实际应用还有一定距离。

3 大风条件下的列车运营规则

2010年，针对列车的横风问题，欧盟颁布了EN 14067“铁路应用：空气动力学”一系列标准，对特征风曲线的确定方法和步骤进行了规定。日本根据相关研究成果，制定了适于本国列车运行的管制规则。

针对大风作用下的列车运营规则，我国研究者近年来也进行了相关探索。郗艳红等[107]以我国CRH3型高速动车组实车为原型，仿真计算了多种工况下的动力学性能，在计算中不仅考虑真实受电弓、转向架等列车的细部特征，还考虑了不同的列车速度、横风速度以及轨道谱；崔涛等[108]通过对列车外流场和系统响应进行协同仿真，获得不同侧风环境下列车的稳定姿态和气动载荷，研究了列车运行的安全性指标，分析了不同侧风环境下列车安全运行的临界速度，确定了列车的侧风作用安全域；黄烈威等[109]研究提出了CRH3G型动车组的横风运行安全速度域。

2013年，原中国铁道科学研究院完成了国家自然科学基金项目《大风对高速列车运行安全性影响及应急控制的研究》，其中部分重要内容为：基于二元二次多项式回归模型以及仿真计算数据，应用逐步回归的方法，针对CRH2和CRH3型动车组，建立了脱轨系数、轮重减载率和轮轴横向力对于风速、车速的“最优”回归模型，据此绘制了2种车型的风速-车速包络曲线，并进一步制定了针对这2种车型的行车管制规则，该规则与《铁路技术管理规程》中的规定符合性较好。同时指出，应用此方法，可以针对我国各条线路的具体工况以及典型车型方便地进行相应线路的横风安全性估计，并得到风速阈值曲线。

4 总结与展望

随着我国高速铁路的迅猛发展，有些基础研究还无法适应高速铁路的发展速度，例如，风洞试验、理论计算以及计算机仿真工况还需要继续扩充，铁路空气动力学研究还没有形成完整的体系，大风条件下的列车运营规则也大多是借助国外经验。同时，伴随列车高速化和车辆轻量化的发展趋势，在强风安全性方面，情况愈加严峻，需要进一步进行广泛研究，为高速铁路的安全运营奠定坚实理论基础。目前，可以开展以下3方面的研究：一是研究各条铁路沿线的大风分布特点，着重于高速铁路、风速较大和容易产生突风的区域，形成1个全国范围的铁路沿线风图谱，为此有针对性地采用风监控和防风墙等列车安全防护措施；二是归纳整理近年来的研究成果，通过相应研究补充制定适用于我国的铁路空气动力学相关标准，规范横风试验和横风预测等相关步骤；三是针对不同车型和轨道谱制定有针对性的大风作用下列车运行管制规则。