侧风风向角对单层快速集装箱货车表面压力分布的影响

黄莎，李志伟，严冠章，曾广志

（五邑大学 轨道交通学院，广东 江门 529020）

在高速铁路客运运输快速发展的当代，货运运输快速、重载的需求也逐渐增大，其中集装箱运输以其运输能力强、装载货物多，在货运运输中发挥着重要作用[1].集装箱列车箱体呈钝体，随着运行速度的增大，气动特性显著恶化，尤其在强风环境下，气动力迅速增加，影响列车横向稳定性，严重时甚至发生倾覆、翻车等安全事故，造成巨大的财产损失和负面的社会影响[2-4].2008年3月，英国一辆运行时速121 km/h的货车在横风作用下，造成两节空载集装箱吹翻倾覆，对接触网设备和轨道造成一定的破坏[5]；我国兰新铁路风区长、风速大，据不完全统计，自2002年通车以来，大风引起的列车脱轨、倾覆事故30起，吹翻货车110辆，造成巨大的经济损失[6].因此，研究提速集装箱货车在强风环境下的气动特性对保证列车风区运行安全至关重要.

中国地形地貌丰富多样，使得铁路风沿线风环境复杂多变.目前国内外学者针对横风作用下列车的非定常气动特性进行大量的研究[7-10]，研究成果已成功用于工程上列车安全运行速度限值制定、防风设施优化设计[11-12].然而，由于前期集装箱货车的运行速度较低（小于120km/h），且大多风区运行为满载或重载，横风气动效应的关注程度并不高.

本文以提速单层集装箱货车为研究对象，采用k-ω湍流数值模拟方法，分析其在不同侧风风向角作用下的表面压力分布特性，为保证集装箱货车风区安全高效运行提供理论依据和技术支撑.

1 数值计算模型

1.1 列车几何模型

如图1所示，采用机车+3节单层集装箱车辆的编组模型，定义DJ-1、DJ-2、DJ-3分别表示机车后第一节、第二节和第三节单层集装箱车辆.集装箱车辆长、宽、高分别为13.23 m、3.80 m和2.75 m.

图1 单层集装箱货车模型

1.2 数值计算区域与边界条件

外部流场的数值模拟中，常常需要将实际问题的无限空间转化为具有一定大小的有限计算区域，因此计算域的设置显得尤为重要，它将直接影响到计算的精确度.如图2所示，机车前端面ABCD、侧风迎风面BFGC给定速度入口边界条件；速度入口的对应面EFGH和AEHD设置为压力出口边界，给定静压为0；列车表面设定为无滑移边界条件，为消除数值模拟中地面附面层的影响，地面DCGH设置为滑移壁面边界，给定速度与车速大小相等、方向相反；顶面ABFE给定对称边界，将计算区域虚拟放大，避免流场附面层对空间流域的影响.

图2 数值计算区域

列车车头置于距速度入口-1（面ABCD）100 m处，尾端距离压力出口-2（面EFGH）200 m，以保证足够的空间避免尾流对出口边界的影响；横向方向上，列车迎风侧距离速度入口-2（面BFGC）100 m，背风侧距离压力出口-2（面AEHD）200 m；计算区域高80 m，保证流场在有限计算空间的充分发展.

1.3 计算网格

由于单层集装箱货车机车具有复杂曲面及转向架结构，计算网格采用四面体非结构网格，车体表面网格较密集，空间网格由密向疏逐渐从车体表面向空间扩散，空间网格总数为11200000，第一层网格无量纲厚度y+为106，符合k-ω湍流模型对网格附面层的要求.

图3 数值计算网格

1.4 湍流模型及求解设置

采用目前工程上应用最广的k-ω双方程湍流模型，虽然雷诺时均湍流模型较大涡和分离涡湍流模型不能更准确地捕捉列车在横风环境下周围的各尺度涡旋结构，但对于表面压力分布的模拟具有足够的精度.压力速度耦合采用SIMPLEC算法求解，控制方程压力项采用二阶迎风格式进行离散，动量、湍流动能、湍耗散率均采用QUICK格式进行离散.残差项均设置至10-6，以保证数值模拟精度.

2 数值方法验证

为了验证数值模拟的准确性，对快速单层集装箱货车气动特性进行了风洞试验测量.如图4所示，本次试验在中国空气动力研究与发展中心8 m×6 m风洞第二试验段进行，试验段长15 m，稳定风速范围20～70 m/s.单层集装箱货车模型采用1：15缩比模型，置于中心可旋转圆盘的中心，采用六分量天平测量单层集装箱列车的气动力，定义无量纲阻力系数CD：

其中：FD表示集装箱列车气动阻力；ρ=1.225kg/m3，表示空气密度；V∞为风洞来流风速；S表示单层集装箱货车模型横截面积.

图4 风洞试验模型

图5 给出了合成风速为60m/s，侧风风向角分别为0°、30°、60°、90°时，风洞试验测量所得机车后第二节集装箱车辆气动阻力系数与数值计算结果的对比.从图中可以看出，数值计算结果略大于风洞试验结果，这是由于风洞试验地板面固定，附面层沿着列车长度方向逐渐增厚，造成集装箱车辆底部部分淹没在附面层内，而数值计算滑移地面消除地面附面层的影响，因此计算结果略大.数值计算第二节集装箱车辆在0°、30°、60°和90°侧风风向角下的气动阻力系数与风洞试验结果差值分别为8.20%，3.41%，4.07%和3.65%，误差值均在10%以内，说明数值计算方法正确，符合工程要求.

图5 第二节集装箱车辆气动阻力系数数值计算结果与风洞试验比较

3 数值计算结果分析

为了研究不同风向角侧风影响下，单层集装箱货车表面压力分布特性.设置如图6所示，沿着三节集装箱长度、宽度和高度中心的纵切线、水平切线和横截面切线，共9条切线，分别以Line_X，Line_Y和Line_Z表示表面切线的切面方向，后标1，2和3表示机车后第一、第二和第三节单层集装箱.同时，为了便于描述集装箱车辆表面压力分布特性，将表面不同切线分割成若干特征段进行分析，如图7所示.

图6 集装箱列车表面切线设置

图7 集装箱车辆不同方向切线分段定义

3.1 沿宽度中心纵剖线压力分布

定义如图8所示，列车车速和风速的夹角为侧风风向角α.图9给出了单层集装箱货车以160 km/h运行时，在侧风风速30m/s，风向角分别为0°、30°、45°、60°、75°、90°时，集装箱DJ-1、DJ-2和DJ-3中心纵剖线Line_Y_1，Line_Y_2，Line_Y_3切线压力系数分布.其中，压力系数Cp表示为：

图8 风向角定义

其中：p表示列车表面压力；V为列车车速和风速的合成速度，可表示为V2=V车2+V侧风2.

图9 集装箱宽度中心纵剖线Line_Y压力系数分布

从图9可以看出：1）第一节集装箱运行方向前端面A1-B1段主要为正压分布，最大正压区位于集装箱顶部拐点处；第二节和第三节集装箱前端面A2-B2段和A3-B3段在风向角较小时处于正压分布，当风向角大于15°时呈负压分布；2）拐点过后到达集装箱顶面B-C段，压力由最大正压迅速减小至最大的负压，随后上升至平稳的较小负压值，沿着B-C段缓慢变化；3）到达集装箱尾端面，压力由平稳的负压再次出现波动，这主要是由于两集装箱连接槽形结构造成；尾端面压力远小于前端面，这也是集装箱压差阻力形成的主要原因；4）随着风向角的增大，集装箱纵剖线正压值减小，负压值增大，这主要是由于随着风向角的增大，沿着列车运行方向的速度分量逐渐减小.0°、30°、60°和90°风向角下集装箱中心纵剖面压力分布云图如图10所示.

图10 集装箱宽度中心纵剖面压力云图

3.2 沿高度中心水平切线压力分布

图11 给出了在不同侧风风向角下，集装箱车辆DJ-1、DJ-2和DJ-3高度中心水平切线Line_Z_1，Line_Z_2，Line_Z_3压力系数分布，不同风向角下集装箱中心水平剖面压力云图见图12.可以看出：1）集装箱运行方向前端面水平切线E-F压力分布从背风侧拐点到迎风侧拐点变化表现为逐渐减小后迅速增大到最大正压；尾端面表面为负压，且集装箱3（DJ-3）的尾端面负压值最大；2）集装箱迎风侧水平切线F-G为正压分布，背风侧水平切线H-E为负压分布，这也是集装箱在侧风作用下横向力较大的原因；3）随着风向角的增加，集装箱列车迎风侧的正压值逐渐增大，背风侧的负压值逐渐增大，当风向角增加到75°后，表面压力系数变化减缓.

图11 集装箱高度中心水平剖线Line Z压力分布特性

图12 集装箱高度中心水平剖面压力云图

3.3 沿长度中心横截面切线压力分布

图13为不同侧风风向角下，集装箱车辆DJ-1、DJ-2和DJ-3长度中心横截面切线Line_X_1，Line_X_2，Line_X_3压力系数分布，不同风向角下三节集装箱长度中心横截面压力云图见图14.同水平剖面切线压力系数分布类似，在集装箱迎风侧切线I-J压力为正压值，背风侧切线K-L压力为负压值，且随着风向角的增大，迎风侧切线I-J正压值逐渐增大，背风侧切线K-L负压值亦逐渐增大，使得列车横向力逐渐增大.集装箱顶面压力为较大的负压，且随着风向角的增大，负压值逐渐增大，这将造成列车气动升力逐渐增大.

图13 集装箱长度中心横截面剖线Line_X压力分布特性

图14 集装箱长度中心横截面压力云图

4 结论

在不同风向角侧风作用下，单层集装箱货车表面压力发生较大的变化，直接影响列车运行的安全性.本文采用数值模拟的方法对单层集装箱列车表面压力随侧风风向角的变化进行了详细分析，得到以下结论：

1）侧风作用下，集装箱运行方向前端面主要为正压分布，最大正压区位于集装箱顶部拐点处和迎风侧拐点处；集装箱迎风侧为正压分布，背风侧为负压分布；集装箱顶面为负压分布.

2）随着风向角的增加，集装箱迎风侧正压值和背风侧负压值逐渐增大，顶面负压值亦逐渐增大，这是造成集装箱横向力和升力增大的主要原因.