风向角对CRH2列车气动特性的影响研究

何旭辉，左太辉，邹云峰，赖慧蕊，肖飞

风向角对CRH2列车气动特性的影响研究

何旭辉1, 2，左太辉1, 2，邹云峰1, 2，赖慧蕊3，肖飞4

(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2. 高速铁路建造技术国家工程实验室，湖南 长沙 410075；3. 武汉经济技术开发区(汉南区) 住房和城乡建设局，湖北 武汉 430056；4. 中国铁路广州局集团有限公司 工程质量监督站，广东 广州 510030)

为研究不同风向角下高速铁路列车气动力特性，分析流线型列车周围流场结构差异对列车气动力影响，以高速铁路典型CRH2列车为研究背景，采用风洞试验和数值模拟相结合的研究手段对不同工况下列车气动力和流场结构进行分析。研究结果表明：测压和测力试验结果具有很好的一致性，数值模拟与风洞试验结果吻合良好，可用来分析风向角对列车气动特性的影响；分析得出头车和中车的风压分布和气动力变化规律显著不同，随着风向角的增大，头车侧力系数和升力系数先增大后减小，在风向角为60°左右达到最大值，中车侧力系数和升力系数一直增大，列车绕流状态具有明显的三维特性，不同风向角下气流绕列车呈不同绕流形式，在小于60°风向角下，列车绕流场主要呈流线型结构绕流特性，而大于60°风向角下，列车绕流场主要表现为钝体绕流特性，两种不同绕流状态导致列车气动力特性差异。

CRH2型列车；风向角；风洞试验；数值模拟；气动特性

高速铁路列车在强风作用下的行车安全一直是近年来的热点研究课题[1−5]，深入分析高速铁路列车的气动力特性是保障行车安全的重要前提和基础。国内外学者通过实车测试、模型试验和数值模拟等手段对不同型号列车的气动力特性开展了广泛而深入的研究，取得了一些有意义的成果。梁习锋[6]通过对兰新线铁路列车开展实测分析，获得列车表面压力分布，形成了从测点布置、压力采集和数据分析一整套完整的列车实车测量研究方法；田红旗等[7]通过模型风洞试验，深入分析了我国270 km/h高速铁路列车在横风作用下气动力性能，并提出了针对列车切实可行的气动优化建议；Marco 等[8]利用风洞试验对比分析了不同湍流条件下ETR480型列车在0°～90°风向角范围内的气动力系数；李永乐等[9]进行了横风下车−桥体系的绕流特性静动态模拟数值分析，对比了数值模拟与风洞试验气动力特性结果的差异；冉腾飞等[10]采用数值模拟方法研究不同运行方式下高速地铁气动性能，研究发现列车由明线驶入隧道时，车体表面压力值从头车向尾车逐渐降低；李鹏等[11]研究突风环境下高速铁路列车周围流场，结果表明，列车未进入风区时，车体周围流场基本呈对称分布，在列车车体整体处于横风区域内时，车体迎风侧压力呈现正压分布，车体背风侧压力呈现负压状态；杜俊涛等[12]采用数值模拟研究了高速铁路列车气动力特性和头部线形、鼻尖及窗户等细节的关系，结果表明合理优化列车头部纵断面形状可以减少列车阻力和升力；HE等[13−15]利用数值模拟和风洞试验对高速列车的气动特性开展系列研究，得出列车气动特性与其在顺桥上的位置无关，但受其所处桥面上下游轨道位置影响较大，两车交会对上游列车气动特性影响较小，其团队还研究了风屏障高度、透风率等参数对列车气动力特性的影响，提出了桥上风屏障优化措施等。以上研究大多采用单一手段，现场实测得到的结果虽然可靠，但代价高，且不能进行参数化分析，故较难获得系统的研究成果，风洞试验在流场显示、气动机理分析等方面得到的结果不如数值模拟直观，而数值模拟限于现在计算机的计算精度，计算结果可靠性需要进一步验证。更为重要的是，现有研究成果大多只针对横风(来流与列车运行方向垂直)作用下的列车气动力特性，而实际运行列车的相对风向角(以下皆简称为风向角)是自然风和列车运行方向及速度合成的结果，是一个随机变量，且不同风向角下流线型列车周围流场结构差异显著，列车气动载荷特性受此影响很大，因此需要对不同风向角下的列车气动特性进行细致研究。本文首先对天平测力和测压积分获得的CRH2型列车气动力结果进行对比，以验证测压积分获得气动力手段的精度可靠性，然后将基于测压试验获得的风压分布、气动力系数和数值模拟结果进行细致对比，证明数值模拟方法的正确性，最后基于数值模拟的流场显示对0°～90°风向角范围内的列车气动特性及绕流场进行系统分析，以揭示风向角对CRH2型列车气动特性的影响。研究结论可为优化高速铁路列车线路结构布置形式，提高列车行车安全性提供参考。

1 研究概况

1.1 风洞试验模型及测点布置

风洞试验是在中南大学“高速铁路建造技术国家工程实验室”的风洞试验系统高速试验段进行，试验段长×宽×高分别为15 m×3 m×3 m。以CRH2型列车(头车+中车)为试验对象，模型几何缩尺比选为1:25，以满足试验阻塞率＜5%的要求，为尽可能真实模拟气流的绕流特征，保证了试验模型几何外形上高度相似，并考虑了转向架、车轮等细部构造，但忽略了车窗、受电弓等细节。试验模型具有足够的强度和刚度，在试验中不发生变形且不出现明显的振动以保证测量精度。列车测压模型表面共布置345个测压孔，其中头车11个截面布置175个测压孔，由于头车截面沿列车纵向变化，各截面测压孔数目及位置不一致，在气流变化剧烈处测压孔更为密集，中车共10个截面布置170个测压孔，各截面测压孔数目和位置基本一致，测压孔的布置见图1。

单位：mm

1.2 测试仪器与装置

风压测量采用美国Scanivalve公司的DSM3400电子式压力扫描阀系统，试验共使用6个模块，保证列车表面所有测压孔可以一次同步测试，采样时长约30 s，采样频率625 Hz。采用高频动态天平测试列车中车气动力，用于和测压积分结果进行对比，测力试验采样参数与测压试验完全一致。

测力试验装置示意图见图2，试验时将测力天平底端固定在风洞转盘上，上端固定一块宽30 cm、厚1 cm的木板安装中车模型，而安装头车模型的木板则直接支撑在风洞转盘上，二者保持5 mm的间隙以保证头车和中车不相互干扰。

(a) 立面图；(b) 1-1剖面图

1.3 风场及试验工况

紊流风场中列车周围的流场不仅与自然风有关，还受列车运行速度的影响，但高速列车运行速度通常远大于自然风速，本文研究采用静止列车进行研究，试验风场为均匀流(顺风向紊流度＜0.5%)，文献[8]研究结果表明，列车气动力受雷诺数影响较小，试验风速选定为20 m/s。

本文风洞试验研究工作包括测压、测力对比及列车气动力特性测试两部分，考虑到测压、测力对比试验中，列车底部有图2所示的试验装置，试验照片如图3(a)所示，该状况下获得的列车气动力无法真实反映列车在地面运行时的空气绕流特性，按照图3(b)所示，将列车直接安装在风洞地板上以模拟地面效应对列车气动特性的影响。试验中，来流沿列车运行方向吹向列车鼻尖为0°风向角，垂直列车运行方向为90°风向角，以10°为增量进行了0°～90°风向范围内试验。

1.4 数值模拟

本文中数值模拟引入雷诺平均模拟法对Navier-Stokes方程进行简化,采用大型流场计算软件FLUENT对列车绕流流场进行计算。为了较有效地模拟试验，选用适应性良好的Realizable-湍流模型，Enhanced Wall Treatment 壁面函数。

计算域尺寸是在已有数值模拟计算域选定理论的基础上结合实际风洞尺寸确定，长×宽×高为15 m×3 m×3 m。列车模型几何尺寸与风洞试验模型一致，模拟时将实际列车受电弓等突起均做光滑处理，模型表面各处粗糙度一样，以较少模型的计算规模。列车车底距轨道面0.2 m，由于列车表面复杂，选用四面体非结构网格，为了得到较准确的数值模拟结果，在列车周围加密网格，由于近壁面处理选用Enhanced Wall Treatment 壁面函数，列车四周划分15层三棱柱边界层网格，底层厚度0.03 mm，增长率1.2。正式计算前，选取了2套不同网格进行网格无关性验证，计算模型总网格数量在300～400万范围，本文研究采用Realizable-湍流模型，列车壁面无量纲高度+在1附近。建立的物理模型如图4所示。

图4 90°风向角下流场三维分析模型

此次数值模拟边界条件按风洞实际给风情况确定。入口风速已知，由试验风速确定，因此入口边界选用速度入口边界，即VELOCITY-INLET速度入口。湍流模式为and Epsilon，参数取默认值。出口边界选用压力出口，即PRESSURE-OUTLET出口边界，出口静压设置为参考值0 Pa，湍流设置与入口湍流设置一致。列车表面、流场顶面、底面和两侧壁设置为无滑移的固体壁面边界条件。

1.5 数据处理

测点处的风压系数C定义如下：

式中：P为点处表面风压；0为无穷远处试验参考高度处的静压；U为无穷远处参考点高度处的来流风速；为空气密度，取=1.255 kg/m3。

风压压力可以反映列车表面局部位置的受风状况，为了解列车整体气动力，可将压力系数对面积积分得到列车整体气动力系数，如侧力系数C，升力系数C和倾覆力矩系数C，其定义分别如下：

式中：，，分别为模型的高、宽和长；F，F和M分别为体轴系下模型受到的侧力、升力和倾覆力矩。

2 测试结果对比

2.1 列车气动力测压积分与测力比较

图5给出了列车中车气动力测力与测压积分结果对比。由图5可见，通过测压积分试验获得的平均气动力系数和测力试验结果随风向角变化规律一致，数值差别仅仅在±0.1以内，风向角小于40°时，由于列车气动力绝对值较小，偏差百分比(偏差百分比=(测压积分结果−测力结果)/测力结果)绝对值略大外，其余风向角下均小于10%。说明只要在列车表面布置合适的测压孔，通过测压积分试验获得的试验结果在精度上是可靠的。

图5 测压积分与测力气动力测试结果对比

2.2 风洞试验与数值模拟结果比较

图6给出了风洞试验和数值模拟2种研究方法头车和中车气动力系数对比结果。从图6可以看出，随着风向角的增加，头车侧力系数和升力系数先增大后减小，均在60°风向角时达到最大值，这一规律与文献[8]研究结果一致；中车侧力系数和升力系数则都随风向角增加呈递增趋势。大多风向角下，头车侧力系数较中车大，考虑列车的倾覆稳定性，说明头车的安全性相对较差，其气动力在60°风向角达到最大值，侧力系数试验值达0.59，升力系数试验值达0.74；中车的气动力在90°风向角时达到最大值，侧力系数试验值达0.46，升力系数试验值达0.76。因此，60°和90°风向角下列车的气动特性应尤为引起设计者的重视。

通过对图6进一步分析可知，风洞试验和数值模拟得到的列车气动力系数随风向角变化规律基本一致，相对而言，升力系数计算值与试验值吻合更好，差别在10%范围内，侧力系数差异略大，其原因可能在于，相较于升力，黏性力在侧力中所占比例更大，而风洞测压试验不能测得这一部分黏性力；当风向角大于20°时，头车升力系数偏差最大为0.05，中车为0.11，而头车侧力系数偏差最大为0.15，中车为0.11，而风向角小于20°时，由于气动力系数绝对值接近0，得到的偏差比较意义不大。表1分别给出了头车60°风向角和中车90°风向角气动力系数差异百分比，也可以发现，对于如前文所述，较不利的2个风向角，侧力系数差异百分比大于升力系数。总的来说，数值模拟结果与风洞试验结果基本一致，证明本文建立的数值模型是可靠的，基于该模型得到的列车绕流场分析结果也是可信的。

表1 风洞试验与数值模拟气动力最大值对比

差别百分比=|(风洞试验值−数值模拟值)/数值模拟值|

3 风向角对列车气动特性影响分析

3.1 风压分布

气动力反映列车整体受力情况，风压系数反映列车表面局部受力情况，结果更为微观，因此分析列车表面的风压分布可以从微观角度窥探风向角对列车气动特性影响。鉴于头车和中车的测压孔分布特征，本文以中车为例分析风向角对列车表面风压分布的影响，并将风洞试验和数值模拟结果进行对比分析。图7给出典型风向角下中车各断面测压孔平均风压系数，除靠近列车端部截面21风压略微有差别外，其他各截面的风压基本一致，说明风压沿列车中车纵向分布稳定。

根据列车风压分布特征，将列车表面绕流分为迎风区、尾流区、分离区和车底4个区域，除迎风区出现正压外，其他区域皆为负压，相对而言迎风区和分离区风压绝对值较大，尾流区和车底风压绝对值较小；各区域风压绝对值随着风向角的增大而增大，且以分离区最小负压尤为显著，从图7中可以发现，车身截面接近规则钝体，气流分离点比较固定。

(a) 0°风向角(风洞试验)；(b) 40°风向角(风洞试验)；(c) 90°风向角(风洞试验)；(d) 0°风向角(数值模拟)；(e) 40°风向角(数值模拟)；(f) 90°风向角(数值模拟)

对比风洞测压试验和数值模拟结果，可以得出，相同风向角下两者风压分布规律基本一致，但各区域数值模拟结果较试验结果均略大，以迎风区和分离区差别较为突出，迎风区数值模拟结果正压大于0.5接近0.8，风洞试验结果中迎风区正压基本小于0.5；分离区内10号测点正好位于列车迎风前缘与顶面弧形转角处，风压差异比较明显，数值模拟极负压值约为−4.0，而试验值约为−2.5。造成以上差异的原因可能有以下2点：一方面是数值模拟中计入了黏性力，且数值计算与风洞试验实际来流情况略有差异，另一方面，不同风向角工况下中车分离区内分流点固定，分离点附近区域风压波动较大，10号测点在该区域范围，因此试验和数值模拟结果差异比较明显。

图8给出典型风向角下整车外表面压力分布情况。从图8可知，由于车头导流作用受风向角变化影响较大，不同风向角下列车表面压力分布规律不同，0°风向角时，除车头顶点附近很小一部分出现较大正压外，其他位置的压力接近0，由于此时来流跟列车纵向一致，列车压力关于列车的纵向中心面对称分布；风向角大于0°时，列车的迎风侧出现正压区，且随着风向角的增大，正压逐渐增大，而列车的背风面压力则始终表现为负压，以靠近车头一侧附近区域尤为显著，并随着风向角的增大，这部分区域沿列车纵向逐渐向后扩大，列车顶面和底面都表现为负压，但顶面的负压绝对值明显大于底面，而且风向角越大这种现象越明显；不同风向角下，除车头位置外，列车迎风面顶部分流点固定，气流分流后在列车顶部及背风面形成负压区，分离点附近区域风压波动较大且最小值发生在该区域。总体而言，头车处在导流作用影响段，风压分布较中车复杂。

(a) 0°风向角(迎风面)；(b) 40°风向角(迎风面)；(c) 60°风向角(迎风面)；(d) 90°风向角(迎风面)；(f) 0°风向角(背风面)；(g) 40°风向角(背风面)；(h) 60°风向角(背风面)；(i) 90°风向角(背风面)

3.2 流场分布

为分析列车不同风向角下列车绕流特性，图9给出0.5(为列车高度)高度处的速度分布云图。来流在快速流动过程中，因受到结构物的阻挡后速度发生复杂变化，CRH2型列车车头呈流线型，其导流作用明显，流场结构沿列车长度方向可分为因车头导流作用风速渐变的导流段和风速分布基本一致的稳定段，导流区段内由于车身的阻挡与车头的导流共同作用导致沿纵向流场结构复杂。

由图9可知，流段长度随风向角的增大而减少，当风向角小于60°时，头车整体处在导流区段且中车大部分区域处于导流区段，风向角大于60°后，列车车头导流段不明显，90°风向角下气流绕过列车几乎呈对称分布，与小于60°风向角工况绕流流场差异显著。综合可知，风向角小于60°时，CRH2型列车绕流流场在头车附近主要呈流线型结构绕流形式，而风向角大于60°后，列车绕流流场主要表现为钝体绕流特性，这可能是导致CRH2型列车头车和中车压力分布差异及气动力随风向角变化的分布规律不同的主要原因。

(a) 风向角0°；(b) 风向角30°；(c) 风向角50°；(d) 风向角60°；(e) 风向角70°；(f) 风向角90°

4 结论

1) 测压试验可获得与天平测力精度相当的定常气动力，证明了测压积分测试列车气动力的可靠性，为测试列车气动力提供了一条新的手段和思路。数值模拟和风洞试验结果基本一致，证明了本文建立的数值模型的可靠性。

2) 头车和中车表面风压分布差异显著，车头导流作用随风向角差异很大。头车处在导流作用影响段，风压分布较中车复杂；不同风向角下，除车头位置，列车迎风面顶部分流点固定，气流分离后在列车顶部及背风面形成负压区，分离点附近区域风压波动较大且最大负压值发生在该区域。

3) 随风向角的增大，头车侧力系数和升力系数先增大后减小，在风向角为60°左右达到最大值；中车侧力系数和升力系数一直增大；风向角小于80°各工况，头车侧力系数远大于中车，研究时头车的安全性应特别引起注意。

4) 不同风向角下，列车绕流场具有三维特性，小于60°风向角各工况下，列车绕流流场在头车附近主要呈流线型结构绕流形式，而大于60°风向角各工况，列车绕流流场主要表现为钝体绕流特性。

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Numerical simulation on the influence of wind direction angle on CRH2 train aerodynamic characteristics

HE Xuhui1, 2, ZUO Taihui1, 2, ZOU Yunfeng1, 2, LAI Huirui3, XIAO Fei4

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction, Changsha 410075, China;3. Housing and Urban-rural Construction Bureau of Wuhan Economic and Technological Development Zone (Hannan District),Wuhan 430056, China;4. Engineering Quality Supervision Station of China Railway Guangzhou Bureau Group Co., Ltd.,Guangzhou 510030, China,)

The flow structure of a streamlined train changes with wind angles, and the aerodynamic characteristics of train are greatly affected. Pressure tests were carried out in wind tunnel to analyze the surface wind pressure and aerodynamic characteristics of CRH2 train model, and the results were compared with the force measurement results. The results show that the numerical simulation were at good agreement with the wind tunnel test results, and it can be used to analyze the influence of the wind direction angle on the aerodynamic characteristics of the train. The distribution of wind pressure and the change law of aerodynamic force of head car and the middle car were significantly different. The side force coefficient and lift coefficient of the head car increase at first and then decrease as the increase of wind direction angle, and it reaches maximum when wind direction angle is 60°, while the distribution of wind pressure and the change law of aerodynamic force of the middle car increase all the time. It shows that the flow field features three-dimensional spatial characteristics, the wind pressure coefficients and aerodynamic force coefficients of the first and the second vehicle appear different change rules with different wind exposures; the flow field around the train was form of streamline structure around angle of wind less than 60°, a transition from streamline to bluff body behavior occured when angle of wind more than 60°.

CRH2; wind angle; wind tunnel test; numerical simulation; aerodynamic characteristic

U271.91

A

1672 − 7029(2021)02 − 0277 − 10

10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20200452

2020−05−27

国家自然科学基金“杰青”资助项目(51925808)；国家重点研发计划资助项目(2017YFB1201204子课题)

邹云峰(1984−)，男，湖南邵阳人，副教授，博士，从事桥梁风致振动与高速铁路风车桥耦合振动研究；E−mail：yunfengzou@csu.edu.cn

(编辑 蒋学东)