复杂峡谷地形条件下的桥上动车组横风气动特性研究

严冠章，李志伟，曾广志，洪昌生

（五邑大学 轨道交通学院，广东 江门 529020）

复杂峡谷地形由于横风的影响会产生一些特殊的风环境，气流从空旷地带向两山相对的峡谷地区流动时，气流会加速通过峡谷，风速也随之增大，形成峡谷风.高速列车在这些风环境中运行时，峡谷风与列车风相耦合，列车周围的流场分布情况变得非常复杂，气动力明显增大，并且时刻变化，导致列车脱轨、翻车的可能性明显增加[1].

目前，横风作用下的列车气动特性研究较为成熟[2-7].高架桥与横风耦合作用下列车的气动特性和倾覆安全性也有较多的分析[8-11].但是，对于峡谷地形和横风作用引起的列车气动特性研究较少：牛纪强等[12]和洪新民等[13]模拟了高速铁路线路周围的复杂地貌，并基于计算流体力学和滑移网格技术，对高速列车在强横风下通过这些复杂地貌时的气动特性进行了数值模拟；李田等[14]通过数值模拟的方法研究横风下高速列车通过峡谷的气动性能，发现不同风速下气动载荷系数波动幅值相差较大，严重影响列车在峡谷环境中运行时的安全性.

以上文献基本都是横风单一作用或与高架桥、峡谷地形两者之一耦合影响下分析动车组的气动特性.本文将横风、高架桥和峡谷地形三者耦合，建立复杂的地形模型，采用三维、粘性、不可压缩的N-S方程和k-ε湍流模型，通过数值仿真方法，探究桥上列车穿越复杂峡谷地形情况时的横风气动特性，分析其变化规律，以期为列车在复杂峡谷环境下的安全行驶提供参考.

1 数值计算模型

1.1 计算模型

为模拟动车组在复杂峡谷地形条件下的气动性能，采用三车编组的城际动车组进行仿真计算.如图1所示，动车组由流线型头车、中间车和流线型尾车组成，其中，头车和尾车车长均为25.45 m，全车总长度为76.40 m；车宽为3.30 m，车高为3.86 m.另外，本文忽略受电弓、转向架和复杂结构对车辆气动性能的影响.同时，对高架桥进行简化处理（忽略桥墩），桥梁的宽度为12.24 m，厚度为3.54 m，桥梁表面到地表的距离为15 m，长度为1420 m，其简化模型见图2.

图1 城际动车组列车几何模型（单位：m）

图2 桥梁横截面（单位：m）

峡谷模型具有“喇叭口”外形，具有明显的峡谷风特性.峡谷模型长1420 m，宽450 m，山体高度170～200 m.峡谷口宽小于40 m.峡谷模型见图3.

图3 峡谷模型（单位：m）

1.2 计算区域与边界条件

如图4所示，高速列车沿X轴方向运动，其前方预留长度为1 170 m，而后方保留173.6 m，即整个计算区域中，沿X轴方向的长度为1 420 m；从Y轴方向上看，列车迎风侧的计算域宽650 m，其中包括峡谷三维模型的450 m和扩展区域200 m，列车背风侧的计算域宽420 m，计算区域的总宽度为1 070 m.Z轴方向，计算区域高度为500 m.其中，高架桥距离地面10 m.

图4 数值计算区域（单位：mm）

为正确求解控制方程，需要给出合理的边界条件.如图5所示，面ADHE给定速度入口边界条件；面BCGF设置为压力出口边界条件；面ABFE、面EFGH以及面DCGH均给定对称边界条件；高速列车车体表面、高架桥模型、底面ABCD均按光滑壁面处理.

图5 边界条件设定

1.3 网格划分

采用非结构化网格对计算域进行划分，其中，列车表面为三角形网格，空间为四面体网格.由于近壁面区域的气流变化较为剧烈，因此对计算域内列车表面附近的网格进行加密处理[15].设置了3种不同尺度的网格，用于验证网格密度对计算结果的影响，分别为稀疏网格、中等网格和精细网格，相对应的网格总数依次为3 426 308、4 388 979和5 581 952.通过数值计算得到的不同尺度网格下的某一时刻整车侧向力、升力和倾覆力矩的计算结果如表1所示.

表1 3种网格密度的整车气动力计算结果

对比可知，稀疏网格与中等网格的计算结果偏差稍大，计算出的精细网格与中等网格的整车侧向力、升力和倾覆力矩结果偏差分别为9.55%、8.72%和9.07%，均小于10%，吻合度较高.采用中等尺度进行网格划分的计算区域满足计算要求，列车表面和峡谷表面网格如图6和图7所示.

图6 列车头部曲面局部网格

图7 峡谷表面网格

1.4 湍流模型及求解设置

本文研究的动车组车型的最高行驶速度为200 km/h，当列车以200 km/h进入横风区域时，其流动马赫数Ma＜0.3，可视为不可压缩流体，即空气密度为常数.同时，采用k-ε标准双方程湍流模型进行流场模拟.k-ε湍流模型广泛用于求解充分发展的湍流，但是近壁面处雷诺数较低，湍流发展不充分，所以在近壁面处采用标准壁面函数处理.压力速度耦合采用 SIMPLE算法求解，控制方程压力项采用Standard格式进行离散，动量、湍流动能、湍流耗散率均采用一阶迎风格式离散.本次计算在天河二号超级计算机系统上完成，该系统提供了高性能计算的软硬件支持，包括运行大型流体计算商业软件ANSYS FLUENT.

2 数值计算结果分析

2.1 列车表面压力分布

高架桥上动车组穿越峡谷的过程是一个连续性的过程.为更好了解列车穿越峡谷的全过程，将全过程大致划分成3时间段，如图8所示，图中黑色表示列车.

图8 列车穿越峡谷过程

图9为横风风速20 m/s、车速200 km/h工况下的列车表面压力云图.高架桥上动车组穿越峡谷时，气流在列车迎风面滞留，流速下降，在迎风侧形成正压区；由于列车车头的流线型设计，气流在列车顶部和背风面产生分离，使得列车背风侧形成负压.

图9 列车穿越峡谷表面压力云图

不同工况下，列车表面压力变化形式相差不大，但是其数值大小的差异具有重要的工程应用价值.如图10所示，同种横风风速下，列车车速增加，其表面压力最大值、最小值和幅值随之加大；相同车速条件，横风风速提高，其表面压力最大值、最小值和幅值也相应上升.

图10 不同工况下列车表面压力值变化

基于上述分析，高架桥上动车组穿越峡谷时，头车鼻端点区域表现出压力波动，其主要受车速和横风风速的影响.列车表面压力的最大值位于头车鼻端点区域，其最小值在流线型头部与等截面车身位置处.因此，为确保列车运行安全，应着重考虑这两个部位的结构强度和疲劳特征.

2.2 列车气动力特性

图11为不同工况下的整车侧向力变化.车速的快慢直接决定列车穿越峡谷地形过程所需的时间，车速分别为120 km/h、160 km/h和200 km/h时，列车穿越峡谷所需时间为30 s、22.5 s和18 s.如图11-a所示，以车速120 km/h工况为例，在0~2s时段，迎风侧山峰高度较低，作用于车体迎风侧表面的气流较大，侧向力曲线呈现第一个波峰；在4~8s时段，迎风侧山峰高度较上一波峰时上升约40%，故侧向力曲线峰值有所减小；在8~11s时段，即列车穿越峡谷中，由于具有“喇叭口”的地形特点，经过开阔地带的气流进入峡谷时，空气大量堆积，从而加速流过峡谷“喇叭口”，作用于列车表面，使得迎风侧的正压值迅速增大，同时，在背风侧形成较大的负压力，因此，侧向力曲线达到峰值.同理可知，不同车速工况下的侧向力曲线也呈现相似的规律，因车速不同，经历波峰的时间段有所不同.相较于车速120 km/h，车速为160 km/h和200 km/h时，整车侧向力最大值分别增加了4.80%和19.94%.如图11-b所示，3个工况的整车侧向力曲线变化规律基本一致，相较于横风风速20 m/s，横风风速为30 m/s和40 m/s时，整车侧向力分别增加了 47.49%和 136.31%.由此可见，高架桥上动车组穿越峡谷时，横风风速和车速都会影响整车侧向力，但是横风风速对整车侧向力的影响远远大于车速的影响.

图11 整车侧向力随时间变化曲线图

图12是不同工况下的整车升力变化.如图12-a所示，3车的整车升力曲线变化规律较为相似，车速的改变对于整车升力的影响非常小.如图12-b所示，对比横风风速20 m/s，横风风速为30 m/s和40 m/s时，整车的升力分别提升了 82.15%和 227.92%.比较发现，横风风速提高对整车升力的影响非常之大.

图12 整车升力随时间变化曲线图

图13为不同工况下的整车倾覆力矩变化.由于列车沿着X轴的负方向运动，因此整车的倾覆力矩曲线大部分都在负值区域.如图13-a所示，随着车速增加，整车倾覆力矩（带负号）呈下降趋势.相比车速120 km/h，车速为160 km/h和200 km/h时，整车倾覆力矩变化幅值分别提高了3.97%和17.37%.如图13-b所示，当横风风速变大时，整车倾覆力矩最小值大幅度降低.横风风速30 m/s和40 m/s相较于20 m/s时，整车倾覆力矩变化幅值分别增大了51.04%和145.23%.

图13 整车倾覆力矩随时间变化曲线图

3 结论

高架桥上动车组穿越峡谷地形时，车速和横风风速对其气动性能都有明显影响，危害列车运行的安全性.本文通过数值仿真的方法对不同车速和横风风速条件下列车穿越峡谷全过程的瞬态气动特性进行了较详细的分析，得出结论如下：

1）列车表面压力在流线型头部有显著变化，压力最大值出现在列车头部鼻端点区域，随着车速和横风风速的增加，压力最大值也随之增大.因此该位置的结构强度应该相应加强，并应在运行和维护中着重关注；

2）车速和横风风速都会影响列车气动力特性，随着两者的提高，列车整车侧向力、升力和倾覆力矩均呈现增大的趋势.通过对比分析可知，横风风速对列车气动力特性的影响远远大于车速对其的影响；

3）列车穿越峡谷“喇叭口”时，整车侧向力、升力和倾覆力矩都达到最值，其整车侧向力、升力和倾覆力矩均随时间增加表现出先增大到最值后减小的变化趋势.

本文研究结果可为桥上列车在复杂峡谷环境下的安全行驶提供重要的依据，但本文仅进行了数值计算，后期将进一步完成复杂峡谷地形条件下桥上动车组的风洞试验，以验证数值计算的结果.