劉峰，姚松，張潔，張娜(中南大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，軌道交通安全教育部重點實驗室，湖南 長沙，410075)

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動車組橫風(fēng)環(huán)境下的交會氣動效應(yīng)

劉峰，姚松，張潔，張娜
(中南大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，軌道交通安全教育部重點實驗室，湖南 長沙，410075)

摘要：采用三維、可壓縮、非定常N?S方程的數(shù)值計算方法，對8輛編組的動車組在20 m/s橫風(fēng)下以250 km/h速度交會時列車表面瞬變壓力和車體所受氣動力及力矩進(jìn)行分析，并采用間接驗證方法，將風(fēng)洞實驗、動模型實驗得到的結(jié)果分別與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比。研究結(jié)果表明：間接驗證方法下所得氣動效應(yīng)實驗結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果變化規(guī)律一致，壓力幅值相對誤差在 5%以內(nèi)；動車組橫風(fēng)下交會時，車體頭、尾處測點壓力差別較大，中部位于同側(cè)測點壓力差異較小，同一高度、不同縱向測點的壓力變化波形及幅值基本一致，車體頂部測點壓力始終為負(fù)；對于車體所受橫向氣動力及傾覆力矩，頭車比中間車和尾車的大，背風(fēng)車比迎風(fēng)車的大；隨著橫風(fēng)風(fēng)速的增加，列車所受橫向氣動力及傾覆力矩峰值也迅速增加，嚴(yán)重威脅著動車組的安全運行。

關(guān)鍵詞：動車組；橫風(fēng)；交會；風(fēng)洞實驗；動模型實驗；氣動效應(yīng)

動車組高速交會時，交會側(cè)的空氣壓力發(fā)生突變，產(chǎn)生瞬態(tài)壓力沖擊，會對車體鋼結(jié)構(gòu)、側(cè)窗和車體橫向穩(wěn)定性帶來不利影響[1?3]。交會過程中若遭遇較大的橫風(fēng)，可使交會壓力波幅值增加，列車將承受更大的橫向沖擊載荷[4?5]。我國地形及氣象條件比較復(fù)雜，不少行車區(qū)段已處于強(qiáng)風(fēng)區(qū)，而隨著高速鐵路的不斷發(fā)展，強(qiáng)風(fēng)區(qū)內(nèi)動車組交會不可避免[6]：因此，研究動車組橫風(fēng)下交會時的氣動效應(yīng)具有很強(qiáng)的現(xiàn)實意義。對于橫風(fēng)效應(yīng)和列車交會問題，國內(nèi)外學(xué)者開展了諸多數(shù)值模擬研究[7?14]，但將二者進(jìn)行耦合分析即同時考慮列車橫風(fēng)環(huán)境下發(fā)生交會的研究較少。為此，本文作者以國內(nèi)處于風(fēng)區(qū)中的某客運專線高速鐵路為研究對象，采用數(shù)值模擬方法對動車組在橫風(fēng)下以250 km/h 速度交會時的車體表面測點壓力、車體所受橫向氣動力及傾覆力矩變化進(jìn)行分析，為動車組在風(fēng)區(qū)內(nèi)交會安全性提供氣動依據(jù)。另外，對于列車橫風(fēng)下交會這種復(fù)雜工況，采用的數(shù)值模擬方法很難通過實驗手段進(jìn)行直接驗證。據(jù)文獻(xiàn)[15]，在對物理假說進(jìn)行驗證時，對于受實驗水平的限制暫時達(dá)不到要求的情況，可以采用間接驗證的方法?；谶@一思路，采用風(fēng)洞模型實驗和動模型實驗，將動車組單列橫風(fēng)下運行、2 列無風(fēng)下交會運行的動車數(shù)值計算結(jié)果與實驗結(jié)果分別進(jìn)行對比，以間接驗證本文所采用數(shù)值計算方法的可行性。

1數(shù)值計算模型及計算方法

依照所選列車及線路的實際幾何特征，建立列車橫風(fēng)交會數(shù)值計算模型。交會列車選用國內(nèi)高鐵線路上較常見的2款動車組，為了與實際運營盡量一致，列車模型均采用8輛編組，即頭車、6 節(jié)中間車和尾車，2款動車組全長分別為201.4 m和205.2 m。根據(jù)“鐵路200～250 km/h 既有線技術(shù)管理辦法”，動車組在環(huán)境風(fēng)速不大于20 m/s時可以正常速度運行，本文選擇動車組交會速度為250 km/h，環(huán)境風(fēng)速為20 m/s，風(fēng)向角為90°。交會開始前2車頭相距100 m，線間距為5m?？拷鼨M風(fēng)入口的列車為迎風(fēng)車，離橫風(fēng)入口較遠(yuǎn)的列車為背風(fēng)車。采用混合網(wǎng)格對計算區(qū)域進(jìn)行離散，即在幾何外形復(fù)雜的列車周圍區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，其他區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。同時加密列車周圍網(wǎng)格密度，遠(yuǎn)離車體網(wǎng)格采用稀疏網(wǎng)格，密網(wǎng)格和稀疏網(wǎng)格之間以一定的增長因子均勻過渡。計算區(qū)域和計算網(wǎng)格分別如圖1和圖2所示。

圖1　計算區(qū)域Fig.1　Computational zone

圖2計算網(wǎng)格Fig.2Computational mesh

基于三維、非定常、可壓縮、黏性流場對動車組橫風(fēng)下交會進(jìn)行流場數(shù)值分析，采用工程上應(yīng)用廣泛的k?ε湍流模型，時間步長為0.005 s，詳細(xì)流場控制方程及湍流模型見文獻(xiàn)[16]。為了得到穩(wěn)定初始流場，先讓列車靜止，加載橫風(fēng)，待風(fēng)場充分發(fā)展后再啟用滑移網(wǎng)格使列車運動。采用分區(qū)對接滑移網(wǎng)格技術(shù)，即在有相對運動的不同網(wǎng)格間設(shè)置公共滑移界面，從而實現(xiàn)彼此的數(shù)據(jù)交換。為了對車體表面瞬變壓力進(jìn)行分析，在動車組表面布置多個測點。迎風(fēng)車與背風(fēng)車布點方式一致，單列車共66個；頭車和尾車測點布置位置相同，且數(shù)量相對較多；車體中部壓力變化較小，所以，只在每節(jié)中間車的同一截面布置5個測點。具體布點方式如圖3所示。

圖3　動車組模型測點布置圖Fig.3　Points arrangement of EMU model

2　橫風(fēng)下交會空氣動力效應(yīng)分析

2.1動車組表面壓力變化

當(dāng)動車組無風(fēng)交會、車體表面測點壓力在對方頭車鼻尖到達(dá)時，會產(chǎn)生1個正、負(fù)脈沖，即頭波；在最大負(fù)脈沖出現(xiàn)后開始等幅波動，直到對方尾車鼻尖通過時，則會產(chǎn)生1個負(fù)、正脈沖，即尾波。由于本文選用動車組編組較長，故尾波幅度遠(yuǎn)小于頭波幅度[17]。

當(dāng)動車組交會發(fā)生在橫風(fēng)下時，流場則會同時具有橫風(fēng)特性和交會特性。一方面，橫風(fēng)會改變動車組表面尤其是頭尾區(qū)域原有的壓力分布，致使交會壓力波也發(fā)生相應(yīng)改變。以迎風(fēng)車車頭為例，橫風(fēng)作用會使車頭表面正壓區(qū)朝逆風(fēng)向偏移，負(fù)壓區(qū)朝順風(fēng)向偏移，因此，當(dāng)背風(fēng)車車身測點與其發(fā)生交會時，單由交會所產(chǎn)生的頭波正脈沖被削減，負(fù)脈沖被加強(qiáng)。另一方面，2 列動車組在橫風(fēng)下交會時，由于彼此之間具有擋風(fēng)作用，使的車體表面壓力幅值會產(chǎn)生進(jìn)一步改變。圖 4所示為動車組橫風(fēng)下交會時車體表面的壓力分布。

圖4動車組橫風(fēng)下交會車體表面壓力云圖Fig.4PressureContour of EMU in passing each other underCrosswind

圖5和圖 6所示分別為迎風(fēng)車、背風(fēng)車車身中部測點(21號測點)的壓力變化曲線。從圖5和圖6可以看出：由于橫風(fēng)和交會壓力波的雙重作用，動車組橫風(fēng)交會時車體表面測點壓力與無風(fēng)交會時有明顯不同；對于迎風(fēng)車車體交會側(cè)測點，與無風(fēng)交會相比，壓力頭波正波幅值較大，負(fù)波幅值較??；而壓力尾波正波幅值較小，負(fù)波幅值較大；頭、尾波之間的區(qū)間段壓力波動差別不大；對于背風(fēng)車車體交會側(cè)測點，幅值較大的為頭波負(fù)波和尾波正波；非交會側(cè)壓力主要受橫風(fēng)影響，有風(fēng)與無風(fēng)時，測點壓力幅值有一定的變化，而交會頭波和尾波帶來的幅值變化較小。近(4號測點)，分別為?1.76 kPa和2.37 kPa。尾車測點壓力幅值相對較小，鼻尖壓力(66 號測點)最大值及峰峰值分別為0.30 kPa和0.54 kPa。

圖5　迎風(fēng)車車身中部測點壓力變化曲線Fig.5　Curves of pressure for measuring points in the middle of upwind vehicle

圖6　背風(fēng)車車身中部測點壓力變化曲線Fig.6　Curves of pressure for measuring points in the middle of leeward vehicle

2.2動車組壓力變化幅值

圖7所示為動車組頭車對稱面上不同位置測點(見圖3)的壓力變化曲線。從圖7可以看出：在同一時刻，頭車鼻尖與車身過渡處壓力相差4.00 kPa左右；動車組橫風(fēng)下交會時，除車體交會側(cè)與非交會側(cè)壓力幅值差異較大外，頭、尾車由于曲率變化較大，其測點壓力幅值差異也比較大。以迎風(fēng)車車體表面測點壓力為例，交會過程中車體表面最大正壓發(fā)生在車頭鼻尖附近(1號測點)，為3.55 kPa，最大負(fù)壓及最大壓力峰峰值(最大值?最小值)發(fā)生在車頭鼻尖偏交會側(cè)附

動車組中部幾何結(jié)構(gòu)相對簡單，位于車體同側(cè)的測點壓力變化較小。圖 8所示為車體中部同一斷面不同測點壓力變化曲線。從圖8可以看出：對于動車組同側(cè)的測點，隨著車體垂向高度不同，測點壓力變化不大，壓力幅值及壓力峰峰值僅相差0.05 kPa左右；車體頂部測點壓力始終為負(fù)值，其最大正壓及峰峰值分別為?0.16 kPa和0.41kPa。沿車身不同縱向位置的測點，由于發(fā)生交會時刻不同，使得其壓力變化也有所不同。圖9所示為車體交會側(cè)不同縱向位置測點壓力變化曲線。從圖9可以看出：除了相位有所不同外，各測點壓力變化波形及幅值基本一致。背風(fēng)車的各測點壓力變化波形及幅值與迎風(fēng)車的類似。

圖7　車頭不同位置測點壓力變化曲線Fig.7　Curves of pressure for measuring points of different locations on head surface

圖8　車體中部同一截面不同測點壓力變化曲線Fig.8　Curves of pressure for different measuring points in the same section of the middle of EMU

圖9　車體中部不同縱向位置測點壓力變化曲線Fig.9　Curves of pressure for measuring points of different longitudinal locations on the middle part of train

圖10　迎風(fēng)車所受橫向氣動力變化曲線Fig.10　Curves of lateral force acting on upwind vehicle

2.3動車組所受氣動力及力矩

圖10～13所示分別為動車組橫風(fēng)下交會時，車體所受橫向氣動力及傾覆力矩變化曲線。由于中間車所受力及力矩變化幅值相差較小，因此，只選擇第4節(jié)車進(jìn)行分析。從圖10～13可以看出：受交會壓力波的排斥、吸引作用，迎風(fēng)車所受橫向氣動力及傾覆力矩在交會開始時先減小后增大，而在交會結(jié)束時先增大后減??；而背風(fēng)車在交會開始時先增大后減小，在交會結(jié)束時先減小后增大；與中間車和尾車相比，頭車所受橫向氣動力及傾覆力矩較大；當(dāng)頭車在另一列車區(qū)段內(nèi)行駛時，由于對方動車組的擋風(fēng)作用，其所受橫向氣動力及傾覆力矩較非交會時有所減小。

綜合比較各節(jié)車輛所受氣動載荷，背風(fēng)車頭車所受橫向氣動力及傾覆力矩相對最大，這是由于交會初始時產(chǎn)生的壓力頭波正脈沖與橫風(fēng)作用產(chǎn)生了疊加。表1所示為不同橫風(fēng)風(fēng)速下，動車組以250 km/h交會，背風(fēng)車頭車所受橫向氣動力及傾覆力矩峰值。從表1可以看出：隨著橫風(fēng)風(fēng)速增加，車體所受橫向氣動力及傾覆力矩峰值也迅速增加，當(dāng)風(fēng)速為40 m/s時，背風(fēng)車頭車所受橫向氣動力正峰值達(dá)到213.1kN，傾覆力矩正峰值達(dá)到356.2 kN?m，嚴(yán)重影響了動車組的安全運行穩(wěn)定性。

圖11　背風(fēng)車所受橫向氣動力變化曲線Fig.11　Curves of lateral force acting on leeward vehicle

圖12迎風(fēng)車所受傾覆力矩變化曲線Fig.12Curves of overturning moment acting on upwind vehicle

圖13　背風(fēng)車所受傾覆力矩變化曲線Fig.13　Curves of lateral force overturning moment acting on leeward vehicle

表1　不同橫風(fēng)風(fēng)速下背風(fēng)車頭車所受橫向氣動力及傾覆力矩峰值Table1　Lateral force and overturning moment acting on headCar of leeward vehicle underCrosswind with different speeds

3　模型實驗間接驗證

3.1風(fēng)洞實驗

風(fēng)洞實驗在長×寬×高為15 m×8 m×6 m的大型低速風(fēng)洞進(jìn)行[18]。選擇3輛編組(頭車+中車+尾車)的迎風(fēng)車動車組為研究對象。模型縮比為1:15，合成風(fēng)速為60 m/s，側(cè)滑角分別為0°，30°，60°，70°，80° 和 90°。正式實驗前，通過調(diào)整風(fēng)速，確保實驗雷諾數(shù)滿足自模擬區(qū)域，即氣動力系數(shù)、力矩系數(shù)不再隨來流速度的變化而改變。對于單車的數(shù)值模擬部分，模型縮比為1:15，合成速度為60 m/s，馬赫數(shù)Ma小于0.3，可認(rèn)為是不可壓縮流動問題，但為了保證與模擬雙車交會時計算方法的統(tǒng)一性，按照可壓縮問題進(jìn)行處理。圖14所示為在相同來流條件下，相同外形的動車組在平地上所受橫向氣動力及傾覆力矩的數(shù)值計算結(jié)果與風(fēng)洞實驗結(jié)果對比。從圖14可以看出：數(shù)值計算所得橫向氣動力和傾覆力矩與實驗結(jié)果變化規(guī)律一致，除 90°側(cè)滑角外，其他工況計算結(jié)果與實驗結(jié)果相對誤差在 5%以內(nèi)。計算橫風(fēng)交會工況的側(cè)滑角并沒有涉及 90°等大角度，這說明本文模擬橫風(fēng)所使用的計算方法是合理的。

圖14　風(fēng)洞實驗結(jié)果與計算結(jié)果比較Fig.14Comparison between wind tunnel test results andCalculated results

3.2動模型實驗

采用中南大學(xué)軌道交通安全教育部重點實驗室的列車氣動性能動模型實驗裝置，驗證本文對于動車組無風(fēng)交會時氣動效應(yīng)模擬的有效性。該實驗裝置可以真實再現(xiàn)動車組高速交會時的空氣三維非定常流動現(xiàn)象，是模擬列車交會氣動問題的專用大模型實驗設(shè)備[19]。實驗所用2列動車組模型與數(shù)值計算模型完全一致，編組同為8 輛，模型縮比均為1:31。根據(jù)流動相似原理，動模型實驗中模擬雷諾數(shù)是重要的相似準(zhǔn)則，而當(dāng)實驗雷諾數(shù)大于臨界雷諾數(shù)3.6×10 5(由實驗測得)時，氣動特性就不再隨雷諾數(shù)變化而改變[19]。本次動模型實驗列車速度為250 km/h，特征長度取模型車高0.119 m，在大氣壓為1×105Pa下，20℃時的空氣運動黏性系數(shù)為15.0×10?6m2/s，得出實驗雷諾數(shù)為 5.5×105，大于臨界雷諾數(shù)，說明本次的實驗結(jié)果滿足相似性要求。

兩動車組在無風(fēng)下以250 km/h 速度交會時，數(shù)值計算與動模型實驗中位于相同位置的測點壓力變化進(jìn)行對比。圖15所示為動車組中部交會側(cè)測點(21號測點)隨時間的壓力變化曲線對比。從圖15可以看出：通過數(shù)值計算與動模型實驗得到的車體表面壓力曲線變化規(guī)律基本一致，幅值相對誤差在 5%以內(nèi)，說明本文采用的數(shù)值計算方法可以較好地模擬動車組交會時所引發(fā)的空氣動力效應(yīng)問題。需注意的是：在用模型實驗間接驗證數(shù)值計算方法的可行性時，只針對模型縮比影響進(jìn)行分析，對于列車模型編組差異帶來的影響將有待進(jìn)一步研究。

圖15　動模型實驗結(jié)果與計算結(jié)果比較Fig.15　Comparison between moving model experiment results andCalculation results

4 結(jié)論

1)風(fēng)洞實驗、 動模型實驗得到的結(jié)果分別與數(shù)值模擬進(jìn)行對比，所得到氣動效應(yīng)變化規(guī)律基本一致，動車組表面測點壓力幅值相對誤差在 5%以內(nèi)，從而間接證明了本文采用的數(shù)值計算方法能夠較好地模擬動車組橫風(fēng)下交會時所誘發(fā)的空氣動力效應(yīng)問題。

2)動車組在20 m/s橫風(fēng)下以250 km/h交會時，車體表面最大正壓發(fā)生在車頭鼻尖附近，最大負(fù)壓及最大壓力峰峰值發(fā)生在車頭鼻尖偏交會側(cè)附近，且在車體頭、尾部不同位置測點壓力差別較大，頭車鼻尖處壓力比車身過渡處大4.00 kPa左右；車體頂部測點壓力始終為負(fù)值；車體中部處于同側(cè)的不同測點壓力差別較小，不同高度側(cè)點壓力幅值相差0.05 kPa左右，同一高度不同縱向測點壓力變化波形及幅值基本一致。

3)迎風(fēng)車所受橫向氣動力及傾覆力矩在交會開始時先減小后增大，而在交會結(jié)束時先增大后減小，背風(fēng)車與之相反；與迎風(fēng)車相比，背風(fēng)車所受橫向氣動力及傾覆力矩較大；與中間車和尾車相比，頭車所受橫向氣動力及傾覆力矩較大；隨著橫風(fēng)風(fēng)速增大，車體所受橫向氣動力及傾覆力矩峰值也迅速增大，嚴(yán)重威脅著動車組的安全運行。

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(編輯 陳燦華)

Aerodynamic effect of EMU passing by each other underCrosswind

LIU Feng,YAO Song,ZHANG Jie,ZHANG Na
(Key Laboratory of Traffic Safety on Track of Ministry of Education,School of Traffic & Transportation Engineering,Central South University,Changsha 410075,China)

Abstract:Based on unsteady N?S equation of three-dimensional andCompressible viscous fluid,the transient pressure on theCar surface,aerodynamic pressure and its moment were analyzed on theCondition that the EMU(electric multiple units)Consisting of8carriages interact with each other at the speed of 250 km/h under aCrosswind speed of 20 m/s.The results show that byContrasting the results of wind tunnel test and moving model experiment with numerical simulation using indirect verification method,theChange law of aerodynamic effect shows agreeable accordance with an error under 5%.When passing by each other underCrosswind,the pressure difference of measuring points on body and tail is obvious,the measuring points on the same side of middle part shows little difference,the waveform and amplitude of pressure variation on the measure points of different longitude directions with one height are the same generally,and the measurement point on the top of body presents negative pressure.The lateral force and overturning moment of the headCar are greater than those of the middle and the tail,and the later force and overturning moment of the leeward vehicle are greater than those of the upward one.With the increase ofCrosswind speed,the aerodynamic lateral force and overturning moment increase by the power law,which threatens the safe running of EMU greatly.

Key words:EMU(electric multiple units)?Crosswind? train-crossing? wind tunnel test? moving model experiment? aerodynamic effect

中圖分類號：U271.91；U25

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672?7207(2016)01?0307?07

DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2016.01.042

收稿日期：2015?01?10；修回日期：2015?03?25

基金項目(Foundation item)：國家自然科學(xué)基金資助項目(11372360,U1134203,51205418)；中南大學(xué)自由探索基金資助項目(2014zzts038)；中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目(2014T001-A)；湖南省杰出青年基金資助項目(14JJ103)(Projects(11372360,U1134203,51205418)supported by the National Natural Science Foundation ofChina? Project(2014zzts038)supported by the Exploration and Innovation Funds for Graduate Students ofCentral South University? Project(2014T001-A)supported by Science and Technology Research and Development Program ofChina RailwayCorporation? Project(14JJ103)supported by Outstanding Youth Fund of Hunan Province)

通信作者：姚松，副教授，從事軌道交通安全研究；E-mail: song_yao@csu.edu.cn