李西安　 馮　笑

（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院　 河南鄭州　450052）

基于列車明線運行與橫風(fēng)下的列車氣動特性分析

李西安 馮笑

（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南鄭州450052）

采用Hypermesh軟件對一CRH3型車車體進行有限元網(wǎng)格劃分，采用SC/Tetra軟件分別對列車明線運行和橫風(fēng)下運行進行數(shù)值模擬。對于列車明線運行，主要研究不同網(wǎng)格劃分對計算結(jié)果的影響以及與風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)的比較。對于列車橫風(fēng)作用下運行，主要研究不同車速和風(fēng)速下列車的氣動性能變化規(guī)律。

高速列車 數(shù)值模擬 外流場 橫風(fēng)

1　引言

伴隨著列車速度的提高，列車的氣動效應(yīng)對列車的運行性能將產(chǎn)生很大影響，空氣動力學(xué)問題的研究比例也越來越大。在強風(fēng)環(huán)境下列車的運行狀態(tài)明顯改變，流場附近的氣動力顯著增加，在強風(fēng)環(huán)境下導(dǎo)列車脫軌或傾覆事故屢見不鮮［1-3］。在鐵路沿線大風(fēng)地段合理修建擋風(fēng)墻也是提供列車安全運行的重要措施，蘭新線擋風(fēng)墻的修筑［4］。據(jù)有關(guān)試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明，高速列車運行速度在300 km/h以上時，75 %以上的運行阻力來源于氣動阻力，受空氣阻力和橫風(fēng)的影響，列車將會運行失穩(wěn)［5-7］?？諝鈩恿W(xué)的研究，對于提高列車運行的穩(wěn)定性、平穩(wěn)性以及降低空氣動力噪聲也會有重大意義。

本文采用數(shù)值模擬的方法，在不同車速（200 km/h ～ 300 km/h）和不同環(huán)境橫風(fēng)風(fēng)速（15.5 ～30 m/s）下對列車明線運行和橫風(fēng)下運行的空氣動力特性進行分析研究。

2　控制方程

2.1動量守恒方程

對于流體力學(xué)的動量守恒方程是指表面力和體積力之和等于其動量對于時間的變化率。列車的運行速度不超過300 km/h，馬赫數(shù)小于0.3，列車附近的流場可認為是不可壓縮的粘性流場，其動量守恒方程［8］的數(shù)學(xué)表達式為：

2.2標準k-ε模型

本文選采用的是典型k-ε渦流模型，此模型對于模擬邊界層流動、旋轉(zhuǎn)渦流、流動分離、強逆壓梯度和二次流具有較高的計算精度。列車在橫風(fēng)作用下高速運行時，周圍流場可定義為三維黏性非定常的湍流流場?？刂品匠蹋?］如下：

Gk、Gb分別為速度梯度和浮力引起的湍動動能產(chǎn)生項； YM代表脈動擴張；C1ε、C2ε和C3ε是常數(shù)；σk和σε是k方程和e方程的Prandtl數(shù)； Sk和Sε為自定義值；Cμ為經(jīng)驗常數(shù)，通常取為0.09。

3　計算模型

3.1簡化幾何模型

為了較為準確的計算列車的氣動載荷，同時避免大量網(wǎng)絡(luò)，本文采用1︰1實車結(jié)構(gòu)進行簡化，簡化過程中要注意列車的表面、車端連接、列車轉(zhuǎn)向架以及運行線路，略去細小設(shè)備，將長編組列車簡化成：頭車+中間車+尾車，其中頭車和尾車結(jié)構(gòu)相同，簡化后幾何模型如圖1所示。

圖1　列車幾何模型

3.2流場區(qū)域

3.2.1明線流場區(qū)域

車體結(jié)構(gòu)和流場特點都是關(guān)于車體縱向截面對稱，取半個流場作為計算區(qū)域，半個流場區(qū)域大小為430 m×53 m×156 m，車頭距流場前端為102 m，車尾距流場后端252 m，車身側(cè)面距流場側(cè)端51 m，車輪離地面0.208 m（鐵軌高度），車頂距流場上端151.5 m。

3.2.2橫風(fēng)下流場區(qū)域

受橫風(fēng)作用的影響，流場特點發(fā)生了變化，取整個流場作為計算區(qū)域，整個流場區(qū)域大小為430 m×356 m×95 m，車頭距流場前端為102 m，車尾距流場后端252 m，車身迎橫風(fēng)側(cè)距流場側(cè)端101.5 m，車身背橫風(fēng)側(cè)距流場側(cè)端251.5m，車輪離地面0.208 m（鐵軌高度），車頂距流場上端91.5 m。

3.3網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分也是有限元模擬計算中的一個重要環(huán)節(jié)，本文主要采用四面體單元和三棱柱單元對計算區(qū)域進行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)全域場劃分，根據(jù)計算對象的不同對列車結(jié)構(gòu)作不同程度的邊界層分離劃分，對于車身特殊部位研究需要對網(wǎng)格進一步加密，例如轉(zhuǎn)向架、車頭和車尾的流線過渡區(qū)及空調(diào)進風(fēng)口等，而遠離壁面的網(wǎng)絡(luò)可適當(dāng)變疏，合理優(yōu)化網(wǎng)格數(shù)量和規(guī)劃計算區(qū)域?qū)ο?，可有效提高計算速度和計算精度，本次計算的網(wǎng)格數(shù)目為550萬，頭車網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2　頭車網(wǎng)格劃分圖

3.4邊界條件及計算工況

列車明線運行時，外流場邊界需要賦予一定的條件，通過流場內(nèi)空氣和地面的運動來模擬列車的運行，入口邊界為速度入口（氣流速度為97.22 m/s），出口邊界為壓力出口（靜壓為0Pa），地面邊界為移動壁面（壁面速度為97.22 m/s），車身邊界為固定壁面（產(chǎn)生粘性阻力），左、右兩側(cè)以及上測邊界為自然流動，由于采用半車作為計算域，取車體縱斷面作為對稱面，對稱面為自由滑移壁面（不產(chǎn)生粘性阻力）。

在橫風(fēng)作用下列車運行時，取整車作為計算區(qū)域，入口邊界為速度入口（車速與橫風(fēng)風(fēng)速的合成速度），出口邊界為壓力出口（靜壓為0Pa），地面邊界為移動壁面（壁面速度為車速），車身邊界為固定壁面（產(chǎn)生粘性阻力），上側(cè)邊界為自然流動，空調(diào)進風(fēng)口速度入口（由空調(diào)進風(fēng)量計算，風(fēng)量為1200 m3/h）。

為了精確計算列車的各項氣動參數(shù)，選取列車運行速度為200 km/h和300 km/h，橫風(fēng)風(fēng)速為15.5（7級）、22.6（9級）、30.0（11級），大氣壓強為標準大氣壓作為本次計算的運行工況。

4　明線運行計算結(jié)果分析

本文以時速300公里的高速列車明線運行為研究對象，采用10種不同的網(wǎng)格數(shù)量來模擬不同網(wǎng)格數(shù)量下對列車明線運行的影響，并將數(shù)值計算結(jié)果與風(fēng)洞試驗結(jié)果進行了對比分析。

4.1不同網(wǎng)格劃分對模擬結(jié)果的影響

表1　不同網(wǎng)格的計算結(jié)果

計算結(jié)果由表1顯示，隨著網(wǎng)格數(shù)量的變化，車身表面壓力均呈現(xiàn)出較為一致的分布規(guī)律。以車頭鼻端處壓強為例，隨著車身表面網(wǎng)格總數(shù)不斷增加，鼻端壓力也隨之增加，壓力系數(shù)逐漸向1靠近，列車所受向下的氣動壓差升力值和氣動壓差阻力也逐漸減小。無論是否有邊界層網(wǎng)格的插入，當(dāng)半車網(wǎng)格總數(shù)超過200萬時，此時可得到誤差較小的車頭鼻端壓力系數(shù)；當(dāng)半車網(wǎng)格總數(shù)達到300萬以上時，車頭鼻端壓力系數(shù)基本可以保持為1，列車所受氣動粘性升力基本保持不變，維持在20 Pa左右。

4.2模擬計算結(jié)果和實驗數(shù)值比較

為了驗證仿真模擬計算結(jié)果的適用性，選10號網(wǎng)格的表面壓力分布圖及壓力系數(shù)作為列車的可靠性分析，如圖3和圖4所示：鼻端最大壓力為6014Pa，壓力系數(shù)是1.0326。從列車鼻端開始沿車身縱向?qū)ΨQ面布置了31個壓力監(jiān)測點，將獲取的壓力系數(shù)值與數(shù)值計算中相同位置監(jiān)測點的壓力系數(shù)值進行對比，風(fēng)洞實驗數(shù)據(jù)來自企業(yè)。對比結(jié)果有圖5可以看出，風(fēng)洞試驗測出的參考點壓力系數(shù)與數(shù)值模擬的計算結(jié)果基本一致，測點4、15、20的壓力系數(shù)存在偏差，但是偏差較小，不影響模擬數(shù)值和實驗數(shù)據(jù)的一致性。

圖3　編號10列車表面壓力分布云圖

圖4　編號10列車表面壓力系數(shù)云圖

圖5　實驗值與計算值壓力系數(shù)對比

5　橫風(fēng)下運行計算結(jié)果分析

在橫風(fēng)作用下，基于空氣動力學(xué)氣動性能的研究，主要研究不同車速和不同風(fēng)速下的氣動力和氣動力距，重點分析車體的升力、側(cè)向力和傾覆力矩。

5.1車體升力

如表6計算結(jié)果顯示，列車在橫風(fēng)下運行時，車體所受氣動升力隨著車速和風(fēng)速的提高而增大，當(dāng)固定車速，風(fēng)速由15.5 m/s增加到30.0 m/s時，運行速度為200 km/h和300 km/h的列車氣動升力分別增加了340.7 %和337.1 %。而當(dāng)固定風(fēng)速，車速由200 km/h增加到300 km/h時，風(fēng)速為15.5 m/s，22.6 m/s、和30.0 m/s下的列車氣動升力分別增加了18.4 %、19.2 %和20.0 %。由此可見，當(dāng)風(fēng)速一定時，列車速度增加對于氣動阻力的影響大于氣動升力。見表2，。

表2　列車穩(wěn)態(tài)橫風(fēng)下升力（N）

5.2車體側(cè)向力

表3　列車穩(wěn)態(tài)橫風(fēng)下側(cè)向力（N）

如表3所示， 當(dāng)車速固定，風(fēng)速由15.5 m/s增加到30.0 m/s時，運行速度為200 km/h、和300 km/h的列車氣動側(cè)向力分別增加了296.3 %和150.2 %，由此可見，當(dāng)車速較低時，橫風(fēng)對于列車氣動側(cè)向力的影響更大。而當(dāng)風(fēng)速固定，車速由200 km/h增加到300 km/h時，風(fēng)速為15.5 m/s、22.6 m/s和30.0 m/s下的列車氣動側(cè)向力分別增加了31.2 %、20.5 %和17.2 %?？梢钥闯?，隨著橫風(fēng)風(fēng)速的提高，由于車速提高而導(dǎo)致的列車氣動側(cè)向力提高值逐漸減少。當(dāng)橫風(fēng)風(fēng)速為30.0 m/s時，隨著車速增加，車體所受氣動側(cè)向力反而減少。

5.3車體傾覆力矩

如表4結(jié)果顯示，當(dāng)固定車速，風(fēng)速由15.5 m/s增加到30.0 m/s時，對于運行速度為200 km/h和300 km/h的列車傾覆力矩，頭車增加量分別為197.7 %和189.9 %，中車增加量分別為7730.8 %和809.2 %，尾車增加量分別為482.1 %和8974.1 %。由此可得，風(fēng)速越大，禍流就越劇烈，列車兩側(cè)的壓差就越大，列車所受到的傾覆力矩隨迅速也相應(yīng)增大，在車速較小時，橫風(fēng)對中車影響較大；當(dāng)車速較大時，橫風(fēng)對尾車影響較大。當(dāng)固定風(fēng)速，車速由200 km/h增加到300 km/h時，頭車傾覆力矩在3種級別的風(fēng)速作用下分別增加了32.3 %、41.9 %、32.9 %；中車傾覆力矩分別減少了146.7 %、52.9 %、16.6 %；尾車傾覆力矩在3種級別的風(fēng)速下分別減少了97.5 %、47.1 %、14.8 %，由此可得，列車速度對于傾覆力矩的影響比橫風(fēng)風(fēng)速要小

表4　列車橫風(fēng)下傾覆力矩（N·m）

6　結(jié)論

本文通過調(diào)整車體表面網(wǎng)格尺寸及邊界層網(wǎng)格厚度，得出網(wǎng)格劃分對計算結(jié)果有重大影響，鼻端處壓力隨著車體表面網(wǎng)格尺寸的減少而增加，當(dāng)半車網(wǎng)格數(shù)達到300萬以上時，壓力系數(shù)穩(wěn)定在1左右；選10號網(wǎng)格的計算結(jié)果與風(fēng)洞實驗結(jié)果進行了比對，數(shù)值模擬仿真分析的流場總體變化趨勢與風(fēng)洞試驗結(jié)果一致。

在橫風(fēng)作用下分析了氣動載荷對列車氣動參加的變化規(guī)律，計算結(jié)果顯示，橫風(fēng)對列車氣動升力的影響要大的多，而列車速度的增加對于氣動阻力的影響大于氣動升力；當(dāng)車速較低時，橫風(fēng)對于列車氣動側(cè)向力的影響更大；而隨著風(fēng)速的提高，車速提高引起的列車側(cè)向力提高值逐漸減少；隨著風(fēng)速的增加，列車頭車、中車、尾車所受到的傾覆力矩均迅速增大，且在車速較小時，對中車影響較大，當(dāng)車速較大時，對于尾車影響較大。

［1］LI Tian，ZHANG Ji-ye. An Improved Algorithm for Fluid-structure Interaction of High-speed Trains under Crosswind［J］. Journal of Modern Transportation，2011，9（2）：75-81

［2］李雪冰，楊征，張繼業(yè)，等.強風(fēng)中高速列車空氣動力學(xué)性能［J］.交通運輸工程學(xué)報，2009，9（2）：66-73

［3］譚深根，李雪冰，張繼業(yè)，等.路堤上運行的高速列車在側(cè)風(fēng)下的流場結(jié)構(gòu)及氣動性能［J］.鐵道車輛，2008，46（8）：4-8

［4］楊斌，劉堂紅，楊明智.大風(fēng)區(qū)鐵路擋風(fēng)墻合理設(shè)置［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2011，8（3）：67-72

［5］秦淼，高速列車空氣動力學(xué)性能的研究：（碩士學(xué)位論文）［D］.北京交通大學(xué)，2011：25-26

［6］王東屏，何正凱.動車組氣動阻力降阻優(yōu)化數(shù)值研究［J］.鐵道學(xué)報.2011，10（33）：15-18

［7］周丹，田紅旗，楊明智.強側(cè)風(fēng)作用下不同類型鐵路貨車在青藏線路堤上運行時的氣動性能比較［J］.鐵道學(xué)報.2007，29（5）：32-37

［8］劉峰.橫風(fēng)下高速列車空氣動力學(xué)數(shù)值模擬（碩士學(xué)位論文）［D］.大連交通大學(xué)，2012：8-9

［9］李明，王進.橫風(fēng)條件下高速列車不同速度下［J］.裝備制造技術(shù).2013，12（3）：55-57.空氣動力性能數(shù)值仿真

［10］李田，張繼業(yè).橫風(fēng)下高速列車通過擋風(fēng)墻動力學(xué)性能［J］.鐵道學(xué)報，2012，7（34）：30-35

Numerical Analysis of Aerodynamic Performance of the Train in Open Air and Cross Wind

LI Xi-an FENG Xiao
（Zhengzhou Railway Vocational & Technical College ZhengzhouHenan450052China）

This paper gives a finite element meshing on the body of Model CRH3 train through the software of Hypermesh， and gives a numerical simulation on the train operation in open-wire line and cross wind conditions respectively by adopting the SC/Tetra software. For the train operation under open-wire condition， the main research focuses on the effects on calculation result with different mesh generation， as well as the comparison with wind tunnel experiment data. while， for the one under cross wind condition， the research mainly focuses on the change rule of aerodynamic performance of the train with different speed and various wind speed.

high-speed train numerical simulation external flow field cross-wind

文獻標識碼：B文章編號：1673-1816（2016）03-0072-07

2016-06-18

李西安（1989-），助教，研究方向鐵道車輛可靠性分析。