周麗名，陳春俊，王東威

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031)

普速列車與動車組交會過程的車窗安全性研究

周麗名，陳春俊，王東威

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031)

隨著既有線路上普通快速列車和動車組運(yùn)行速度的提高,會車時兩車之間的氣動壓力會明顯增大;因此，會車壓力波給交會的普通快速列車和動車組造成的舒適性和安全性等影響明顯加劇;采用基于雷諾時均法(RANS)的RNG k-e二方程的湍流模型仿真計算普通快速列車時速140 km與動車組時速200 km時，明線和隧道兩種工況下會車過程的壓力波動情況，并用計算得到的車窗處壓力從車窗玻璃的靜強(qiáng)度、車窗玻璃的動態(tài)沖擊強(qiáng)度和車窗安裝強(qiáng)度三個方面分析了交會過程的車窗安全性;結(jié)果表明: 明線會車過程兩車交會側(cè)車窗受正壓和負(fù)壓的影響，隧道會車過程兩車交會側(cè)車窗主要受較大的負(fù)壓的影響;受壓縮波和膨脹波的疊加影響，交會壓力波的頭波波峰和尾波波谷的波動較小，而頭波波谷和尾波波峰的波動較大;在隧道會車時，動車組車窗中心處的負(fù)壓極值最大值約為明線會車的3.87倍，壓力波幅值最大值和最大壓力平均變化率較接近；普通快速列車車窗中心處的負(fù)壓極值最大值約為明線會車的4.25倍，壓力波幅值最大值和最大壓力平均變化率相差較大;車窗的長寬比越大，安裝結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越大，安裝結(jié)構(gòu)越寬，安裝強(qiáng)度越大。

明線會車;隧道會車;會車壓力波;靜強(qiáng)度; 動態(tài)沖擊強(qiáng)度;安裝強(qiáng)度

0 引言

隨著近年來國內(nèi)高速列車的快速發(fā)展，我國已成為高速鐵路里程最長、速度最高的國家，且由于我國地理環(huán)境的復(fù)雜性，普通快速列車與動車組在既有提速線路上的明線和隧道交會是普遍存在的。而隨著既有線路上普通快速列車和動車組運(yùn)行速度的提高將導(dǎo)致會車時兩車之間的氣動壓力明顯增大。因此，會車壓力波給交會的普通快速列車和動車組造成的舒適性和安全性等影響明顯加劇。

國內(nèi)外已有許多針對會車過程的氣動作用的研究。如文獻(xiàn)[1-8]對會車的壓力波動的影響進(jìn)行過許多數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，文獻(xiàn)[9]針對會車壓力波對高速列車運(yùn)行穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了深入的數(shù)值模擬研究，文獻(xiàn)[10-12]研究了交會壓力波對列車車窗和車體的影響。到目前為止，研究動車組與動車組交會情況的居多，對普通快速列車與動車組交會的相關(guān)研究還鮮有報道。由于普通快速列車的外形和速度區(qū)別于動車組，二者會車過程產(chǎn)生的壓力波動情況也區(qū)別于動車組之間會車產(chǎn)生的壓力波動情況，因此，會車過程對列車車窗的影響也是有區(qū)別的。交會過程中安裝結(jié)構(gòu)和車窗玻璃的強(qiáng)度不夠都會造成破窗事故的發(fā)生。文中使用FLUENT模擬普通快速列車時速140km和動車組時速200km的明線和隧道交會過程，得出兩種會車工況下的普通快速列車和動車組表面的壓力波動情況，并用計算得到的會車壓力波進(jìn)一步研究會車過程的車窗安全性。

1 數(shù)值模擬

1.1 數(shù)學(xué)模型及計算工況

文中主要仿真計算普通快速列車時速140 km與動車組時速200 km在明線和隧道會車兩種工況，列車線間距均為5 m。

1)會車過程中，兩列車的位置在不斷變化，屬于瞬態(tài)問題；

2)普通快速列車時速140 km與動車組時速200 km會車，外部流場雷諾數(shù)Re>106，故流場屬于紊流流場；

3)在交會過程中，尤其是隧道交會時，兩交會列車周圍空氣受到強(qiáng)烈的擠壓，因此，流動按可壓縮流處理；

綜合以上幾點(diǎn)，交會過程中的普通快速列車和動車組周圍的流場是三維瞬態(tài)、可壓縮的紊流流場。仿真計算時采用雷諾時均Navier-Stokes方程和RNG k-e方程的湍流模型。因?yàn)樵诮粫^程中，兩交會列車周圍空氣受到擠壓，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的可壓縮性，空氣密度改變，而密度跟溫度有關(guān)，因此計算過程中要聯(lián)立能量方程求解。雷諾時均形式的控制微分方程如下：

連續(xù)性方程為:

動量守恒方程為:

能量守恒方程為:

湍動能方程為:

湍動能耗散率方程為:

u,v,w為速度u在x、y、z坐標(biāo)方向的分量;ρ為空氣密度;μ為空氣動力粘度;μt為湍流粘度;k為湍流動能;ε為湍流動能耗散率;T為空氣溫度;κ為空氣熱導(dǎo)率;cp為空氣質(zhì)量定壓熱容;C1,C2,C3,σk,σε為常數(shù);Φ為耗散函數(shù);Φ=μPG;SMx,SMy,SMz為x、y、z方向動量方程的源項(xiàng)。

論文方程組的求解采用有限體積法[13-14]，數(shù)值計算分析采用fluent軟件完成。

1.2 幾何模型

由于動車組車廂間加有外風(fēng)擋裝置，且外風(fēng)擋的高度尺寸相對于動車組的高度尺寸較接近，因此可認(rèn)為動車組之間是緊密光滑連接的。列車轉(zhuǎn)向架等結(jié)構(gòu)對流場影響較小,且為了減小計算量，在不會影響計算結(jié)果的準(zhǔn)確性的情況下，縮短列車長度。對某型CRH簡化，忽略受電弓、門把手、轉(zhuǎn)向架、車鉤、風(fēng)擋等，假設(shè)CRH壁面光滑，建立CRH的模型包括頭車、尾車和一節(jié)中間車。普通快速列車的機(jī)車與客車、客車車廂間的間距較大，風(fēng)擋結(jié)構(gòu)的高度和寬度尺寸相對于列車的高度和寬度尺寸要小很多，因此普通快速列車的風(fēng)擋結(jié)構(gòu)對流場影響較大，不能忽略，對某型提速列車簡化，忽略受電弓、門把手、轉(zhuǎn)向架等，假設(shè)列車壁面光滑，建立普通快速列車的模型包括某機(jī)車和兩節(jié)客車車廂。建立的明線會車模型如圖1所示，隧道會車模型如圖2所示。

圖1 明線會車模型

圖2 隧道會車模型

建立明線會車模型，計算區(qū)域?yàn)殚L寬高分別是600 m、80 m、50 m的矩形區(qū)域；建立隧道會車模型，隧道的長度和高度分別為500 m和8 m，隧道外的計算區(qū)域長寬高分別為200 m、80 m、50 m的矩形區(qū)域。對普通快速列車和動車組車體表面、動網(wǎng)格區(qū)域、明線會車外部流場區(qū)域、隧道外流場區(qū)域和隧道區(qū)域劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格(四邊形和六面體網(wǎng)格)，使用動網(wǎng)格技術(shù)模擬普通快速列車與動車組、車體與外流場之間的相對運(yùn)動。

1.3 測點(diǎn)選取

由于本文關(guān)心的是交會側(cè)車窗位置的壓力變化，無論是普通快速列車還是動車組，都在每節(jié)車交會側(cè)面車窗中心處布置測點(diǎn)，把動車組分為A、B、C車，普通快速列車分為a、b、c車，分別對車窗進(jìn)行編號，如圖3和4所示，圖中示意車窗忽略了車窗的倒圓角。

圖3 動車組測點(diǎn)布置

圖4 普通快速列車測點(diǎn)布置

1.4 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證計算模型和計算方法的準(zhǔn)確性，將普列和動車組時速分別為140 km和200 km的明線交會仿真計算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。實(shí)測數(shù)據(jù)為達(dá)成線上明線交會動車組交會側(cè)側(cè)窗中心處的壓力值。交會過程中的頭波和尾波對比如圖5所示。列車空氣動力學(xué)的模型驗(yàn)證主要驗(yàn)證壓力波的幅值，從圖中可以看出，仿真計算結(jié)果的壓力波峰值和幅值與實(shí)測數(shù)據(jù)相當(dāng)接近，誤差在10%以內(nèi)，說明建立的數(shù)值模型有足夠的精度。

圖5 仿真與試驗(yàn)的頭波和尾波對比

2 數(shù)值計算結(jié)果

由數(shù)值計算結(jié)果可以看出兩車交會側(cè)各測點(diǎn)壓力波變化規(guī)律分別一致，因此可在普通快速列車和動車組上分別取其中一個測點(diǎn)分析兩種工況的壓力波變化情況。無論是明線還是隧道會車過程，在動車組的頭部和尾部通過時，普通快速列車交會側(cè)測點(diǎn)壓力分別達(dá)到第一個、第二個波峰和波谷；在普通快速列車機(jī)車Ⅰ位端和客車車廂2的Ⅱ位端通過時，動車組交會側(cè)測點(diǎn)壓力分別達(dá)到第一個、第二個波峰和波谷。車廂連接處會對測點(diǎn)壓力造成較小的擾動。

2.1 明線會車數(shù)值計算結(jié)果

圖6和圖7給出了動車組上B8號車窗中心處和普通快速列車上b9號車窗中心處測點(diǎn)在明線會車過程的壓力波動情況，從兩圖中可以看出，測點(diǎn)壓力在會車過程中發(fā)生兩次較大的突變，使車窗受到兩次較大的正壓和負(fù)壓的瞬態(tài)沖擊，將會影響車窗的安全。

圖6 明線交會B8車窗中心處壓力波 圖7 明線交會b9車窗中心處壓力波

圖8 隧道交會B8車窗中心處壓力波 圖9 隧道交會b9車窗中心處壓力波

2.2 隧道會車數(shù)值計算結(jié)果

圖8和圖9給出了動車組上B8號車窗中心處和普通快速列車上b9號車窗中心處測點(diǎn)在隧道會車過程的壓力波動情況，從兩圖中可以看出，受壓縮波和膨脹波的疊加影響，交會壓力波的頭波波峰和尾波波谷的波動較小，而頭波波谷和尾波波峰的波動較大，車窗受到極大的負(fù)壓作用，可能會使車窗玻璃被吸出。

3 車窗的安全性分析

3.1 車窗玻璃的強(qiáng)度分析

動車組和普通快速列車的車窗外層材料都是鋼化玻璃，車窗玻璃強(qiáng)度主要包括靜強(qiáng)度和動態(tài)沖擊強(qiáng)度。

靜強(qiáng)度是指玻璃能承受的最大靜載荷即交會壓力波的極值。根據(jù)TB3107-2011“鐵路客車單元式組合車窗”規(guī)定, 車窗玻璃抗風(fēng)壓能力為≥3 500 Pa，兩種工況交會過程的車窗位置壓力波極值最大值如表1和2所示，由于隧道會車過程波峰及波谷均為負(fù)壓，因此在考慮靜強(qiáng)度的時候不考慮波峰值。

從表1和表2看出，明線會車和隧道會車過程中交會側(cè)車窗中心處壓力極值大小差別很大。對動車組來說，明線會車的最大波谷值約為-324.4 Pa，隧道會車的最大波谷值約為-1 255.3 Pa，后者約為前者的3.87倍；對普通快速列車來說，明線會車的最大波谷值約為-293.6 Pa，隧道會車的最大波谷值約為-1 247.8 Pa，后者約為前者的4.25倍。但是無論哪種工況，車窗受到的最大波谷值的絕對值均≤3 500 Pa。

表1 動車組車窗中心處交會壓力波極值

表2 普通快速列車車窗中心處交會壓力波極值

由于兩車交會過程產(chǎn)生的壓力波屬于動態(tài)沖擊載荷，在考慮車窗玻璃的強(qiáng)度的時候，必須考慮玻璃的抗動態(tài)沖擊強(qiáng)度。通常用交會壓力波幅值△p及完成這個壓力波的時間△t來作為玻璃材料本身抗動態(tài)沖擊強(qiáng)度的評價指標(biāo)。

從壓力波的波峰到波谷的平均壓力變化率為:

從表3和表4看出，對動車組來說，明線會車和隧道會車過程的交會側(cè)車窗中心處的壓力波幅值最大值分別為442.5和466.5 Pa，幾乎相等，最大壓力平均變化率分別為9 833.3 Pa/s和10 366.7 Pa/s，較接近；對普通快速列車來說，明線會車和隧道會車過程的交會側(cè)車窗中心處的壓力波幅值最大值分別為532.0和736.4 Pa，相差204.4 Pa，最大壓力平均變化率分別為11 822.2 Pa/s和16 364.4 Pa/s，相差較大。

表3 動車組車窗中心處最大壓力平均變化率

表4 普通快速列車車窗中心處壓力平均變化率

3.2 車窗安裝強(qiáng)度分析

普通快速列車與動車組的車窗安裝方式不同，前者一般采用膠條安裝，后者采用從外部粘接的方式安裝。但無論哪種安裝方式，在車窗玻璃材料本身的靜強(qiáng)度和動態(tài)沖擊強(qiáng)度足夠的情況下，車窗所受的氣動壓力都要由周邊的安裝結(jié)構(gòu)承受[12]。

假設(shè)車窗的長為a，寬為b，周長為l，面積為A，安裝條的寬為c，面積為A1，車窗所受的氣動作用力為F。則安裝條單位面積所受的力為:

由上式可以看出，在車窗的面積一定的情況下，車窗的周長越長，安裝條越寬，單位面積所受的力越小。也就是說，在其余條件一定的情況下，車窗的長寬比越大，安裝結(jié)構(gòu)越寬，安裝強(qiáng)度越大。

4 結(jié)論

綜合以上計算結(jié)果及分析，得出如下結(jié)論：

1)無論是明線還是隧道會車過程，在動車組的頭部和尾部通過時，普通快速列車交會側(cè)測點(diǎn)壓力分別達(dá)到第一個、第二個波峰和波谷；在普通快速列車機(jī)車Ⅰ位端和客車車廂2的Ⅱ位端通過時，動車組交會側(cè)測點(diǎn)壓力分別達(dá)到第一個、第二個波峰和波谷。車廂連接處會對測點(diǎn)壓力造成較小的擾動。

2)受壓縮波和膨脹波的疊加影響，兩車交會側(cè)的交會壓力波的頭波波峰和尾波波谷的波動較小，而頭波波谷和尾波波峰的波動較大。

3)明線會車過程兩車交會側(cè)車窗受正壓和負(fù)壓的影響，隧道會車過程兩車交會側(cè)車窗主要受較大的負(fù)壓的影響。

4)對動車組而言，隧道會車交會側(cè)車窗中心處的最大負(fù)極值約為明線會車的3.87倍，而壓力波幅值最大值和最大壓力平均變化率較接近；對普通快速列車而言，隧道會車交會側(cè)車窗中心處的最大負(fù)極值約為明線會車的4.25倍，壓力波幅值最大值和最大壓力平均變化率相差較大。

5)如果車窗本身的靜強(qiáng)度和動態(tài)沖擊強(qiáng)度足夠的情況下，還需要考慮車窗安裝結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。車窗的長寬比，安裝結(jié)構(gòu)強(qiáng)度越大，安裝結(jié)構(gòu)越寬，安裝強(qiáng)度越大。

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Study on Safety of Windows in Intersection of Ordinary Fast Train and EMU

Zhou Liming, Chen Chunjun，Wang Dongwei

(College of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

With the increasing of the speed of Ordinary Fast Train and EMU on the existing railway, the pneumatic pressure will be significantly increased when they passed each other. Therefore, the influence to the comfort and safety of ordinary fast train and EMU caused by passing pressure wave will clearly exacerbated. When ordinary fast train with the speed of 140 km/h and EMU with the speed of 200 km/h passed each other, the pressure during the process of rendezvous on open tracks and intersection in the tunnel was simulated and calculated by Reynolds averaged Navier - Stokes equations and RNG k-e equations. Meanwhile, the calculated results was used to analyze the safety of windows from three aspects respectively are the static strength, dynamic impact strength of window glass and window installation strength. Calculation results show that the side windows was effected by the positive and negative pressure when Ordinary Fast Train and EMU intersected on open tracks, it was mainly effected by the negative pressure during the process of rendezvous in the tunnel. By the superposition of the compressed wave and the expansion wave, the trough of the head wave and the peak of the coda wave fluctuate less, while the head wave troughs and tail wave crest of larger fluctuations, the maximal value of negative pressure at the window’s center of the EMU is about 3.87 times that of the open line, and the maximum value of the amplitude of the pressure wave close to the average change rate of the maximum pressure. The maximal value of negative pressure at the center of the window of the Ordinary Fast Train is about 4.25 times that of the intersection on open tracks. There is a larger difference between the maximum value of pressure wave amplitude and the average change rate of maximum pressure. The greater the aspect ratio of the window, the greater the strength of the installation structure, the wider the installation structure, the greater the installation strength.

intersection on open tracks; intersection in tunnel; passing pressure wave; static strength; dynamic impact strength; mounting strength

2017-02-24；

2017-03-15。

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51475387)。

周麗名(1992-)，男，四川南充人，碩士研究生，主要從事車輛空氣動力學(xué)方向的研究。陳春俊(1967-)，男，四川蒲江人，博士，博導(dǎo)，教授，主要從事自動控制、高速列車氣動性能測試、車輛空氣動力學(xué)方向的研究。

1671-4598(2017)08-0230-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.08.059

U270.12

A