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        側(cè)風(fēng)作用下高速列車(chē)的空氣動(dòng)力學(xué)初探

        2017-11-09 13:10:47張明祿
        四川建筑 2017年5期
        關(guān)鍵詞:研究

        成 楠, 張明祿

        (西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院, 四川成都 610031)

        側(cè)風(fēng)作用下高速列車(chē)的空氣動(dòng)力學(xué)初探

        成 楠, 張明祿

        (西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院, 四川成都 610031)

        用大渦模擬(LES)計(jì)算側(cè)風(fēng)影響下的簡(jiǎn)化了的高速列車(chē)環(huán)流。文章基于列車(chē)高度和來(lái)流速度,確定流動(dòng)的雷諾數(shù)Re為5.5×108。在偏轉(zhuǎn)角(在相對(duì)的側(cè)風(fēng)方向和列車(chē)前進(jìn)方向的夾角)為90°情況下,獲得計(jì)算結(jié)果。通過(guò)大渦模擬( LES)數(shù)值計(jì)算方法,對(duì)均勻定常側(cè)風(fēng)下高速列車(chē)的非定??諝鈩?dòng)力特性進(jìn)行了研究。計(jì)算結(jié)果分析表明,即使在均勻定常側(cè)風(fēng)下,列車(chē)所受空氣動(dòng)力也存在明顯的非定常性。

        高速列車(chē); 側(cè)風(fēng); 氣動(dòng)力; 非定常

        由于高速列車(chē)不斷升高的速度,高速列車(chē)遭受的空氣動(dòng)力問(wèn)題越顯突出[1]。列車(chē)行駛安全性與舒適性均和列車(chē)側(cè)風(fēng)問(wèn)題有關(guān),在眾多列車(chē)空氣動(dòng)力問(wèn)題中,列車(chē)側(cè)風(fēng)是一個(gè)重要問(wèn)題。從世界范圍來(lái)看,由于側(cè)風(fēng)引發(fā)的列車(chē)事故屢見(jiàn)不鮮,2007年,新疆一列車(chē)受大風(fēng)影響導(dǎo)致出軌,造成了嚴(yán)重交通事故[2]。高速鐵路發(fā)展的趨勢(shì)是列車(chē)車(chē)體輕量化和行駛高速化,但與此同時(shí),這種發(fā)展趨勢(shì)也會(huì)使側(cè)風(fēng)導(dǎo)致列車(chē)傾覆的概率明顯增加[3]。

        為了提高在側(cè)風(fēng)下列車(chē)行駛的安全性,近幾十年國(guó)內(nèi)外研究人員進(jìn)行了大量研究,包括通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)、實(shí)車(chē)試驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算等方法,考察了列車(chē)在側(cè)風(fēng)下的空氣動(dòng)力特性[4-7]。但這些研究的主要結(jié)論是在側(cè)風(fēng)下對(duì)列車(chē)的定常(時(shí)間平均)空氣動(dòng)力特性以及列車(chē)運(yùn)行穩(wěn)定性受側(cè)風(fēng)風(fēng)速波動(dòng)的影響,而從最近幾年才開(kāi)始對(duì)列車(chē)在側(cè)風(fēng)下的瞬時(shí)流場(chǎng)以及列車(chē)所受空氣動(dòng)力的瞬時(shí)特性的研究。2004 年,Christina Rol n等人發(fā)表論文指出,在較大側(cè)風(fēng)偏轉(zhuǎn)角情況下,列車(chē)的空氣動(dòng)力具有很強(qiáng)的非定常特點(diǎn)[3]; 2005年~ 2006年,Hassan Hemida 發(fā)表多篇論文[8-9]并根據(jù)計(jì)算結(jié)果指出,在側(cè)風(fēng)作用下列車(chē)所受的非定??諝鈩?dòng)力的頻率接近真實(shí)列車(chē)系統(tǒng)的固有頻率。國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)到關(guān)于列車(chē)在側(cè)風(fēng)下非定??諝鈩?dòng)力方面的研究的相關(guān)文獻(xiàn)。通過(guò)以上分析可以看出,在側(cè)風(fēng)下列車(chē)非定??諝鈩?dòng)力特性的研究還未有系統(tǒng)的研究,尚屬起步階段。同時(shí),已有部分研究結(jié)果指出,側(cè)風(fēng)作用在列車(chē)上的定常空氣動(dòng)力的大小不足以解釋列車(chē)被大風(fēng)吹翻的原因[11]。因此,研究側(cè)風(fēng)下列車(chē)非定常空氣動(dòng)力問(wèn)題具有現(xiàn)實(shí)意義。

        針對(duì)自然風(fēng)速相對(duì)列車(chē)的偏轉(zhuǎn)角為 90°的情況,本文通過(guò)大渦模擬(LES)數(shù)值計(jì)算方法,研究了車(chē)身所受空氣動(dòng)力的非定常特性以及列車(chē)周?chē)嵌ǔA鲌?chǎng)特性,最后根據(jù)研究結(jié)果,為列車(chē)側(cè)風(fēng)非定常空氣動(dòng)力特性提出了筆者的看法。

        1 數(shù)值模型和計(jì)算方法

        1.1 數(shù)值模型

        為了將問(wèn)題簡(jiǎn)化,同時(shí)突出所研究的側(cè)風(fēng)部分,本文研究是在自然風(fēng)速的偏轉(zhuǎn)角為 90°的情況,即風(fēng)向?yàn)闄M向垂直于高速列車(chē)側(cè)壁,且不考慮列車(chē)行駛方向的速度。側(cè)風(fēng)角和偏轉(zhuǎn)角定義方式如圖1所示。本次計(jì)算采用的實(shí)車(chē)模型是CRH2型高速列車(chē),為減少計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間,采取如下簡(jiǎn)化:(1)將列車(chē)分為頭車(chē)、中間車(chē)和尾車(chē),分別設(shè)為25.5 m、25 m和25.5 m,整輛列車(chē)為一連續(xù)剛體。(2)將列車(chē)表面簡(jiǎn)化成光滑曲面,認(rèn)為表面的粗糙度各處一致,并假設(shè)表面摩擦力沿車(chē)身均勻分布。(3)在實(shí)際模擬計(jì)算中把列車(chē)底部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)去掉,使列車(chē)底面和地面間形成了一個(gè)狹縫,并用這個(gè)狹縫對(duì)流場(chǎng)的影響來(lái)模擬列車(chē)底部結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)的影響,本文中列車(chē)與地面間距設(shè)為0.2 m。

        圖1 列車(chē)與計(jì)算流域位置(單位:m)

        1.2 計(jì)算域設(shè)定及網(wǎng)格劃分

        (1) 計(jì)算域。 將計(jì)算域劃分為來(lái)流區(qū)和尾流區(qū),根據(jù)繞流流場(chǎng)的基本特性,尾流區(qū)域取較大值。列車(chē)模型尾流區(qū)域的縱向長(zhǎng)度大于3倍的列車(chē)模型總長(zhǎng)度,列車(chē)模型前端的流場(chǎng)區(qū)域的縱向長(zhǎng)度大于2倍的列車(chē)模型寬度,計(jì)算域高度大于10倍的車(chē)高[2]。計(jì)算域的幾何尺寸為 500 m×40 m×100 m(圖1)。

        (2) 網(wǎng)格劃分。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,共生成500多萬(wàn)。為了保證網(wǎng)格質(zhì)量,提高壁面函數(shù)應(yīng)用于邊界層模擬的準(zhǔn)確性網(wǎng)格,在車(chē)體表面及地面處生成邊界層網(wǎng)格,邊界層網(wǎng)格的厚度為100 mm,增長(zhǎng)比為1.2,共設(shè)置5層邊界層網(wǎng)格。

        1.3 邊界條件

        模擬列車(chē)附近的外流場(chǎng)采用相對(duì)運(yùn)動(dòng)條件。即假定列車(chē)靜止,空氣來(lái)流以與列車(chē)運(yùn)行速度反向等值的速度vt繞流列車(chē),側(cè)風(fēng)以速度vw吹向列車(chē),二者的合成速度為v(圖1)。

        (2)出口邊界條件。壓力邊界條件,出口壓力取一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)。

        (3)計(jì)算域表面。由于選擇的流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域足夠大,可認(rèn)為外圍邊界對(duì)列車(chē)周?chē)牧鲌?chǎng)的影響甚小,計(jì)算區(qū)域的外圍邊界設(shè)定為壓力出口。

        2 計(jì)算結(jié)果及其分析

        列車(chē)速度vt= 350 km/h,側(cè)風(fēng)速度vw=30 m/s,側(cè)風(fēng)的偏轉(zhuǎn)角為90°的列車(chē)表面壓力分布。

        從迎風(fēng)側(cè)靜止壓力圖,可以看出頭車(chē)前緣的正負(fù)壓最大,其他位置不是危險(xiǎn)截面(圖2)。我們需要重視危險(xiǎn)位置,把重要問(wèn)題突出。其中負(fù)壓比正壓系數(shù)要多出50 %,因此列車(chē)在側(cè)風(fēng)下的行駛過(guò)程中,更可能被吸走,而不是吹走。

        圖2 靜止壓力和列車(chē)位置的關(guān)系

        本研究將計(jì)算初始時(shí)間的部分刪除,留下穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果,得出時(shí)間-側(cè)力曲線圖(圖3)。

        圖3 頭車(chē)、中間車(chē)和尾車(chē)的側(cè)力值隨時(shí)間的變化曲線

        列車(chē)表面壓力分布是在總體趨勢(shì)不變的情況下, 隨時(shí)間在均值附近波動(dòng), 這種波動(dòng)的幅值及相應(yīng)位置存在隨機(jī)性。這種壓力波動(dòng)表明: 即使在定常側(cè)風(fēng)的情況下, 列車(chē)所受空氣動(dòng)力也存在明顯的非定常性。由圖3可以看出在側(cè)風(fēng)作用下,三個(gè)不同位置頭車(chē)的側(cè)力峰值最大,而且無(wú)論是幅值還是變化程度,中間車(chē)和尾車(chē)都相對(duì)頭車(chē)較小,因此最應(yīng)當(dāng)受到關(guān)注的位置是頭車(chē)。

        而后,又采用了不同車(chē)速、風(fēng)速和偏轉(zhuǎn)角,依然得到相似的氣動(dòng)力幅值與列車(chē)位置的規(guī)律。

        3 結(jié)論

        本文基于計(jì)算流體力學(xué)和多體動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù),對(duì)側(cè)風(fēng)下高速列車(chē)的空氣動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行了數(shù)值模擬,可得到如下結(jié)論:

        (1)受到極大關(guān)注的側(cè)力在頭車(chē)位置最為危險(xiǎn),接下來(lái)的研究應(yīng)當(dāng)集中關(guān)注頭車(chē)的氣動(dòng)力情況。而在頭車(chē)前緣的位置,壓力系數(shù)最大,因此考慮最大受力位置時(shí),頭車(chē)的位置應(yīng)當(dāng)是首當(dāng)其沖的。

        (2)列車(chē)所受非定常力是由于側(cè)風(fēng)導(dǎo)致的非定常流場(chǎng)產(chǎn)生,并且列車(chē)所受非定常空氣動(dòng)力特性與其周?chē)嵌ǔA鲌?chǎng)特性之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此,有可能在風(fēng)洞試驗(yàn)中,通過(guò)對(duì)列車(chē)周?chē)嵌ǔA鲌?chǎng)的測(cè)量得到列車(chē)在側(cè)風(fēng)下所受非定常空氣動(dòng)力特性。

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        U260.11

        A

        [定稿日期]2017-05-05

        成楠(1991~),男,碩士,研究方向?yàn)楦咚倭熊?chē)空氣動(dòng)力學(xué)。

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