周 鵬 曹從詠 宣守旺

(南京理工大學(xué)自動化學(xué)院，210094，南京//第一作者，碩士研究生)

列車在平地、路堤、橋梁等不同的承載結(jié)構(gòu)上運行時的氣動性能明顯有所區(qū)別[1-2]。與無風(fēng)環(huán)境相比，列車在側(cè)風(fēng)作用下運行時產(chǎn)生的流場不再具有對稱性，其氣動性能表現(xiàn)更差，運行安全性相應(yīng)降低。當(dāng)側(cè)向風(fēng)較大時，列車受到的傾覆力矩過大，則可能發(fā)生側(cè)翻甚至脫軌的安全事故[3-5]。因此，研究列車在不同線路條件下受到橫風(fēng)作用時的氣動性能對其安全性分析尤為重要。

文獻[6-8]的研究成果表明：當(dāng)車速及風(fēng)向角一定時，側(cè)風(fēng)速度越大，列車受到的側(cè)向力及傾覆力矩越大；當(dāng)車速及風(fēng)速一定時，風(fēng)向角為90°時，此時側(cè)風(fēng)即為橫向風(fēng)，列車受到的側(cè)向力及傾覆力矩最大。而列車實際運行時受到的大氣風(fēng)方向變化不定。本文以CRH6型動車組列車為研究對象，以列車在橫向風(fēng)作用下為最不利工況，分析列車在平地、路堤及橋梁等不同承載結(jié)構(gòu)上運行時的氣動特性。

1 仿真計算及方法

1.1 車-線路斷面結(jié)構(gòu)模型

由于實際列車及線路斷面結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，細節(jié)特征極多，計算數(shù)據(jù)過于龐大，在仿真計算中難以全面實現(xiàn)。因此，有必要對幾何模型進行適當(dāng)?shù)暮喕?/p>

1) 縮短列車編組長度。動車組采用“前車+中間車+尾車”方式的3節(jié)編組。列車總長度為74.5 m。每節(jié)車輛長度均為24.5 m，車輛高度為3.86 m、寬度為3.2 m，相鄰車輛之間的風(fēng)擋長度為0.5 m。

2) 假設(shè)車體表面光滑。相鄰車輛之間的風(fēng)擋簡化為光滑曲面；忽略門把手、車窗、車燈、受電弓等凸起物；忽略轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)，但保留其位置，以模擬轉(zhuǎn)向架位置處產(chǎn)生的渦流效應(yīng)。列車簡化模型的側(cè)視圖如圖1所示。

圖1 某CRH6型動車組列車簡化模型側(cè)視圖

3) 簡化線路斷面結(jié)構(gòu)。本文參考了文獻[6-9]，忽略道床、軌道及橋墩等斷面結(jié)構(gòu)，并預(yù)留了一定的軌道高度，分別建立車-線路斷面結(jié)構(gòu)的簡化模型，如圖2所示。其中，路堤距離地面高度為5 m，橋梁距離地面高度為15 m；路堤斜坡與地面的夾角約為34°，橋面坡度為2%；列車處于路堤及橋梁上的迎風(fēng)側(cè)位置(橫向風(fēng)方向沿Y軸正向)。由于平地斷面結(jié)構(gòu)相對簡單，本文不單獨列出。

圖2 不同車-線路斷面結(jié)構(gòu)簡化圖

1.2 計算域劃分

計算域需根據(jù)具體的線路斷面結(jié)構(gòu)及橫向風(fēng)的大小確定，要盡量保證邊界流動對列車?yán)@流流場影響最小。理論上，計算域應(yīng)當(dāng)在列車外圍的無窮遠處。由于實際計算能力無法滿足無窮遠計算域的要求。因此，本文在保證計算精度的前提下，對計算域經(jīng)過多次試算，最終統(tǒng)一確定了不同線路斷面結(jié)構(gòu)下列車在橫向風(fēng)作用中的計算域(如圖3所示)。整個計算域長為494 m，寬為340 m，高為100 m；計算域的參數(shù)取值見表1。

圖3 不同線路斷面結(jié)構(gòu)下的計算域劃分圖

參數(shù)含義取值列車頭到等效風(fēng)入口面(inlet面)的距離160 m列車尾到等效風(fēng)出口面(outlet面)距離240 m列車左側(cè)到橫向風(fēng)入口面(wind_inlet面)最小距離約96 m列車右側(cè)到橫向風(fēng)出口面(wind_outlet面)最小距離約240 m

在列車附近還要劃出長174 m、寬20 m、高為15 m的長方體區(qū)域，主要用于網(wǎng)格加密。

1.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件

網(wǎng)格劃分策略與計算域中的幾何模型形狀密切相關(guān)。本文結(jié)合結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的優(yōu)勢，采用了混合網(wǎng)格劃分策略，對計算域進行分塊網(wǎng)格劃分。在圖3中，小方塊區(qū)域內(nèi)采用四面體網(wǎng)格和三棱柱網(wǎng)格進行空間離散，其外圍區(qū)域采用較粗的六面體網(wǎng)格，內(nèi)外體網(wǎng)格通過交界面連接。不同線路斷面結(jié)構(gòu)下的整個計算域劃分的表面網(wǎng)格結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同線路斷面結(jié)構(gòu)下的網(wǎng)格劃分圖

網(wǎng)格尺寸從車體表面由近及遠逐漸變大，并在車頭、車尾、風(fēng)擋等流場變化較大的地方適當(dāng)加密。在列車表面附近劃分了3層邊界層網(wǎng)格，其中第1層網(wǎng)格節(jié)點到列車表面的最小法向距離為1.5 mm，指數(shù)增長率為1.5。合理控制表面網(wǎng)格分布節(jié)點。

平地、路堤及橋梁等3種線路斷面結(jié)構(gòu)下的整個計算域網(wǎng)格總數(shù)分別約為183萬個、187萬個及202萬個。

本文采用風(fēng)洞模擬方式，根據(jù)相對運動原理，假定列車靜止，通過給定等效風(fēng)速來模擬列車相對運動的情況。結(jié)合圖3，具體邊界條件設(shè)置如下：

1) 速度入口：inlet處的等效風(fēng)速度為180 km/h，方向沿x軸正向；wind_inlet處的橫向風(fēng)速度設(shè)定為0～40 m/s(計算步長10 m/s)，方向沿y軸正向。

2) 壓力出口：outlet、wind_outlet均為壓力出口，相對靜壓為0，參考壓力為101 325 Pa。

3) 壁面邊界：列車表面為靜止壁面，粗糙度為0.045 mm ；ground為移動壁面，速度為180 km/h，方向沿x軸正向，粗糙度為0.3 mm；ceil為靜止無滑移壁面。

2 計算結(jié)果與分析

本文通過CFD軟件對列車在橫向風(fēng)環(huán)境下不同線路斷面結(jié)構(gòu)上運行時產(chǎn)生的繞流流場進行數(shù)值模擬，得到了不同大小的橫向風(fēng)作用下列車在不同線路斷面結(jié)構(gòu)上運行時的氣動規(guī)律。

2.1 列車的氣動力系數(shù)及氣動力矩系數(shù)

列車運行過程受到的氣動力如圖5所示。

圖5 列車運行過程受到的氣動力示意圖

為了便于比較分析，結(jié)合圖5，并參考了文獻[10]，對力及力矩進行無量綱化處理，定義氣動力系數(shù)及氣動力矩系數(shù)為：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：

k——車廂編號，按頭車起編，按序遞增；

i——x，y，z方向；

cxk——第k節(jié)車的阻力系數(shù)；

cyk——第k節(jié)車的側(cè)向力系數(shù)；

czk——第k節(jié)車的升力系數(shù)；

mxk——第k節(jié)車的側(cè)滾力矩系數(shù)；

myk——第k節(jié)車的點頭力矩系數(shù)；

mzk——第k節(jié)車的搖頭力矩系數(shù)；

Fik——第k節(jié)車在i方向上受到的力；

Mik——第k節(jié)車所受繞i方向旋轉(zhuǎn)的力矩，矩點為車廂質(zhì)心；

Aik——第k節(jié)車在i方向上的正投影面積；

Bk——第k節(jié)車最大橫向?qū)挾龋?/p>

v1——列車速度；

v2——側(cè)風(fēng)風(fēng)速；

v3——合成風(fēng)速；

ρ——空氣參考密度，取1.225 kg/m3；

α——風(fēng)向角，橫向風(fēng)工況下取α=90°。

2.2 阻力系數(shù)變化規(guī)律

模擬得到的列車阻力系數(shù)變化曲線如圖6所示。經(jīng)分析，阻力系數(shù)變化有如下規(guī)律及特點：

圖6 列車阻力系數(shù)變化曲線圖

1) 由于該列車頭部流線型較差，當(dāng)列車在3種線路斷面結(jié)構(gòu)上運行時，頭車、尾車在無風(fēng)環(huán)境下的阻力系數(shù)均已超過了文獻[11]給出的列車阻力系數(shù)上限建議值0.3，因此，車頭流線型形狀需要進一步優(yōu)化。

2) 當(dāng)風(fēng)速為10 m/s時，列車在路堤上運行時，頭車的阻力最小而尾車阻力最大。隨著風(fēng)速增大，頭車在3種線路斷面結(jié)構(gòu)下的阻力系數(shù)及尾車在路堤上的阻力系數(shù)均相應(yīng)減小，其阻力方向始終沿列車運動反方向；而尾車在平地、橋梁上的阻力系數(shù)先減小后反向增大，其阻力變化出現(xiàn)拐點。

3) 當(dāng)風(fēng)速在10～20 m/s之間變化時，尾車在平地上的阻力系數(shù)變化較快；當(dāng)風(fēng)速約為20 m/s時，相比在橋梁上，尾車在平地上更早出現(xiàn)阻力系數(shù)變化拐點。

2.3 側(cè)向力系數(shù)變化規(guī)律

模擬得到的列車側(cè)向力系數(shù)變化曲線如圖7所示。經(jīng)分析，側(cè)向力系數(shù)變化有如下規(guī)律及特點：

圖7 列車側(cè)向力系數(shù)變化曲線圖

1) 無橫向風(fēng)作用時，列車幾乎未受到側(cè)向力的作用，列車側(cè)向力系數(shù)幾乎均為0。

2) 當(dāng)風(fēng)速為10 m/s時，頭車在路堤上的側(cè)向力系數(shù)最大，尾車在橋梁上的側(cè)向力系數(shù)最大。

3) 隨著風(fēng)速增大，頭車、尾車在平地、橋梁、路堤上的側(cè)向力系數(shù)總體呈增長趨勢，但當(dāng)風(fēng)速達到約30 m/s時，頭車在橋梁、路堤上的側(cè)向力系數(shù)略有降低，而尾車在橋梁上的側(cè)向力系數(shù)明顯比在路堤、平地上大。

4) 根據(jù)計算結(jié)果，列車在3種線路斷面結(jié)構(gòu)上運行時，頭車的側(cè)向力系數(shù)始終大于尾車和中間車。

2.4 升力系數(shù)變化規(guī)律分析

模擬得到的列車升力系數(shù)變化曲線如圖8所示。經(jīng)分析，升力系數(shù)變化有如下規(guī)律及特點：

1) 當(dāng)無橫向風(fēng)作用時，列車在3種線路斷面結(jié)構(gòu)上運行時，頭車受到的升力較小并向下，對軌道有垂向的壓力；尾車受到的升力較大并向上，有上翹的趨勢。

2) 當(dāng)列車受到橫向風(fēng)作用后，頭車的氣動升力迅速變?yōu)檎怠?/p>

3) 與頭車、中間車相比，當(dāng)風(fēng)速超過20 m/s時，尾車的升力系數(shù)最小。

4) 橫向風(fēng)作用下，列車在路堤上運行時的升力系數(shù)始終最大，平地上始終最小。

圖8 列車升力系數(shù)變化曲線圖

2.5 側(cè)滾力矩系數(shù)變化規(guī)律分析

模擬得到的列車側(cè)滾力矩系數(shù)變化曲線如圖9所示。經(jīng)分析側(cè)滾力矩系數(shù)變化有如下規(guī)律及特點：

圖9 列車側(cè)滾力矩系數(shù)變化曲線圖

1) 無橫向風(fēng)作用時，由于列車受到的側(cè)向力幾乎為0，升力較小，因此，側(cè)滾力矩系數(shù)幾乎為0。

2) 隨著橫風(fēng)速度增大，列車在路堤、平地上的側(cè)滾力矩系數(shù)均增大，路堤上增長較多。

3) 與中間車和尾車相比，頭車的側(cè)滾力矩系數(shù)在路堤、平地上始終最大，在橋梁上先增加后減小。

4) 當(dāng)風(fēng)速超過30 m/s時，列車在橋梁上運行時，頭車的側(cè)向力減小多，升力增加少，其側(cè)滾力矩系數(shù)有所降低，而尾車受到的側(cè)向力及升力均有所增大，其側(cè)滾力矩系數(shù)則有所增大。

3 結(jié)論

受線路斷面結(jié)構(gòu)的影響，列車在平地、路堤、橋梁上運行時氣動特性差異較大，如果受到橫向風(fēng)作用，這種差異性更加明顯。本文通過CFD數(shù)值模擬方法主要研究了某CRH6型動車組在不同線路斷面結(jié)構(gòu)上運行時氣動參數(shù)隨橫向風(fēng)風(fēng)速變化的規(guī)律，得到的主要結(jié)論如下：

1) 在無橫向風(fēng)環(huán)境下，頭車、尾車的阻力系數(shù)較大，已經(jīng)超過了建議值，當(dāng)受到橫向風(fēng)作用時，頭車的各項氣動系數(shù)變化更大，其氣動性能較差，由此說明，列車頭部流線型較差，需要進一步優(yōu)化。

2) 在橫向風(fēng)作用下，列車在3種線路斷面結(jié)構(gòu)上運行時，頭車均承受了最大的側(cè)向力，而尾車在橋梁上的側(cè)向力最大。

3) 不同于平地，列車在路堤、橋梁上運行時橫向風(fēng)對列車的氣動升力影響較大，而路堤上列車受到的氣動升力始終最大。

4) 除了當(dāng)風(fēng)速超過30 m/s時，列車在橋梁上運行的情況外，側(cè)滾力矩系數(shù)變化趨勢與升力系數(shù)變化趨勢大體相同，由此說明，側(cè)滾力矩不僅僅是由側(cè)向力產(chǎn)生，升力對側(cè)滾力矩的貢獻不容忽視。