黃尊地，陳傳仰，常寧，徐忠偉

（1.五邑大學(xué) 軌道交通學(xué)院，廣東 江門 529020； 2.廣州鐵道車輛有限公司，廣東 廣州 510800）

轉(zhuǎn)向架是保證車輛運(yùn)行品質(zhì)的關(guān)鍵部件. 列車在隧道內(nèi)運(yùn)行及交會(huì)時(shí)，轉(zhuǎn)向架不僅受到輪軌的載荷，還承受氣動(dòng)載荷，當(dāng)列車編組長(zhǎng)度、運(yùn)行速度、隧道長(zhǎng)度不同時(shí)，引起的氣動(dòng)載荷也不相同. 文獻(xiàn)[1-4]研究了不同時(shí)速列車的最不利隧道長(zhǎng)度. 目前隧道列車空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的研究較多[5-7]，但對(duì)轉(zhuǎn)向架氣動(dòng)特性的研究偏少. Guo等[8]研究了側(cè)風(fēng)作用下轉(zhuǎn)向架幾何復(fù)雜性對(duì)高速列車氣動(dòng)性能的影響. Dong等[9]研究了轉(zhuǎn)向架的簡(jiǎn)化效果對(duì)周圍流場(chǎng)和氣動(dòng)性能的影響，Wang等[10]結(jié)合轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)形狀和運(yùn)行環(huán)境開展了積雪影響高速列車轉(zhuǎn)向架的研究. 蔡華閩等[11]建立列車空氣動(dòng)力學(xué)模型，開展了不同車速無(wú)橫風(fēng)風(fēng)速的數(shù)值模擬，分析了動(dòng)車和拖車轉(zhuǎn)向架的氣動(dòng)性能，其中頭車位端轉(zhuǎn)向架1的阻力最大. 鄭循皓等[12]采用數(shù)值計(jì)算方法開展了高速列車轉(zhuǎn)向架空氣阻力的數(shù)值模擬研究，在無(wú)側(cè)風(fēng)條件下，頭車位端轉(zhuǎn)向架1阻力最大；當(dāng)有一定橫風(fēng)風(fēng)速時(shí)，轉(zhuǎn)向架4的阻力最大（轉(zhuǎn)向架編號(hào)詳見圖1所示）.

既有研究均集中在橫風(fēng)環(huán)境下轉(zhuǎn)向架的氣動(dòng)載荷分析上，隧道內(nèi)尤其是最不利隧道長(zhǎng)度下列車交會(huì)造成的轉(zhuǎn)向架氣動(dòng)載荷的變化未見系統(tǒng)研究. 鑒于此，本文開展高速動(dòng)車組在最不利隧道長(zhǎng)度下交會(huì)的數(shù)值計(jì)算工作，用動(dòng)模型試驗(yàn)驗(yàn)證其準(zhǔn)確性；基于驗(yàn)證后的網(wǎng)格模型和數(shù)值算法，計(jì)算高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架的氣動(dòng)載荷，分析其阻力、橫向力和升力的變化規(guī)律.

1 計(jì)算模型

1.1 動(dòng)車組模型

本文研究動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架的氣動(dòng)載荷，需要對(duì)動(dòng)車組車體表面的突出部件進(jìn)行簡(jiǎn)化，即忽略車門窗結(jié)構(gòu)、去掉受電弓和雨刮等，對(duì)車體進(jìn)行光滑處理. 列車中部截面不變，縮短的模型不改變列車流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的基本特征. 為了節(jié)省成本、減小計(jì)算量，縮短了CRH2動(dòng)車組的計(jì)算長(zhǎng)度，簡(jiǎn)化后的CRH2動(dòng)車組由“頭車+中間車+尾車”三節(jié)車組成，車體全長(zhǎng)77.4 m，最大寬度3.38 m，最大高度3.7 m，頭車和尾車長(zhǎng)度都為25.7 m，中間車長(zhǎng)度為25 m，風(fēng)擋高度為0.5 m. 整車結(jié)構(gòu)如圖1-a所示. 從頭車往后到尾車的轉(zhuǎn)向架分別被命名為bogie1、2、3、4、5和6，具體如圖1-b所示.

圖1 動(dòng)車組計(jì)算模型

1.2 隧道及計(jì)算域模型

本文采用單孔雙線隧道研究列車隧道交會(huì)的氣動(dòng)特性，其橫截面積為100 m2，線間距為5 m，半徑為6.87 m；根據(jù)文獻(xiàn)[1-4]的計(jì)算，列車三車編組（長(zhǎng)度為77.4 m）最不利隧道長(zhǎng)度為300m左右，所以隧道長(zhǎng)度選擇300m. 為了防止車尾尾渦及列車風(fēng)對(duì)初始邊界條件產(chǎn)生影響，需要保證車尾 距離空氣域的距離大于20H（H為車高），本文外圍空氣域的長(zhǎng)度定為300m；外圍空氣域的高度需要大于15H，本文高度設(shè)置為60 m；為了后期劃分網(wǎng)格的方便以及保證網(wǎng)格的質(zhì)量，外圍空氣域的寬度設(shè)置為120 m，具體如圖2所示.

圖2 隧道計(jì)算模型

1.3 邊界條件

根據(jù)計(jì)算域的設(shè)置，本文仿真模擬計(jì)算所涉及的邊界條件有：壓力入口、壓力出口、壁面和交換面，具體如圖3所示.

圖3 邊界條件

1）壓力入口和壓力出口，二者并沒有本質(zhì)上的區(qū)別，只是定義壓力進(jìn)出的方向相反. 模擬隧道內(nèi)兩車交會(huì)時(shí)，小域選取車前進(jìn)方向的面為壓力入口，車后方的面為壓力出口；大域選取其中一側(cè)的面為壓力入口，另一側(cè)的面即為壓力出口.

2）壁面有固定壁面和滑移壁面兩種，動(dòng)車組是移動(dòng)的，所以選用的壁面全都是固定壁面. 高速動(dòng)車組車體、隧道、山體面以及外圍空氣域的上下左右都應(yīng)定義為固定壁面.

3）交換面是相互移動(dòng)的滑移網(wǎng)格交換信息的面，即小域1和小域2外圍的上下左右4個(gè)面都設(shè)置為滑移交換面，空氣域3與小域1、小域2接觸的面也設(shè)置為交換面，這樣通過(guò)車對(duì)域和域?qū)嚨慕粨Q面互相交換流場(chǎng)信息，就可以分析兩列車在隧道內(nèi)交會(huì)所引起的壓力變化，進(jìn)而分析得出交會(huì)時(shí)轉(zhuǎn)向架的氣動(dòng)載荷規(guī)律.

1.4 網(wǎng)格模型

1）小域的網(wǎng)格劃分

本文采用混合網(wǎng)格對(duì)小域1和2進(jìn)行離散. 為開展離散工作，采用長(zhǎng)寬高分別為80 m、4 m、4 m的小計(jì)算域?qū)⑷嚲幗M的CRH2型動(dòng)車組單獨(dú)切分，包含列車的小計(jì)算區(qū)域底部距離大計(jì)算區(qū)域底部0.1 m；車頭、轉(zhuǎn)向架以及風(fēng)擋部分采用0.068 m的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行離散，其余部位網(wǎng)格尺度為0.1 m；在車體底面與小計(jì)算區(qū)域的底面設(shè)置網(wǎng)格離散控制函數(shù)，起始尺寸為0.1 m，增長(zhǎng)因子為1.01，最大尺寸為0.2 m，整體網(wǎng)格畸變度為0.84，具體如圖4所示. 最后對(duì)包含車的移動(dòng)小域前后兩個(gè)小體進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分.

圖4 局部網(wǎng)格

2）空氣大域的網(wǎng)格劃分

外圍空氣大域包含了3個(gè)部分：2個(gè)長(zhǎng)寬高分別為300 m、120 m、60 m包圍車的大域和長(zhǎng)度為300 m的隧道. 首先建立這3個(gè)域，并利用布爾運(yùn)算把這3個(gè)域合成1個(gè)域；利用面切塊工具將整個(gè)域切成若干個(gè)底面為四邊形的塊，生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；離散線時(shí)設(shè)置一個(gè)向外擴(kuò)散的比例因子，使得靠近車附近的網(wǎng)格密集、靠近邊界的網(wǎng)格稀疏，這樣既可以控制網(wǎng)格的數(shù)量，又可以保證網(wǎng)格的質(zhì)量. 本文選取的擴(kuò)散因子為1.04，生成的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格質(zhì)量為0.5，滿足計(jì)算的質(zhì)量要求. 最終整體網(wǎng)格數(shù)量為1 300萬(wàn)左右，具體如圖5所示. 列車是近地運(yùn)行的龐大、細(xì)長(zhǎng)物體. 當(dāng)列車高速運(yùn)行時(shí)，若取列車長(zhǎng)度為其特征長(zhǎng)度，那么列車外部流場(chǎng)雷諾數(shù)Re＞106，流場(chǎng)處于湍流狀態(tài)，因此可采用工程廣泛應(yīng)用的雷諾平均RANS（k-ε雙方程）湍流模型. 計(jì)算列車通過(guò)隧道的空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，氣體按三維可壓縮處理，仿真時(shí)選擇適合可壓縮流體的SIMPLE算法. 在求解過(guò)程中，壓力、流速、密度、力矩、能量、湍流動(dòng)能和湍流動(dòng)能耗散率均采用Second order upwind精度格式，松弛因子選擇使數(shù)值解穩(wěn)定性高的參數(shù)組合.

圖5 整體網(wǎng)格

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

本文采用動(dòng)模型試驗(yàn)對(duì)網(wǎng)格和數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行驗(yàn)證. 試驗(yàn)中隧道斷面布置如圖6-a所示，模型實(shí)物照片如圖6-b所示.

圖6 動(dòng)模型試驗(yàn)

試驗(yàn)前先對(duì)設(shè)備和儀器進(jìn)行檢測(cè)，以保證每次試驗(yàn)的準(zhǔn)確性. 試驗(yàn)中動(dòng)車組運(yùn)行速度為350 km/h，沒有橫風(fēng)風(fēng)速，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在車體中部和隧道內(nèi)表面. 為了保證試驗(yàn)整體的精確性，本文對(duì)工況進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn). 試驗(yàn)中列車通過(guò)隧道時(shí)，隧道壁面監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力變化與數(shù)值計(jì)算結(jié)果的對(duì)比如圖7-a所示；兩車交會(huì)瞬間，動(dòng)車組車體表面監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力變化與數(shù)值計(jì)算結(jié)果的對(duì)比如圖7-b所示. 由圖7可知，動(dòng)模型試驗(yàn)測(cè)得隧道表面和動(dòng)車組車體表面測(cè)點(diǎn)壓力隨時(shí)間的變化歷程與數(shù)值計(jì)算結(jié)果規(guī)律一致；數(shù)值計(jì)算值略大于動(dòng)模型試驗(yàn)值，但二者相差不大，誤差在5%以內(nèi)，滿足工程精度要求. 由此可知，本文數(shù)值計(jì)算方法是正確可信的.

圖7 動(dòng)模型試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的對(duì)比

3 結(jié)果分析

3.1 壓力云圖分析

高速動(dòng)車組進(jìn)出隧道和在隧道交會(huì)時(shí)產(chǎn)生劇烈的壓力波，轉(zhuǎn)向架部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其受力情況和表面壓力變化劇烈. 選用350 km/h和300 km/h動(dòng)車組不等速交會(huì)的工況，以車速350 km/h的動(dòng)車組為觀察車，分析其頭車進(jìn)入隧道時(shí)、尾車進(jìn)入隧道時(shí)、隧道內(nèi)兩車頭車與頭車交會(huì)時(shí)、隧道內(nèi)兩車頭車與尾車交會(huì)時(shí)、隧道內(nèi)兩車尾車與尾車交會(huì)時(shí)、頭車出隧道時(shí)、尾車出隧道時(shí)等7個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻的壓力云圖，具體如圖8所示，其中top表示視角從上往下看，bottom表示從下往上看.

圖8 轉(zhuǎn)向架表面壓力云圖

從圖8可以看出，動(dòng)車組運(yùn)行至某一時(shí)刻位置時(shí)，不同轉(zhuǎn)向架的受力情況和表面壓力不一樣；運(yùn)行至不同時(shí)刻位置時(shí)，同一轉(zhuǎn)向架的受力情況和表面壓力不一樣.

3.2 氣動(dòng)力分析

由圖8可知，在動(dòng)車組進(jìn)入隧道、隧道內(nèi)運(yùn)行和離開隧道的過(guò)程中，引起壓力上升的壓縮波和導(dǎo)致壓力下降的膨脹波在整個(gè)隧道內(nèi)往復(fù)傳播，形成較為復(fù)雜的馬赫波系，使列車表面壓力波動(dòng)劇烈，同時(shí)影響各轉(zhuǎn)向架的表面壓力分布，尤其是頭車和尾車的轉(zhuǎn)向架. 各轉(zhuǎn)向架阻力隨交會(huì)速度的變化規(guī)律如圖9所示. 由圖9可知，各轉(zhuǎn)向架阻力的變化規(guī)律類似，但是尾車的轉(zhuǎn)向架阻力較大，尤其是轉(zhuǎn)向架6的阻力最大. 轉(zhuǎn)向架6阻力的最大值隨交會(huì)速度的變化規(guī)律如圖9-b所示，其最大值隨動(dòng)車組交會(huì)速度的增大而增大，與速度的二次方成正比關(guān)系.

圖9 阻力變化規(guī)律

動(dòng)車組進(jìn)入隧道、隧道內(nèi)運(yùn)行和離開隧道的過(guò)程中，各轉(zhuǎn)向架受到的側(cè)向力波動(dòng)劇烈；受隧道內(nèi)壓力波動(dòng)的影響，側(cè)向力會(huì)改變受力方向，使轉(zhuǎn)向架運(yùn)行穩(wěn)定性受到影響. 各轉(zhuǎn)向架側(cè)向力的變化規(guī)律類似，但頭車和尾車的轉(zhuǎn)向架側(cè)向力波動(dòng)較大，尤其是轉(zhuǎn)向架1和6的側(cè)向力極值和幅值較大，中間轉(zhuǎn)向架的側(cè)向力數(shù)值接近. 轉(zhuǎn)向架1和6側(cè)向力的極值和幅值隨交會(huì)速度的變化規(guī)律如圖10和圖11所示，其側(cè)向力的極值和幅值隨動(dòng)車組交會(huì)速度的增大而增大，與速度的二次方成正比.

圖10 側(cè)向力極值變化規(guī)律

圖11 側(cè)向力幅值變化規(guī)律

動(dòng)車組進(jìn)入隧道、隧道內(nèi)運(yùn)行和離開隧道的過(guò)程中，各轉(zhuǎn)向架受到的垂向力波動(dòng)劇烈；受隧道內(nèi)壓力波動(dòng)的影響，垂向力會(huì)改變受力方向，使轉(zhuǎn)向架運(yùn)行穩(wěn)定性受到影響，尤其是點(diǎn)頭運(yùn)行劇烈. 方向向上的垂向力稱為升力，升力影響輪軌黏著，進(jìn)而影響列車牽引與制動(dòng)，危害較大. 各轉(zhuǎn)向架升力極值的變化規(guī)律類似，其隨交會(huì)速度的變化規(guī)律如圖12所示. 由圖12-a可知，不同速度下，動(dòng)車組中間車轉(zhuǎn)向架的升力極值比頭車和尾車轉(zhuǎn)向架的小，其中頭車轉(zhuǎn)向架2的升力極值最大. 由圖12-b可知，各轉(zhuǎn)向架升力極值的變化規(guī)律類似，均隨動(dòng)車組交會(huì)速度的增大而增大.

圖12 升力極值變化規(guī)律

各轉(zhuǎn)向架垂向力幅值的變化規(guī)律類似，其隨交會(huì)速度的變化規(guī)律如圖13所示. 由圖13-a可知，動(dòng)車組低速交會(huì)時(shí)，各轉(zhuǎn)向架的垂向力幅值差別不大，但當(dāng)動(dòng)車組運(yùn)行速度超過(guò)250 km/h，即高速交會(huì)時(shí)，轉(zhuǎn)向架位置越靠前垂向力幅值越大，列車點(diǎn)頭運(yùn)動(dòng)越劇烈；由圖13-b可知，各轉(zhuǎn)向架垂向力幅值的變化規(guī)律類似，均隨動(dòng)車組交會(huì)速度的增大而增大.

圖13 垂向力幅值變化規(guī)律

4 結(jié)論

本文通過(guò)動(dòng)模型試驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算方法的有效性，基于驗(yàn)證的數(shù)值計(jì)算方法，得到了各轉(zhuǎn)向架的氣動(dòng)力變化規(guī)律：

1）在動(dòng)車組進(jìn)入隧道、隧道內(nèi)運(yùn)行和離開隧道的過(guò)程中，各轉(zhuǎn)向架受到的壓力波動(dòng)劇烈（尤其是頭車和尾車的轉(zhuǎn)向架），影響了列車運(yùn)行的舒適性、穩(wěn)定性和安全性.

2）各轉(zhuǎn)向架阻力的變化規(guī)律類似，尾車轉(zhuǎn)向架6的阻力最大，該阻力的最大值和幅值隨動(dòng)車組交會(huì)速度的增大而增大，與速度的二次方成正比.

3）各轉(zhuǎn)向架側(cè)向力的變化規(guī)律類似，頭車轉(zhuǎn)向架1和尾車轉(zhuǎn)向架6的側(cè)向力最大，該側(cè)向力極值和幅值隨動(dòng)車組交會(huì)速度的增大而增大，與速度的二次方成正比.

4）各轉(zhuǎn)向架升力的變化規(guī)律類似，頭車轉(zhuǎn)向架2的升力最大；當(dāng)動(dòng)車組低速交會(huì)時(shí)，各轉(zhuǎn)向架的升力幅值差別不大，但當(dāng)動(dòng)車組運(yùn)行速度超過(guò)250 km/h（即高速交會(huì)時(shí)），轉(zhuǎn)向架位置越靠前升力幅值越大.

后期我們可以進(jìn)一步遴選合適的工況或者運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)，應(yīng)用測(cè)力天平直接測(cè)量出各轉(zhuǎn)向架的阻力、側(cè)向力和升力，以驗(yàn)證轉(zhuǎn)向架氣動(dòng)力的變化規(guī)律. 亦可研究分析轉(zhuǎn)向架氣動(dòng)力的變化規(guī)律以及最危險(xiǎn)的轉(zhuǎn)向架位置，為“先進(jìn)軌道交通國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目：自適應(yīng)轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)”提供動(dòng)力學(xué)分析的理論依據(jù).