楊偉超，歐陽(yáng)德惠，鄧鍔，何旭輝，唐林波，鄒云峰

(1.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410075；2.中南大學(xué)高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家工程研究中心，湖南長(zhǎng)沙，410075)

隨著我國(guó)高速鐵路建設(shè)迅速發(fā)展，在其高平順性要求和我國(guó)多山地形等雙重因素下[1]，高速鐵路沿線上隧道和橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施占比非常高，如西成客運(yùn)專(zhuān)線全線橋隧比高達(dá)93%[2]。橫風(fēng)作用下的列車(chē)氣動(dòng)性能問(wèn)題[3-10]，尤其是在基礎(chǔ)設(shè)施迅速切換條件下(如隧-橋-隧連接段)引發(fā)的氣動(dòng)性能惡化問(wèn)題[11-12]，逐漸受到諸多研究者的關(guān)注。該問(wèn)題常用的研究手段主要可分為動(dòng)模型和靜模型兩大類(lèi)。鑒于動(dòng)模型方案成本高(尤其是風(fēng)洞試驗(yàn))，大多數(shù)研究者仍采用靜模型方案[13-17]。然而，不同運(yùn)行環(huán)境下，靜、動(dòng)模型的結(jié)果差異規(guī)律是不同的，因此，關(guān)于靜模型方案能否代替動(dòng)模型方案一直存在爭(zhēng)議。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者針對(duì)橫風(fēng)環(huán)境下列車(chē)運(yùn)行于不同線路條件下的氣動(dòng)性能展開(kāi)了一系列靜模型或靜、動(dòng)模型對(duì)比的研究。CHEN等[18]基于分離渦(DES)技術(shù)建立了三維CFD靜模型，研究了橋上靜態(tài)列車(chē)?yán)@流特性，研究結(jié)果表明：橋上工況得出的頭車(chē)側(cè)力系數(shù)比平地工況的高12%～29%。NOGUCHI 等[19]基于大渦模擬(LES)數(shù)值方法重現(xiàn)了列車(chē)在路堤上的繞流特征，研究了側(cè)風(fēng)環(huán)境下路堤上靜態(tài)列車(chē)模型氣動(dòng)力系數(shù)的影響因素，研究結(jié)果表明：若路堤模型長(zhǎng)度不足，其端部產(chǎn)生的渦將使列車(chē)周?chē)鲌?chǎng)發(fā)生畸變，這揭示了靜列車(chē)模型風(fēng)洞試驗(yàn)研究中的弊端。MALEKI等[20]基于LES 建立了三維CFD 靜模型，研究了側(cè)風(fēng)作用下雙層貨運(yùn)列車(chē)在平地上不同裝載方案對(duì)其周?chē)鲌?chǎng)結(jié)構(gòu)以及氣動(dòng)力系數(shù)的影響，揭示了車(chē)箱頂部和背風(fēng)側(cè)流場(chǎng)的不穩(wěn)定性以及隨風(fēng)向角變化的發(fā)展規(guī)律。PREMOLI 等[21]針對(duì)橫風(fēng)條件下列車(chē)與道砟軌道基礎(chǔ)設(shè)施(STRB)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響展開(kāi)研究，發(fā)現(xiàn)在STBR條件下，盡管靜模型結(jié)果具有一定代表性，但是其仍與相應(yīng)的動(dòng)模型氣動(dòng)系數(shù)相差12%左右。HEMIDA 等[22]基于LES 方法對(duì)比了明線上地面邊界分別處于移動(dòng)和靜止的條件下貨運(yùn)列車(chē)靜模型的流場(chǎng)特性，發(fā)現(xiàn)地面運(yùn)動(dòng)使車(chē)廂側(cè)力系數(shù)降低了2.5%左右，升力增加了11%左右。NIU 等[23]基于分離渦模擬方法(DDES)建立了三維CFD 數(shù)值模型，揭示了橫風(fēng)條件下平地上靜、動(dòng)列車(chē)模型分別在有、無(wú)擋風(fēng)墻的條件下氣動(dòng)性能的差異規(guī)律，研究結(jié)果表明：在無(wú)擋風(fēng)墻條件下，用靜模型方案代替動(dòng)模型方案可能會(huì)導(dǎo)致氣動(dòng)荷載等計(jì)算結(jié)果偏于保守；而在有擋風(fēng)墻時(shí)，靜、動(dòng)模型結(jié)果則完全不同。上述關(guān)于靜、動(dòng)模型對(duì)比的研究均揭示了靜、動(dòng)模型方案在列車(chē)氣動(dòng)壓力等方面的計(jì)算結(jié)果存在一定程度的差異。遺憾的是，這些研究主要關(guān)注列車(chē)運(yùn)行于平地、路堤和橋梁等相對(duì)穩(wěn)定的基礎(chǔ)設(shè)施的情形，而對(duì)在隧-橋-隧等基礎(chǔ)設(shè)施迅速切換的情形下的靜、動(dòng)模型氣動(dòng)性能差異的研究關(guān)注較少。

本文作者參照中南大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室的縮尺比為1∶16.8的動(dòng)列車(chē)模型風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)，基于LES技術(shù)分別建立了相應(yīng)的隧-橋-隧線路條件下靜、動(dòng)列車(chē)的三維CFD 數(shù)值模型。將數(shù)值模擬結(jié)果與相應(yīng)的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證本文數(shù)值模型方法及其結(jié)果的可靠性。分析動(dòng)列車(chē)模型分別位于隧道入口、出口和橋中3個(gè)典型位置時(shí)車(chē)體表面壓力特性與等效偏航角條件下相應(yīng)的靜模型結(jié)果之間的差異，并從流場(chǎng)角度揭示其差異機(jī)制。所得結(jié)果有望為流場(chǎng)突變條件下列車(chē)氣動(dòng)性能的風(fēng)洞試驗(yàn)方案選取提供依據(jù)。

1 數(shù)值模型

1.1 湍流模型

LES方法的基本思想是對(duì)Navier-Stokes方程進(jìn)行某種過(guò)濾，對(duì)大尺度渦結(jié)構(gòu)進(jìn)行直接求解，對(duì)小于過(guò)濾尺度的湍流采用現(xiàn)有模型加以刻畫(huà)，其求解過(guò)程如下：

1.2 幾何模型與邊界條件

圖1(a)所示為數(shù)值模型計(jì)算域的幾何整體布局和邊界條件設(shè)置情況。風(fēng)洞外部?jī)啥烁髟O(shè)置了一段由平地和狹長(zhǎng)通道組成的對(duì)稱穩(wěn)定段。其中，平地段采用直徑為3 m 的半圓柱建模，長(zhǎng)度為6 m；狹長(zhǎng)通道的橫斷面與隧道的橫斷面相同，長(zhǎng)度為6 m；列車(chē)模型始發(fā)點(diǎn)位于平地段，車(chē)頭初始位置距離風(fēng)洞入口7.8 m。風(fēng)洞試驗(yàn)段計(jì)算域邊界的尺寸與風(fēng)洞低速試驗(yàn)段的實(shí)際尺寸保持一致，其內(nèi)部構(gòu)造的布局和幾何尺寸均與試驗(yàn)工況保持一致，線路位于風(fēng)洞長(zhǎng)度方向的中間位置。模型中使用的邊界條件主要有3 種類(lèi)型，其中，Noslip Wall邊界條件被用于列車(chē)表面、隧道壁面、橋面、地面以及風(fēng)洞壁面等；Pressure-outlet 邊界條件被用于平地段的頂部和前、后兩端的大氣邊界以及風(fēng)洞內(nèi)來(lái)流面的對(duì)立面；Velocity-inlet邊界條件則被用于風(fēng)洞內(nèi)來(lái)流面。

圖1(b)所示為風(fēng)洞試驗(yàn)列車(chē)模型及其測(cè)點(diǎn)布置示意圖。模型參照CRH380B型高速列車(chē)外形建成，由完整頭車(chē)+半節(jié)拖車(chē)編組；頭車(chē)長(zhǎng)度為1.64 m，拖車(chē)尾部根據(jù)歐盟規(guī)范[24]進(jìn)行了光滑處理(降低尾流對(duì)頭車(chē)的氣動(dòng)效應(yīng)干擾)；試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)分別布置在5 個(gè)斷面，其中，C1 和C2 為變截面，C3～C5 為等截面。

圖1 幾何模型與邊界條件設(shè)置Fig.1 Geometric model and boundary condition setting

1.3 網(wǎng)格策略及計(jì)算方案

采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格結(jié)合的技術(shù)將模型劃分為動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域和靜網(wǎng)格區(qū)域。其中，動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域是在軟件ICEM中進(jìn)行劃分，靜網(wǎng)格區(qū)域采用基于“馬賽克”技術(shù)的Poly-Hexcore網(wǎng)格進(jìn)行劃分，該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于能夠使六面體網(wǎng)格和多面體網(wǎng)格共節(jié)點(diǎn)連接，從而提升網(wǎng)格整體質(zhì)量，并有效降低網(wǎng)格數(shù)量和求解時(shí)間。

網(wǎng)格模型如圖2 所示。網(wǎng)格單元總數(shù)量約為1 500萬(wàn)。其中，車(chē)體表面網(wǎng)格以三角形網(wǎng)格為主，平均尺寸約為2 mm；在緊貼車(chē)體壁面處設(shè)置了10層附面層，其中第一層網(wǎng)格厚度約為0.2 mm(經(jīng)估算，量綱一的壁面距離y+≈1)。采用Fluent 中的LES 湍流模型[25]進(jìn)行瞬態(tài)求解，網(wǎng)格移動(dòng)采用Laying[26]，時(shí)間步長(zhǎng)(小于最小網(wǎng)格尺寸與車(chē)速的比值)設(shè)置為0.1 ms。

圖2 網(wǎng)格模型Fig.2 Grid model

1.4 計(jì)算工況與數(shù)據(jù)處理

CFD 數(shù)值模擬動(dòng)模型和靜模型工況示意圖如圖3所示。在動(dòng)模型和靜模型工況中，列車(chē)模型均位于背風(fēng)側(cè)線路上，相對(duì)于列車(chē)的來(lái)流合風(fēng)速va均為10 m/s，偏航角β均為36.9°。動(dòng)模型方案中，車(chē)速v為6 m/s，僅在列車(chē)右側(cè)邊界面上施加沿z軸負(fù)方向的風(fēng)速Uz=-8 m/s；靜模型方案中，列車(chē)分別靜置于隧道1出口(C4斷面出隧道)、橋中以及隧道2 入口(C4 斷面入隧道)3 個(gè)位置，在列車(chē)右側(cè)和前方的邊界面上分別施加Uz=-8 m/s 和沿x軸負(fù)方向的Ux=-6 m/s的來(lái)流風(fēng)速。此外，在靜模型方案計(jì)算中，考慮到列車(chē)車(chē)體的固有頻率普遍低于10 Hz，對(duì)所有測(cè)點(diǎn)的壓力時(shí)程數(shù)據(jù)均進(jìn)行10 Hz低通濾波處理。同時(shí)，為使試驗(yàn)結(jié)果具有可對(duì)比性，對(duì)濾波后的壓力進(jìn)行量綱一化處理：

圖3 CFD模擬工況示意圖Fig.3 Schematic diagram of CFD simulation working conditions

式中：Cp為壓力系數(shù)，壓力方向垂直車(chē)體表面指向車(chē)體內(nèi)部時(shí)為正，反之為負(fù)；ρ為空氣密度；va為來(lái)流合風(fēng)速；Pi為計(jì)算得到的測(cè)點(diǎn)壓力；P0為風(fēng)洞內(nèi)部環(huán)境的參考?xì)鈮骸?/p>

2 模型驗(yàn)證

2.1 與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

中南大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室為閉口回流式雙(高、低速)試驗(yàn)段風(fēng)洞，本文在低速試驗(yàn)段建立隧-橋-隧?xiàng)l件下動(dòng)列車(chē)模型風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)，試驗(yàn)系統(tǒng)布局如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)系統(tǒng)布局Fig.4 Test system layout

圖5所示為橫風(fēng)U=8 m/s、車(chē)速v=6 m/s的條件下，列車(chē)運(yùn)行于背風(fēng)側(cè)線路時(shí)C5 斷面上典型位置測(cè)點(diǎn)(C5-03，C5-08 和C5-14)壓力系數(shù)時(shí)程的試驗(yàn)結(jié)果與相應(yīng)的CFD 模擬結(jié)果的對(duì)比。量綱一時(shí)間是以C5斷面進(jìn)入風(fēng)洞為時(shí)間起點(diǎn)的時(shí)間。

由圖5可知：基于LES湍流模型模擬的測(cè)點(diǎn)壓力系數(shù)時(shí)程波動(dòng)規(guī)律與相應(yīng)的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，在隧道內(nèi)的運(yùn)行階段，二者的壓力系數(shù)幾乎相等，均穩(wěn)定在-1.5附近。二者在波動(dòng)幅度上的差異主要出現(xiàn)在0.3～0.7(量綱一時(shí)間)運(yùn)行階段內(nèi)。二者最大波動(dòng)幅度相差也基本保持在10%以內(nèi)?？紤]到個(gè)別時(shí)間點(diǎn)的壓力差異對(duì)列車(chē)整體氣動(dòng)性能分析影響微弱，可認(rèn)為本文數(shù)值模擬方法及其計(jì)算結(jié)果是可靠的。

圖5 C5斷面各測(cè)點(diǎn)壓力系數(shù)時(shí)程曲線對(duì)比(U=8 m/s，v=6 m/s)Fig.5 Comparison of time history curves of pressure coefficient of each measuring point on C5 section(U=8 m/s,v=6 m/s)

波動(dòng)幅值差異的原因可能是在試驗(yàn)中列車(chē)底部與車(chē)軌道緊密銜接，而數(shù)值模型列車(chē)底面與橋面有一定距離(約為1 cm)；數(shù)值模型中的列車(chē)速度不變，而在試驗(yàn)過(guò)程中，由于列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中受到空氣阻力、輪軌摩擦等作用可能導(dǎo)致車(chē)速不穩(wěn)定；由于模型制作存在人為誤差，導(dǎo)致數(shù)值模型與試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏y(cè)點(diǎn)有一定的幾何偏差。

2.2 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文模型的網(wǎng)格獨(dú)立性，通過(guò)調(diào)整模型核心加密區(qū)的網(wǎng)格尺寸參數(shù)分別建立了網(wǎng)格數(shù)量分別為900 萬(wàn)、1 500 萬(wàn)和2 500 萬(wàn)的3 種模型。在計(jì)算前統(tǒng)一作如下處理：只在z的負(fù)方向施加恒定風(fēng)速為8 m/s的來(lái)流風(fēng)，車(chē)速恒定為6 m/s，均采用LES湍流模擬方案。

圖6 所示為3 種模型下測(cè)點(diǎn)C5-15 的壓力系數(shù)時(shí)程的對(duì)比情況。結(jié)果表明，1 500 萬(wàn)網(wǎng)格單元數(shù)量的模型與2 500萬(wàn)網(wǎng)格單元數(shù)量的模型計(jì)算結(jié)果吻合較好。因此，本文采用1 500萬(wàn)網(wǎng)格單元數(shù)量的模型是合理的。

圖6 不同網(wǎng)格數(shù)量條件下測(cè)點(diǎn)C5-15的壓力系數(shù)時(shí)程對(duì)比Fig.6 Comparison of pressure coefficient time history at C5-15 under different number of grids

3 結(jié)果分析

3.1 壓力系數(shù)時(shí)程特性

圖7 所示為迎風(fēng)側(cè)測(cè)點(diǎn)C5-13 分別在靜、動(dòng)模型下的壓力系數(shù)時(shí)程曲線對(duì)比。由圖7(a)可知，動(dòng)模型下，在出隧道和入隧道的過(guò)程中，測(cè)點(diǎn)壓力系數(shù)分別表現(xiàn)出顯著的突增和突降現(xiàn)象(變化幅度分別為2.1 和1.9)，在橋梁中間段，維持相對(duì)平穩(wěn)的狀態(tài)。靜模型中，C4 斷面抵達(dá)隧道1 出口、列車(chē)位于橋中和C4斷面抵達(dá)隧道2入口這3個(gè)位置對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)分別為0.58，0.93 和1.31 s。考慮到其壓力系數(shù)瞬變特性顯著，對(duì)于動(dòng)模型的每個(gè)測(cè)點(diǎn)分別取上述時(shí)間點(diǎn)及其前、后2個(gè)時(shí)間步的壓力系數(shù)平均值作為該時(shí)間點(diǎn)的結(jié)果。

圖7 靜、動(dòng)模型下C5-13測(cè)點(diǎn)壓力系數(shù)時(shí)程曲線對(duì)比Fig.7 Comparison of pressure coefficient time history curves of C5-13 measuring points in static and dynamic models

由圖7(b)可知，靜模型中，3 個(gè)位置的壓力系數(shù)均在1.0 s 后趨于平穩(wěn)，因此可取1.0～1.2 s 內(nèi)的平均值作為靜模型各測(cè)點(diǎn)在相應(yīng)位置處的壓力系數(shù)代表值。

3.2 壓力分布差異分析

圖8～10 所示分別為列車(chē)位于出隧道、橋中以及入隧道3個(gè)位置時(shí)靜、動(dòng)模型所得車(chē)體表面壓力分布(水平面分布和橫斷面分布)的對(duì)比。其中，水平面壓力分布為距車(chē)底高度為8.4 cm 的水平面與車(chē)體表面相交所得的輪廓線上的壓力分布；量綱一距離為輪廓線沿橫坐標(biāo)軸方向展開(kāi)后其上某一點(diǎn)至起點(diǎn)的距離d與頭車(chē)長(zhǎng)度L的比值，橫坐標(biāo)軸上A、B(D)、C和E點(diǎn)分別表示起點(diǎn)、隧道洞口、車(chē)頭鼻尖以及終點(diǎn)位置。為便于顯示二者差異，水平分布圖還給出了差異較大處的壓力系數(shù)差值ΔCp和壓力系數(shù)偏差e，而橫斷面分布圖僅給出了差值最大處的壓力系數(shù)偏差e。壓力系數(shù)差值ΔCp和壓力系數(shù)偏差e計(jì)算公式如下：

式中：Cp,s和Cp,d分別為靜、動(dòng)模型所得壓力系數(shù)。

由圖8～10 可知：相對(duì)于動(dòng)模型的壓力模擬結(jié)果，盡管靜模型能捕捉到某些相似的壓力分布特征，但其得到的壓力系數(shù)均存在較顯著的偏差。

圖8 出隧道時(shí)車(chē)體表面壓力分布對(duì)比Fig.8 Comparison of pressure distribution on surface of tain body when exiting tunnel

當(dāng)列車(chē)模型位于隧道1 出口(圖8)時(shí)，靜模型在背風(fēng)側(cè)的壓力系數(shù)普遍比迎風(fēng)側(cè)的高，壓力系數(shù)偏差最高可達(dá)138.5%，尤其在BC段接近車(chē)頭鼻尖處，壓力系數(shù)差值最高可達(dá)1.2。此外，從橫斷面壓力分布上還可觀察到：在變截面車(chē)頭段的背風(fēng)側(cè)，靜、動(dòng)模型之間的壓力關(guān)系在縱向和橫向上均是變化的。例如，在C2 斷面的左上方位處，靜模型負(fù)壓比動(dòng)模型負(fù)壓高64.2%；而在C1 斷面的左側(cè)中部，靜模型負(fù)壓比動(dòng)模型負(fù)壓低46.3%。C1～C5 斷面上的靜模型車(chē)底負(fù)壓也普遍低于動(dòng)模型相應(yīng)值，最大壓力偏差出現(xiàn)在隧道內(nèi)的C4 斷面，達(dá)102.9%。綜上可知：在隧道1 出口處，采用靜模型預(yù)測(cè)的頭車(chē)升力可能偏高，而橫向力、偏航力矩可能偏低，無(wú)法得到有效的列車(chē)運(yùn)行安全評(píng)估結(jié)果。

當(dāng)列車(chē)模型位于隧道2入口(圖10)，靜模型在隧道內(nèi)車(chē)頭鼻尖處以及隧道外兩側(cè)的壓力分布形態(tài)與相應(yīng)的動(dòng)模型結(jié)果存在顯著差異。其中，在隧道外的迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)，靜模型的正壓和負(fù)壓分別比相應(yīng)的動(dòng)模型結(jié)果低113.7%和66.1%(相應(yīng)的C5 斷面上壓力系數(shù)偏差也高達(dá)85.0%)；而在隧道內(nèi)的車(chē)頭鼻尖附近，靜模型的正壓和負(fù)壓分別比相應(yīng)的動(dòng)模型結(jié)果高318.5%和132.1%。車(chē)頭鼻尖處的壓力分布偏差對(duì)整節(jié)車(chē)廂氣動(dòng)荷載的影響微弱。綜上可知：在隧道2入口處，采用靜模型預(yù)測(cè)的頭車(chē)橫向力和偏航力矩可能偏低，同樣不利于保障列車(chē)運(yùn)行安全。

圖10 入隧道時(shí)車(chē)體表面壓力分布對(duì)比Fig.10 Comparison of pressure distribution on surface of train body when entering tunnel

當(dāng)列車(chē)模型位于橋梁中段時(shí)(圖9)，盡管靜模型在車(chē)頭鼻尖處的壓力分布在形態(tài)上與動(dòng)模型保持了良好的一致性(相應(yīng)負(fù)壓峰值也僅偏低33.7%)，但在等截面車(chē)身段存在顯著差異。在等截面車(chē)身段的迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)，靜模型的正壓和負(fù)壓分別比相應(yīng)的動(dòng)模型結(jié)果高222.5%和197.4%。此外，從橫斷面壓力分布上還可觀察到，靜、動(dòng)模型之間的壓力系數(shù)關(guān)系在迎風(fēng)側(cè)的上、下段是相反的，尤其在下半段偏差較大。例如，C3 和C4 斷面上，靜模型在迎風(fēng)側(cè)下半段的負(fù)壓分別比相應(yīng)的動(dòng)模型結(jié)果高251.3%和1 587.8%。綜上可知：在橋梁中段位置處，采用靜模型預(yù)測(cè)的頭車(chē)橫向力和傾覆力矩可能偏高，相應(yīng)的列車(chē)運(yùn)行安全評(píng)估結(jié)果偏保守。

圖9 橋中時(shí)車(chē)體表面壓力分布對(duì)比Fig.9 Comparison of pressure distribution on surface of tain body when train is in the middle of bridge

3.3 流場(chǎng)差異分析

圖11～13所示分別為列車(chē)位于出隧道、橋中以及入隧道3個(gè)位置時(shí)靜、動(dòng)模型模擬得到的列車(chē)周?chē)矐B(tài)渦流結(jié)構(gòu)的對(duì)比，圖中，Q為瞬間渦流結(jié)構(gòu)的等值面。圖14～16所示分別為3個(gè)位置時(shí)典型斷面(C3和C5)上靜、動(dòng)模型所得流場(chǎng)對(duì)比。

由圖11～16可知：靜、動(dòng)模型模擬所得流場(chǎng)結(jié)構(gòu)之間的差異主要存在于隧道內(nèi)部、列車(chē)尾部以及車(chē)體背風(fēng)側(cè)。

圖11 出隧時(shí)車(chē)體周?chē)矐B(tài)渦結(jié)構(gòu)對(duì)比(Q=5 000)Fig.11 Comparison of transient vortex structure around tain body when exiting tunnel(Q=5 000)

圖12 橋中時(shí)車(chē)體周?chē)矐B(tài)渦結(jié)構(gòu)對(duì)比(Q=5 000)Fig.12 Comparison of transient vortex structure around tain body when tain is in the middle of bridge(Q=5 000)

圖13 入隧道時(shí)車(chē)體周?chē)矐B(tài)渦結(jié)構(gòu)對(duì)比(Q=5 000)Fig.13 Comparison of transient vortex structure around tain body when entering tunnel(Q=5 000)

圖14 出隧道時(shí)典型橫斷面上流場(chǎng)對(duì)比Fig.14 Comparison of flow field on typical cross section when exiting tunnel

圖15 橋中時(shí)典型橫斷面上流場(chǎng)對(duì)比Fig.15 Comparison of flow field on typical cross section when train is in the middle of bridge

圖16 入隧道時(shí)典型橫斷面上流場(chǎng)對(duì)比Fig.16 Comparison of flow field on typical cross section when entering tunnel

當(dāng)列車(chē)位于隧道1 出口時(shí)，對(duì)于隧道外的流場(chǎng)，靜模型有與動(dòng)模型相似的背風(fēng)側(cè)渦流脫落的現(xiàn)象，且脫落方向與來(lái)流合風(fēng)速方向相符；然而在相應(yīng)的C3 橫斷面上可觀察到：盡管靜模型也可在列車(chē)背風(fēng)側(cè)得到2個(gè)與動(dòng)模型所得相似的主渦旋V1-1 和V1-2，但出現(xiàn)的位置以及形態(tài)存在較大偏差(圖14(a))，這是引起靜模型BC段壓力偏差(圖8)的原因。而對(duì)于隧道內(nèi)車(chē)體的繞流，從圖11(a)可見(jiàn)，靜模型列車(chē)尾部的尾流分散雜亂，而相應(yīng)的動(dòng)模型可得到2條清晰的尾跡(圖11(b))，說(shuō)明在隧道的有限空間內(nèi)對(duì)靜止列車(chē)施加與車(chē)速反向等速的來(lái)流時(shí)，無(wú)法得到真實(shí)運(yùn)動(dòng)列車(chē)的尾流結(jié)構(gòu)；在相應(yīng)的C3 橫斷面上還可觀察到：靜模型列車(chē)周?chē)鷾u旋結(jié)構(gòu)的分布形態(tài)與動(dòng)模型的完全不同(圖14(b))，這是引起靜模型AB段和DE段壓力偏差的原因。

當(dāng)列車(chē)位于隧道2入口時(shí)，無(wú)論是隧道內(nèi)還是隧道外部分，靜、動(dòng)模型的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)之間均表現(xiàn)出顯著差異。對(duì)于隧道內(nèi)的流場(chǎng)，在列車(chē)駛?cè)胨淼赖膶?shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，車(chē)頭對(duì)隧道內(nèi)空氣的活塞擠壓效應(yīng)抑制了變截面車(chē)頭處的渦流剝離(圖13(b))，因此，動(dòng)模型所得的車(chē)頭鼻尖處壓力分布較均勻；而在相應(yīng)的靜模型中，變截面車(chē)頭處出現(xiàn)了紊亂的渦流剝離現(xiàn)象(圖13(a))，從而導(dǎo)致了車(chē)頭鼻尖處壓力呈現(xiàn)顯著的正負(fù)壓交替分布。C3 斷面上也顯示了靜、動(dòng)模型在隧道內(nèi)的流場(chǎng)模式是完全不同的(圖16(a))。對(duì)于隧道外的流場(chǎng)，從C5斷面可觀察到：靜模型背風(fēng)側(cè)出現(xiàn)了3個(gè)主要渦旋V3-1，V3-3和V3-4，其中僅V3-1與動(dòng)模型所得的相似，V3-3 和V3-4 則偏離車(chē)體較遠(yuǎn)(圖16(b))。這是由于隧道2位于合風(fēng)速來(lái)流方向的上游，隧道外部靜態(tài)車(chē)體處于隧道2的尾流中，其繞流形態(tài)受到了顯著干擾。這也是導(dǎo)致隧道外部車(chē)體上AB段和DE段的壓力低于動(dòng)模型結(jié)果的主要原因。此外，隧道外靜模型車(chē)體的尾渦也在來(lái)流作用下基本消散，完全不同于動(dòng)模型的尾流形態(tài)。

當(dāng)列車(chē)模型位于橋中段，靜模型在變截面車(chē)頭段的三維渦流結(jié)構(gòu)與動(dòng)模型有著相似的特征(圖12)；然而，由于隧道2 對(duì)來(lái)流的遮擋效應(yīng)，導(dǎo)致車(chē)頭鼻尖處的壓力低于動(dòng)模型相應(yīng)值。從圖15 還可進(jìn)一步觀察到：由于來(lái)流受到隧道2的干擾，靜模型無(wú)法在C3 斷面的迎風(fēng)側(cè)得到引起負(fù)壓的主渦旋V2-1，從而導(dǎo)致靜模型在迎風(fēng)側(cè)的正壓高于動(dòng)模型相應(yīng)值；而在背風(fēng)側(cè)，由靜模型得到的對(duì)背風(fēng)側(cè)負(fù)壓起主導(dǎo)作用的主渦旋V2-2 的尺寸比動(dòng)模型中的相應(yīng)渦旋的大，從而導(dǎo)致其背風(fēng)側(cè)負(fù)壓高于動(dòng)模型的結(jié)果(尤其在C5斷面)。

4 結(jié)論

1)基于LES 湍流模型，動(dòng)模型方案模擬的測(cè)點(diǎn)壓力系數(shù)的時(shí)程波動(dòng)規(guī)律與相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，二者在數(shù)值上差異基本保持在10%以內(nèi)。

2)在隧道洞口段，采用靜模型得到的車(chē)體氣動(dòng)荷載比相應(yīng)的動(dòng)模型的低，無(wú)法得到有效的列車(chē)運(yùn)行安全評(píng)估結(jié)果。隧道1出口處車(chē)體氣動(dòng)壓力系數(shù)偏差最高可達(dá)138.5%，在隧道2 入口處氣動(dòng)壓力系數(shù)偏差最高可達(dá)318.5%。

3)在橋梁中間段，采用靜模型得到的車(chē)體氣動(dòng)荷載將高于相應(yīng)的動(dòng)模型方案，相應(yīng)的列車(chē)運(yùn)行安全評(píng)估結(jié)果偏保守。其中，車(chē)體氣動(dòng)壓力系數(shù)偏差最高可達(dá)1 587.8%。

4)靜、動(dòng)模型方案模擬得到的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)之間的差異主要存在于隧道內(nèi)部、列車(chē)尾部以及車(chē)體背風(fēng)側(cè)。靜模型無(wú)法準(zhǔn)確獲得對(duì)車(chē)體氣動(dòng)壓力起主導(dǎo)作用的主渦旋結(jié)構(gòu)，這是導(dǎo)致靜模型模擬的壓力結(jié)果偏差過(guò)大的主要原因。