謝繁榮，金阿芳，李虎，熱依汗古麗·木沙

(新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830047)

0 前言

當(dāng)高速列車經(jīng)過新疆的百里風(fēng)區(qū)等自然環(huán)境惡劣的地帶時(shí)，經(jīng)常會(huì)遭遇攜沙強(qiáng)橫風(fēng)的侵襲，這將嚴(yán)重影響高速列車運(yùn)行的平穩(wěn)性和安全性。而且由于中國的地理環(huán)境比較復(fù)雜，所以列車經(jīng)過一些山丘等地帶時(shí)，不得不建造一些路堤，來保證列車的連貫性和平穩(wěn)性。當(dāng)高速列車經(jīng)過路堤且受到橫向風(fēng)作用時(shí)，路堤會(huì)改變橫向風(fēng)對列車氣動(dòng)性能的影響，這就導(dǎo)致高速列車在經(jīng)過有路堤的地段時(shí)，發(fā)生事故的概率會(huì)大大增加。比如1994年，日本的一輛列車經(jīng)過有路堤的路段時(shí)遭遇強(qiáng)橫風(fēng)，發(fā)生了側(cè)翻脫軌，導(dǎo)致了大量人員的傷亡。所以，研究高速列車在不同路堤下攜沙橫風(fēng)對高速列車氣動(dòng)性能的影響具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。關(guān)于這方面的課題，國內(nèi)外的學(xué)者都展開了深入的研究：王中強(qiáng)對高速列車在平地路況和路塹路況下的氣動(dòng)特性進(jìn)行了對比分析，總結(jié)出了幾條高速列車在路堤路況下特有的動(dòng)力學(xué)變化規(guī)律。羅建斌等研究了不同路堤高度對高速列車側(cè)風(fēng)氣動(dòng)性的影響，得出了在橫風(fēng)條件下路堤的結(jié)構(gòu)尺寸會(huì)對高速列車的氣動(dòng)性能產(chǎn)生影響的結(jié)論。于夢閣等對隨機(jī)風(fēng)速下列車的氣動(dòng)特性、安全評估以及高速列車頭型優(yōu)化進(jìn)行了研究，并對高速列車流場進(jìn)行了分析。張業(yè)等人對比了不同路基下的高速列車受到強(qiáng)橫風(fēng)時(shí)氣動(dòng)特性的差異，對列車在不同路堤下的安全性研究具有一定參考意義。田紅旗總結(jié)歸納了高速列車氣動(dòng)性的基本研究方法、理論以及實(shí)驗(yàn)，并著有《列車空氣動(dòng)力學(xué)》;DIEDRICHS等對高速列車在路堤上的橫風(fēng)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析研究；LIU等對列車在變風(fēng)條件下的安全性進(jìn)行了研究，得到了風(fēng)速變化條件下的臨界傾覆風(fēng)速。楊超等人采用Fluent軟件，分析了在不同行駛速度以及不同風(fēng)速下，高速列車在半堤半塹路況下的氣動(dòng)特性。

基于前面的研究，選取單線路堤、雙線路堤和半塹路堤等不同類型的路堤，研究高速列車經(jīng)過路堤且受到攜沙強(qiáng)橫風(fēng)時(shí)列車一系列氣動(dòng)性能的變化，并建立了高速列車的簡化模型，對列車組進(jìn)行數(shù)值模擬和分析，探究影響列車氣動(dòng)性能的主要影響因素。

1 幾何模型和數(shù)學(xué)模型

1.1 計(jì)算模型

為了避免計(jì)算誤差，同時(shí)節(jié)約計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算效率，特對文中的列車仿真模擬進(jìn)行了幾個(gè)基本假設(shè)：

(1)選取的列車速度為200 km/h。因?yàn)楫?dāng)列車速度小于350 km/h的時(shí)候，馬赫數(shù)小于0.3，屬于不可壓縮流動(dòng)，即流體密度不隨時(shí)間和空間變化。

(2)縮短列車的長度。因?yàn)楦鞴?jié)列車的結(jié)構(gòu)形狀基本一樣，受到的壓力波和氣動(dòng)力效應(yīng)也所差無幾，所以對列車模型進(jìn)行合理的長度縮短，并不會(huì)對列車周圍的流場特性產(chǎn)生很大的影響，故采用3節(jié)列車仿真模型，頭車、中車、尾車均為25 m。

(3)簡化車體外形?，F(xiàn)實(shí)中的高速列車的零部件很多，比如受電弓、轉(zhuǎn)向架等零件的形狀很復(fù)雜，如果對這些零件的細(xì)節(jié)特征都進(jìn)行仿真模擬，會(huì)大大增加計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量和計(jì)算時(shí)間，且并不會(huì)對最終的計(jì)算結(jié)果有很大的影響，所以將轉(zhuǎn)向架、受電弓等細(xì)節(jié)部位忽略掉，并假設(shè)高速列車的表面是光滑的曲面，地面也是光滑的。

(4)為了方便計(jì)算，文中所有的力都設(shè)置為正值。

經(jīng)過以上4條基本假設(shè)，簡化后的列車整車尺寸為：長75 m，寬3.38 m，高3.7 m,如圖1所示。

圖1 列車三維模型

1.2 計(jì)算域及邊界條件

根據(jù)文獻(xiàn)[14]建立路堤的CAD二維模型，具體尺寸如圖2所示。另外，為了探究不同路堤下攜沙橫風(fēng)對高速列車氣動(dòng)性能的影響，選取28.6°、33.7°、47.5°、59.7°、69.9°共5種路堤傾角進(jìn)行仿真模擬，具體數(shù)值如表1所示。

圖2 路堤二維模型

表1 路堤傾角

計(jì)算域的邊界條件如圖3所示，整個(gè)計(jì)算域長175 m、高30 m。列車在運(yùn)行中，受到側(cè)風(fēng)的影響，由相對運(yùn)動(dòng)可知，氣流相對于列車向后運(yùn)動(dòng)，故定義面為速度入口1(inlet1)，定義面為壓力出口1(outlet1)，定義面為入口2(inlet2)，定義為出口2(outlet2)，則入口1距離列車的坐標(biāo)原點(diǎn)75 m，出口1距離坐標(biāo)原點(diǎn)100 m,入口2距離路堤側(cè)20 m，出口2距離路堤側(cè)42.5 m，整車進(jìn)行2∶1的縮放，經(jīng)過縮放后的列車長度為37.5 m，設(shè)置地面(wall)為滑移壁面，上壁面設(shè)置對稱界面。

圖3 計(jì)算域三維圖

1.3 計(jì)算網(wǎng)格

由于高速列車的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜且零部件很多，若采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，工作量大且難以保證網(wǎng)格質(zhì)量，故使用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，并將轉(zhuǎn)向架等在橫風(fēng)條件下對列車氣動(dòng)性影響不大的部件簡化忽略，這樣在保證網(wǎng)格質(zhì)量的同時(shí)，也降低了網(wǎng)格數(shù)量，間接地提高了計(jì)算效率。為保證能真實(shí)模擬列車行進(jìn)過程中周圍空氣的流動(dòng)，在靠近列車表面處添加邊界層網(wǎng)格，在對列車進(jìn)行合適的邊界層劃分后，列車的網(wǎng)格如圖4所示。

圖4 高速列車網(wǎng)格

1.4 計(jì)算方法

風(fēng)沙環(huán)境下，沙塵濃度并不是很高(數(shù)值約為100 μg/m，沙塵相的體積分?jǐn)?shù)低于10%)。運(yùn)用Fluent軟件中DPM模型描述風(fēng)沙環(huán)境下的氣固兩相流，沙粒直徑選0.1～1 mm,采用面入射的方式，把沙?？醋鲆粋€(gè)理想的狀況，忽略沙粒的不規(guī)則形狀，設(shè)置沙粒形狀為規(guī)則的球形，沙粒隨側(cè)風(fēng)一起運(yùn)動(dòng)?；谌S、定常、不可壓縮Navier-Stokes方程和標(biāo)準(zhǔn)的-控制模型，采用Simple算法求解壓力速度耦合問題，空間壓力采用標(biāo)準(zhǔn)格式離散，應(yīng)用二階迎風(fēng)格式離散對流相。

連續(xù)性方程：

(1)

動(dòng)量守恒方程：

(2)

動(dòng)能守恒方程：

(3)

列車運(yùn)行速度為200 km/h，為非定常的湍流流場，并近似認(rèn)為是不可壓縮流場，所以采用標(biāo)準(zhǔn)-兩方程控制模型，其控制方程為

湍動(dòng)能方程：

(4)

湍動(dòng)能耗散方程：

(5)

(6)

式中：為流體密度；為流體速度沿方向分量；為靜壓力；為應(yīng)力矢量；為方向重力分量；=+為有效黏性系數(shù)；=為由于阻力和能源引起的其他能源項(xiàng)；為熵；為溫度；為分子傳導(dǎo)率；為由于紊流傳遞而引起的傳導(dǎo)率；為定義的任何體積熱源；、為流體沿、方向的速度分量；、為橫坐標(biāo)；、1、2、3、、為系數(shù)；為由浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；為由層流梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；為湍動(dòng)能；為湍動(dòng)能耗散率；、為啞標(biāo)。

1.5 數(shù)值驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的合理性，來流速度與文獻(xiàn)[15]的一致，速度分別為30、40、50、60 m/s進(jìn)行對比。由圖5可知：模擬值與實(shí)驗(yàn)值最大的誤差小于15%，是模擬中列車頭部幾何差異造成的。所示以上分析設(shè)置的方法及網(wǎng)格是合理的。

圖5 頭車阻力

2 結(jié)果分析

2.1 橫風(fēng)環(huán)境下列車外部流場

圖6分別比較了不同路堤傾角下，單線路堤、雙線路堤和半塹路堤的列車流線圖：隨著路堤傾角的增大，在單線路堤上，高速列車的流線圖整體呈現(xiàn)“上疏下密，上規(guī)則，下不規(guī)則”的趨勢，即在上方遠(yuǎn)離列車的區(qū)域，流線稀疏且規(guī)則，在下方背風(fēng)側(cè)的近地面處，流線密集且無規(guī)則，除此之外，流線圖在靠近列車的周圍出現(xiàn)負(fù)壓，在列車背風(fēng)側(cè)的近地面處，形成一個(gè)形狀不規(guī)則的漩渦，且漩渦的大小與路堤傾角是正相關(guān)的關(guān)系；在雙線路堤上，列車的流線圖與單線路堤上的流線圖基本一致，但是與單線路堤不同的是，雖然流線圖中漩渦的大小仍然和路堤的傾角呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，但在雙線路堤中，漩渦的中心壓力值明顯比周圍低，是整個(gè)流線圖的負(fù)壓最大值；在半塹路堤上，隨著路堤傾角的增大，流線圖形成漩渦的速度更快，在傾角為28.6°時(shí)，就已經(jīng)形成了較大的漩渦，漩渦的中心依然是負(fù)壓的最大值。

圖6 列車的流線

2.2 側(cè)力系數(shù)和升力系數(shù)

在攜沙風(fēng)和凈風(fēng)環(huán)境下，分別比較了列車在不同類型路堤上的側(cè)力系數(shù)，如圖7所示。在頭車部分，同一類型的路堤，攜沙風(fēng)和凈風(fēng)環(huán)境的側(cè)力系數(shù)的具體數(shù)值相差不大，尤其是在半塹路堤上，攜沙風(fēng)環(huán)境和凈風(fēng)環(huán)境的側(cè)力系數(shù)基本一致，說明攜沙風(fēng)對半塹路堤下的高速列車的側(cè)力系數(shù)影響很??；隨著路堤傾角的增大，無論是攜沙環(huán)境還是凈風(fēng)環(huán)境，單線路堤和雙線路堤的側(cè)力系數(shù)都有規(guī)律地減小。在列車的中車處，側(cè)力系數(shù)整體隨著路堤傾角的增大而減小，在路堤傾角為47.5°時(shí)，中車的側(cè)力系數(shù)數(shù)值相差最大。在路堤傾角為69.9°時(shí)，攜沙環(huán)境下的單線路堤的側(cè)力系數(shù)接近于0。在列車的尾車處，除半塹路堤之外，單線路堤和雙線路堤在攜沙環(huán)境和凈風(fēng)環(huán)境下的側(cè)力系數(shù)吻合程度不高，即在尾車處，攜沙風(fēng)環(huán)境對單線路堤和雙線路堤的側(cè)力系數(shù)影響較大，對半塹路堤的側(cè)力系數(shù)影響很小。

圖7 列車的側(cè)力系數(shù)

在不同類型的路堤下，分別比較攜沙風(fēng)和凈風(fēng)環(huán)境下列車的升力系數(shù)，如圖8所示。在頭車處，當(dāng)路堤傾角為33.7°時(shí)，雙線路堤升力系數(shù)的變化率最大，在路堤傾角為47.5°時(shí)，單線路堤的升力系數(shù)變化率最大。在中車處，當(dāng)路堤傾角小于33.7°時(shí)，單線路堤和雙線路堤的升力系數(shù)隨著路堤傾角的增大而減小，當(dāng)路堤傾角大于33.7°時(shí)，單線路堤和雙線路堤的升力系數(shù)隨著路堤傾角的增大而增大，而半塹路堤的升力系數(shù)幾乎不隨路堤傾角的變化而變化。在尾車處的各個(gè)傾角下，分別取升力系數(shù)的最大值和最小值做商，得到升力的最大值分別是最小值的7.27、5.71、7.58、8.80、8.36倍，半塹路堤的升力系數(shù)接近于0，升力系數(shù)的變化率也接近于0，即無論攜沙風(fēng)還是凈風(fēng)環(huán)境下，中車和尾車處，半塹路堤的升力系數(shù)幾乎不受路堤傾角的影響。

圖8 列車的升力系數(shù)

2.3 傾覆力矩

傾覆力矩指列車受到的側(cè)力對輪軌接觸點(diǎn)求矩，矩心位于列車背風(fēng)側(cè)輪軌接觸點(diǎn)所在直線，提取傾覆力矩時(shí)只需在該線上取一點(diǎn)即可，示意如圖9所示，其中為升力，為側(cè)力，為列車的重力，則為列車的傾覆力矩。

圖9 各力分析簡圖

列車的傾覆力矩系數(shù)如圖10所示。在列車的頭車部分，無論是攜沙風(fēng)環(huán)境還是凈風(fēng)環(huán)境，在各個(gè)傾角下雙線路堤的傾覆力矩系數(shù)最高，單線路堤的傾覆力矩次之，半塹路堤的傾覆力矩最小。在各個(gè)傾角下，分別取頭車的最大值和最小值做商，得到傾覆力矩的最大值分別是最小值的3.41、3.81、4.56、2.78、2.74倍。在中車部分，除了凈風(fēng)環(huán)境下單線路堤的傾覆力矩系數(shù)在47.5°時(shí)略微增加，其他部分都是隨著路堤傾角的增加傾覆力矩系數(shù)減小。在列車的尾車部分，單線路堤和雙線路堤在攜沙風(fēng)環(huán)境下和凈風(fēng)環(huán)境下的傾覆力矩?cái)?shù)值相差較大，即在尾車部分，攜沙風(fēng)對單線路堤和雙線路堤的列車傾覆力矩系數(shù)的影響較大。

圖10 列車的傾覆力矩

3 結(jié)論

通過計(jì)算流體力學(xué)方法，探討了不同路堤下攜沙橫風(fēng)對高速列車氣動(dòng)特性的影響，數(shù)值模擬結(jié)果表明：

(1)不同類型的路堤下，在列車背風(fēng)側(cè)近地面處，都生成一個(gè)形狀不規(guī)則的漩渦，且漩渦的大小與路堤傾角正相關(guān)，漩渦的中心是負(fù)壓的最大值。

(2)在列車的頭車部分，同一類型的路堤，攜沙風(fēng)和凈風(fēng)環(huán)境的側(cè)力系數(shù)的具體數(shù)值相差不大，尤其是半塹路堤，攜沙風(fēng)環(huán)境下和凈風(fēng)環(huán)境下的側(cè)力系數(shù)基本一致，說明攜沙風(fēng)對半塹路堤下高速列車的側(cè)力系數(shù)影響很小。

(3)在列車的尾車處，在各個(gè)傾角下，升力的最大值分別是最小值的7.27、5.71、7.58、8.80、8.36倍，且半塹路堤的升力系數(shù)接近于0，升力系數(shù)的變化率也接近于0。即無論攜沙風(fēng)還是凈風(fēng)環(huán)境下，在中車和尾車處，半塹路堤的升力系數(shù)幾乎不受路堤傾角的影響。

(4)在列車的頭車部分，無論是攜沙風(fēng)環(huán)境還是凈風(fēng)環(huán)境，雙線路堤的傾覆力矩系數(shù)最高，單線路堤的傾覆力矩次之，半塹路堤的傾覆力矩最小。