橫風(fēng)作用下高速機(jī)車(chē)的氣動(dòng)性能*

任 鑫，梁習(xí)鋒，楊明智，李軍產(chǎn)

(1．中南大學(xué)軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙410075;2．中南大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410075)

在強(qiáng)橫風(fēng)作用下，列車(chē)受到了較大的氣動(dòng)橫向力和升力，有可能導(dǎo)致列車(chē)脫軌傾覆，直接影響著列車(chē)的安全［1－6］。對(duì)于一些特殊的風(fēng)環(huán)境，如高架橋、路堤等路段，列車(chē)的繞流流場(chǎng)改變更為突出，氣動(dòng)力增大，導(dǎo)致列車(chē)脫軌、翻車(chē)的可能性大大增加［7－9］。在我國(guó)，亞歐大陸橋重要通道的蘭新線，穿越新疆大風(fēng)戈壁地區(qū)，自然條件十分惡劣，其百里風(fēng)區(qū)瞬時(shí)最大風(fēng)速達(dá)64 m/s，約為12級(jí)風(fēng)速的2倍，是世界鐵路風(fēng)速之最［10］。自通車(chē)以來(lái)，屢次發(fā)生列車(chē)被吹翻的重大事故［11－12］。大風(fēng)季節(jié)，由于風(fēng)力過(guò)大，迫使列車(chē)經(jīng)常停輪，大批旅客被滯留，給旅客出行帶來(lái)極大不便，嚴(yán)重制約了西部經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。機(jī)車(chē)是鐵路運(yùn)輸?shù)臓恳齽?dòng)力，是鐵路列車(chē)最關(guān)鍵的設(shè)備，過(guò)去由于機(jī)車(chē)牽引速度不大，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家都把主要精力集中于速度更快的車(chē)輛和動(dòng)車(chē)組的研究中，關(guān)于機(jī)車(chē)特別是高速機(jī)車(chē)氣動(dòng)性能方面的研究比較少。隨著我國(guó)對(duì)高速客運(yùn)與貨運(yùn)的要求不斷提高，對(duì)牽引力更大、氣動(dòng)性能更優(yōu)的高速機(jī)車(chē)氣動(dòng)性能的研究顯得十分重要［13］。

1 數(shù)值計(jì)算理論基礎(chǔ)

采用穩(wěn)態(tài)、三維不可壓N－S方程和工程上常用的k－ε雙方程湍流模型，運(yùn)用大型流體數(shù)值計(jì)算軟件FLUENT對(duì)強(qiáng)側(cè)風(fēng)作用下高速機(jī)車(chē)車(chē)體的氣動(dòng)性能進(jìn)行模擬分析。在計(jì)算時(shí)進(jìn)行以下假設(shè):

(1)忽略空氣密度的變化，認(rèn)為流體為不可壓縮;

(2)假設(shè)流動(dòng)中無(wú)熱量交換，不考慮能量守恒方程。

連續(xù)性方程:divV=0。

X方向動(dòng)量方程:

Y方向動(dòng)量方程:

Z方動(dòng)量方程:

湍流動(dòng)能k方程:

湍流動(dòng)能耗散率ε方程:

上述方程均忽略了空氣的質(zhì)量力。式中:V為速度矢量;u，v和w為各坐標(biāo)方向的速度分量;ρ為空氣密度;μe和Pe分別為有效黏性系數(shù)和有效壓力;其值與湍流動(dòng)能k和湍流動(dòng)能耗散率ε有關(guān)。上述方程組6個(gè)方程含有6個(gè)未知量:u，v，w，P，k和ε，方程組封閉，可對(duì)它進(jìn)行數(shù)值求解。其中常系數(shù) C1=1．44;C2=1．92;σε=1．3;σk=1．0。

2 數(shù)值計(jì)算模型

2．1 模型的簡(jiǎn)化

(1)列車(chē)是近地運(yùn)行的龐大細(xì)長(zhǎng)物體，為在相同條件下，比較不同橫斷面車(chē)體氣動(dòng)性能，即排除不同車(chē)頭形狀對(duì)車(chē)體的影響，因此，取列車(chē)車(chē)體長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)。

(2)在自然環(huán)境下，機(jī)車(chē)所受到的強(qiáng)側(cè)風(fēng)是隨時(shí)間和空間變化的，但研究機(jī)車(chē)的橫向穩(wěn)定性時(shí)，通常只關(guān)注其受到的最大橫向力和傾覆力矩，因此，計(jì)算時(shí)，在速度入口加入均勻來(lái)流，其值為最大橫風(fēng)風(fēng)速［14］。

(3)空氣為不可壓縮流體。強(qiáng)側(cè)風(fēng)速度一般不會(huì)大于64 m/s，馬赫數(shù)小于0．3，因此，可視為不可壓縮流動(dòng)。

2．2 幾何模型

計(jì)算區(qū)域長(zhǎng)度方向尺寸的選取原則是使計(jì)算區(qū)域下游邊界盡可能遠(yuǎn)離列車(chē)尾部，以避免出口截面受到列車(chē)尾流的影響，便于出口邊界條件的給定，寬度應(yīng)避免阻塞效應(yīng)影響。具體尺寸如圖1所示。

采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行離散。車(chē)體表面單元為三角形網(wǎng)格，體單元為非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)約為200萬(wàn)，物面網(wǎng)格如圖2所示。

圖1 計(jì)算區(qū)域Fig．1 Computational zone

圖2 機(jī)車(chē)頭部網(wǎng)格Fig．2 Mesh of locomotive head

2．3 邊界條件

為消除地板附面層的影響，如圖1所示，地面ABCD給定滑移邊界條件，法向速度為0，切向速度與車(chē)速速度大小相同，方向相反;在截面AEHD以及面ABFE、面DCGH頂面EFGH設(shè)為速度進(jìn)口，按均勻來(lái)流給定X向速度分布，即X向給定流速，Y和Z向速度分量均為0;出口截面BFGC為壓力出口，靜壓為0;車(chē)體表面為無(wú)滑移壁面邊界條件。

3 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與分析

3．1 路堤高度對(duì)氣動(dòng)性能的影響

本文應(yīng)用工程中典型路況:平地(路堤0 m)，路堤3 m，路堤5 m，路堤8 m。考慮比較危險(xiǎn)的工況，給機(jī)車(chē)加載風(fēng)向角為90°，速度為35 m/s的風(fēng)速。表1所示為不同車(chē)速下主要?dú)鈩?dòng)性能指標(biāo)(側(cè)向力、升力和傾覆力矩)在不同路堤高度下的值。

表1 機(jī)車(chē)在不同車(chē)速、不同路堤高度下的氣動(dòng)力Table 1 Force of aerodynamic of different speed with embankment height

由表1可知，在其他條件不變的情況下，以車(chē)速為200 km/h的氣動(dòng)性能為例，當(dāng)路堤高度從0 m增加到8 m時(shí)，高速機(jī)車(chē)的主要?dú)鈩?dòng)性能指標(biāo):側(cè)向力增大了57．1%，升力增大了71．6%，傾覆力矩的絕對(duì)值增大了52．6%。

3．2 車(chē)速對(duì)氣動(dòng)性能的影響

研究列車(chē)風(fēng)與環(huán)境風(fēng)耦合作用下，機(jī)車(chē)速度對(duì)機(jī)車(chē)在路堤上運(yùn)行氣動(dòng)性能影響。確定風(fēng)速為35 m/s，風(fēng)向角為90°，路堤高度為8 m，列車(chē)車(chē)速?gòu)?80 km/h增大到220 km/h。圖3所示為各氣動(dòng)力隨車(chē)速的變化曲線。

圖3 氣動(dòng)力隨車(chē)速變化曲線Fig．3 Curves of aerodynamic force with train speed

從圖3可以看出:當(dāng)橫風(fēng)速度及風(fēng)向角一定時(shí)，機(jī)車(chē)運(yùn)行速度的變化對(duì)機(jī)車(chē)受到的氣動(dòng)力(指?jìng)?cè)向力、升力和傾覆力矩)影響相對(duì)較小;當(dāng)橫風(fēng)速度為35 m/s，風(fēng)向角為90°，機(jī)車(chē)速度從180 km/h到220 km/h時(shí)，機(jī)車(chē)的側(cè)向力增加了5．4%，升力增加了15．5%，傾覆力矩增加了6．0%。

3．3 橫風(fēng)風(fēng)速對(duì)氣動(dòng)性能的影響

研究列車(chē)風(fēng)與環(huán)境風(fēng)耦合作用下，橫風(fēng)風(fēng)速對(duì)機(jī)車(chē)在路堤上運(yùn)行氣動(dòng)性能影響。橫風(fēng)速度從15 m/s到35 m/s，機(jī)車(chē)速度為200 km/h，風(fēng)向角為90°，路堤高度為8 m。圖4所示為氣動(dòng)力隨橫風(fēng)風(fēng)速變化曲線。

圖4 氣動(dòng)力隨橫風(fēng)風(fēng)速變化曲線Fig．4 Curves of aerodynamic forces with crosswind speed

從圖4可以看出:車(chē)速及風(fēng)向角一定時(shí)，橫風(fēng)風(fēng)速的變化對(duì)機(jī)車(chē)受到的氣動(dòng)力(指?jìng)?cè)向力、升力和傾覆力矩)影響較大;當(dāng)機(jī)車(chē)車(chē)速為200 km/h，風(fēng)向角為90°，橫風(fēng)風(fēng)速?gòu)?5 m/s到35 m/s時(shí)，機(jī)車(chē)的側(cè)向力增加了2．94倍，升力增加了1．98倍，傾覆力矩增加了2．88倍。

圖5所示為機(jī)車(chē)以200 km/h速度在平地上運(yùn)行，風(fēng)向角為90°，在不同側(cè)風(fēng)風(fēng)速下，機(jī)車(chē)橫截面壓力分布云圖和流線圖。從壓力云圖可以看出:由于氣流滯止，機(jī)車(chē)迎風(fēng)側(cè)受正壓;氣流在機(jī)車(chē)的頂部和底部加速，氣流膨脹，因此，頂部和底部為負(fù)壓，頂部負(fù)壓一般會(huì)比頂部的大，機(jī)車(chē)受到正的升力;背風(fēng)面處于頂部氣流分離產(chǎn)生的漩渦區(qū)，其壓力與渦區(qū)上方主流區(qū)的壓力相同，為負(fù)壓。隨著風(fēng)速的增加，對(duì)應(yīng)的迎風(fēng)面和背風(fēng)面、頂部和底部的壓強(qiáng)也增大，側(cè)向力和升力也增大。

圖5 不同橫風(fēng)風(fēng)速下機(jī)車(chē)橫截面壓力云圖和流線圖Fig．5 Pressure contour and flown lines under different crosswind speeds

3．4 風(fēng)向角對(duì)氣動(dòng)性能的影響

研究列車(chē)風(fēng)與環(huán)境風(fēng)耦合作用下，橫風(fēng)風(fēng)向角對(duì)機(jī)車(chē)在路堤上運(yùn)行氣動(dòng)性能影響。橫風(fēng)風(fēng)向角為30°～90°，機(jī)車(chē)速度為200 km/h，橫風(fēng)速度為35 m/s，路堤高度為8 m。圖6所示為氣動(dòng)力隨橫風(fēng)風(fēng)向角變化曲線。

圖6 氣動(dòng)力隨橫風(fēng)風(fēng)向角變化曲線Fig．6 Curves of aerodynamic force with crosswind angle

從圖6可以看出:車(chē)速及橫風(fēng)風(fēng)速一定時(shí)，橫風(fēng)風(fēng)向角的變化對(duì)機(jī)車(chē)受到的氣動(dòng)力(指?jìng)?cè)向力、升力和傾覆力矩)影響較大。機(jī)車(chē)車(chē)速為200 km/h，橫風(fēng)風(fēng)速為35 m/s;當(dāng)橫風(fēng)風(fēng)向角為30°～90°時(shí)，機(jī)車(chē)的側(cè)向力增加了1．50倍，升力增加了0．95倍，傾覆力矩增加了1．52倍。

4 結(jié)論

(1)在橫風(fēng)條件下，當(dāng)風(fēng)速和風(fēng)向角相同時(shí)，機(jī)車(chē)的氣動(dòng)力(側(cè)向力、升力和傾覆力矩)均隨著車(chē)速的增大而增大，但由于車(chē)速相差不大，氣動(dòng)力增幅較小。

(2)當(dāng)車(chē)速和風(fēng)速相同時(shí)，機(jī)車(chē)的氣動(dòng)力均隨著風(fēng)向角的增大而增大。

(3)當(dāng)車(chē)速和風(fēng)向角相同時(shí)，機(jī)車(chē)的氣動(dòng)力均隨著風(fēng)速的增大而增大。

(4)在路堤高度為0～8m時(shí)，高度越大，車(chē)輛所受到的側(cè)向力、升力和傾覆力矩越大。

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