編組長度對高速列車表面交變壓力載荷的影響

周丹，賈麗榮，牛紀(jì)強

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編組長度對高速列車表面交變壓力載荷的影響

周丹，賈麗榮，牛紀(jì)強

(中南大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，軌道交通安全教育部重點實驗室，湖南 長沙 410075)

基于標(biāo)準(zhǔn)-雙方程湍流模型，采用滑移網(wǎng)格方法，對不同編組長度(3車編組，4車編組，5車編組和8車編組)高速列車明線交會以及于各自最不利長度隧道通過和交會工況進行模擬，并對車體表面產(chǎn)生的交變壓力載荷進行研究。數(shù)值計算結(jié)果和實車試驗結(jié)果進行對比，波形吻合度高，誤差不超過6%。研究結(jié)果表明：列車明線交會時，列車壓力波尾波幅值由3車編組到8車編組減小11%；列車于各自最不利長度隧道通過和交會時，編組長度不改變列車車體表面壓力波變化規(guī)律，但對幅值有較明顯影響；列車通過隧道時壓力波峰峰值由3車編組到8車編組增大14.0%，列車于隧道中心處交會時該值增大26.4%。

高速列車；列車長度；交會；隧道；交變壓力

隨著列車速度的提高，與之相關(guān)的空氣動力學(xué)問題也越來越突出，對列車空氣動力性能進行的專門研究也越來越多[1?3]。高速列車是一種外形細(xì)長的交通工具，在實際運行中還會根據(jù)需要調(diào)節(jié)編組長度。在現(xiàn)有研究過程中，由于受到試驗裝置尺寸的限制以及數(shù)值計算經(jīng)濟性的影響，通常采用短編組(國內(nèi)通常采用3車編組)來進行高速列車氣動性能的模擬[4?6]。但是列車編組長度不同，其外部繞流流場會發(fā)生變化，尤其在隧道運行時，列車長度影響頭尾車進出隧道產(chǎn)生的壓縮波和膨脹波疊加，使得隧道壁面及車體表面瞬變壓力變化波形及幅值有所不同。因此有必要研究編組長度對列車明線交會、隧道通過和交會時車體表面瞬變壓力的影響。國內(nèi)外學(xué)者對明線運行下不同編組長度列車的氣動性能進行研究。Muld等[7]采用延遲分離渦(delayed detached eddy simulation，DDES)研究了不同編組長度列車尾渦結(jié)構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)尾部主要流動結(jié)構(gòu)由于邊界層厚度的不同而有不同的頻率和渦長。GUO等[8]采用改進延遲分離渦(improved delayed detached eddy simulation，IDDES)研究了編組長度對列車風(fēng)的影響，研究發(fā)現(xiàn)隨著編組長度的增加，縱向列車風(fēng)強度增大。Bell等[9]通過動模型實驗，得出列車長度越大，邊界層厚度越厚。田紅旗[10]通過風(fēng)洞試驗，發(fā)現(xiàn)中間車因所在編組位置的不同阻力系數(shù)不同，且把這種差異歸因于附面層厚度不同。黃志祥等[11]采用風(fēng)洞試驗的方法，研究了不同編組長度列車的氣動阻力在各節(jié)車中的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)2車編組時尾車的阻力系數(shù)明顯小于3車及以上編組數(shù)量時尾車的阻力系數(shù)。毛軍等[12]采用數(shù)值計算方法，研究了不同橫風(fēng)風(fēng)速作用下的不同編組長度列車氣動特性，并建立列車的阻力系數(shù)與列車編組輛數(shù)之間的無量綱關(guān)系，發(fā)現(xiàn)用頭車的氣動安全性評估整個列車的氣動安全性會偏于保守。相對明線運行情況，不同編組長度列車在隧道運行時差異更大。歐洲標(biāo)準(zhǔn)委員會(CEN)提出列車編組長度是影響隧道內(nèi)氣流的重要因素[13]。Ricco等[14]通過動模型試驗，發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)長編組列車第一階段升壓持續(xù)時間更長，幅值更大。Martiez等[15]對2種不同編組長度的列車通過隧道進行研究，通過實車試驗發(fā)現(xiàn)進入隧道時長編組列車壓縮波峰值較大。唐滎[16]采用數(shù)值模擬方法，研究了隧道中不同編組長度列車受電弓表面測點壓力隨時間的變化，發(fā)現(xiàn)測點壓力幅值隨編組長度的增加略增大。章磊[17]采用數(shù)值模擬方法，研究了隧道中不同編組長度列車不同位置測點壓力隨時間的變化，發(fā)現(xiàn)列車編組長度對尾車測點的壓力變化幅值影響較大。這些研究工作主要是針對明線運行條件下不同編組長度列車氣動阻力和列車風(fēng)的研究，或者只關(guān)注單車過隧道時壓力測點隨時間的變化關(guān)系，但較少從壓縮波和膨脹波的疊加分析隧道中編組長度對列車表面壓力載荷的影響。本文則從高速列車明線交會、通過最不利長度隧道以及于最不利長度隧道中心交會時編組長度對車體表面瞬變壓力的影響進行研究。

1 數(shù)值計算模型

1.1 列車模型

計算模型為頭車(6.9)+×中間車(6.76)+尾車(6.9)的(+2)車編組高速列車，其中為車高，分別取1，2，3和6，列車編組示意如圖1所示。列車總長(13.8+6.76×)，以3車編組模型為例進行說明，如圖2所示。列車/隧道耦合空氣動力學(xué)模擬中，隧道為有效凈空面積100 m2的單洞雙線隧道，列車明線和隧道內(nèi)運行線路的線間距均為5.0 m。為了更精準(zhǔn)的研究列車表面壓力載荷，建立了包含轉(zhuǎn)向架、風(fēng)擋等結(jié)構(gòu)在內(nèi)的精細(xì)化模型。測點均取在列車頭車交會側(cè)后窗處，距頭車鼻尖20 m，距地面高度1.9 m。

圖1 列車編組

1.2 計算網(wǎng)格

為了較為準(zhǔn)確的捕捉列車交會以及在隧道內(nèi)產(chǎn)生的壓力變化，對車身表面附近網(wǎng)格進行了加密處理，列車表面第一層網(wǎng)格為1 mm，并在初始計算后采用網(wǎng)格自適應(yīng)進行調(diào)整，以滿足標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)的要求。計算采用網(wǎng)格主要為六面體網(wǎng)格，8車編組時明線交匯、隧道單車、隧道交會時，網(wǎng)格數(shù)分別為4 583，3 627和5 574萬。列車表面及其周圍網(wǎng)格如圖3所示，隧道表面網(wǎng)格如圖4所示。

圖2 列車模型及尺寸

1.3 計算域及邊界條件

以3車編組為例進行說明，計算流域具體尺寸及邊界設(shè)置如圖5所示。采用滑移網(wǎng)格技術(shù)模擬列車運行，列車給定實際運行速度，滑移面位置見示意圖5(a)。壓力出口和進口邊界條件中的相對壓強Pout=0 Pa；地面給定無滑移固壁邊界條件。

圖3 列車表面及其周圍網(wǎng)格

圖4 隧道表面網(wǎng)格

圖5 列車計算域及邊界條件

1.4 計算細(xì)節(jié)

采用商業(yè)軟件Fluent，選用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，壓力速度的耦合采用SIMPLE算法，壓力采用標(biāo)準(zhǔn)格式離散，動量和湍流項采用二階迎風(fēng)格式離散進行計算。其中，非穩(wěn)態(tài)計算采用雙時間步長控制，時間采用一階隱式格式推進，計算步長為1.0×10?4s。

1.5 隧道長度選取

在隧道入口形成的壓縮波、膨脹波，在隧道內(nèi)以音速傳播，來回反射的周期，與隧道長度直接相關(guān)。對于短隧道，由于壓縮波在隧道內(nèi)生成的壓力還未達到最大值時即受到了返回的膨脹波影響而使壓力下降；當(dāng)隧道長度超過壓力轉(zhuǎn)折點后，隨著隧道長度的增加，壓縮波、膨脹波傳播及來回反射的周期隨之增長，由于波在傳播及反射過程中的能量會衰減，隧道愈長，能量衰減愈多，從而導(dǎo)致長隧道的空氣壓力變化幅值減小。因此在不考慮具體施工及地質(zhì)條件下存在一個最不利隧道長度，列車表面壓力波動幅度在該隧道長度下最大，因此本文在最不利長度隧道下進行隧道單車和隧道交會的表面壓力研究。如表1所示為單列車過隧道最不利隧道長度1和列車隧道內(nèi)交會最不利隧道長度2，其中最不利隧道長度根據(jù)文獻[18]中公式計算 所得。

表1 最不利隧道長度

1.6 氣動壓力系數(shù)定義

為便于分析，定義各氣動壓力系數(shù)如下：

式中：C和△均為壓力系數(shù)；為空氣密度，取1.225 kg/m3；為車速，m/s；為流場某處壓力，max和min分別為壓力變化中的最大值和最小值，0為參考壓力，取為0 Pa。

1.7 數(shù)值可靠性驗證

為驗證本文所使用網(wǎng)格和方法的準(zhǔn)確性，數(shù)值計算結(jié)果與2007?01在石家莊?太原客運專線上進行的隧道氣動性能實車試驗結(jié)果進行對比。試驗列車為8車編組，車速為200 km/h。試驗隧道長度為987 m，有效凈空面積為92 m2。在列車表面布置壓力傳感器以監(jiān)測列車表面壓力變化。利用距列車頭部50 m，距軌道上表面2 m的測點所得數(shù)據(jù)進行數(shù)值計算驗證。建立與實車試驗相同的列車和隧道進行數(shù)值計算。

如圖6所示為數(shù)值計算和實車試驗車體表面的測點波形，可以看出兩者波形吻合較好。數(shù)值計算峰峰值為1.420，實車試驗峰峰值為1.346，相差5.2%。其余各點也均吻合較好，相差不超過6%。

圖6 實車試驗數(shù)據(jù)與數(shù)值計算結(jié)果比較

2 結(jié)果及分析

2.1 編組長度對列車交會時車體表面壓力影響

圖7所示為列車交會側(cè)車體表面壓力變化幅值()沿車長方向分布。橫坐標(biāo)表示列車長度方向，以特征長度進行標(biāo)準(zhǔn)化，縱坐標(biāo)為壓力系數(shù)。從圖7可知，不同編組長度列車車體表面沿車長方向分布規(guī)律一致；各編組長度列車的頭車區(qū)域幅值差異很小，均不超過1.5%；中間車表面的也差異很小，且隨著編組長度增加，越靠近尾車，車體表面略有增大。

圖8所示為列車交會側(cè)測點交會壓力波形。橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)為壓力系數(shù)C。從圖8可知，不同編組長度頭波的波形一致，幅值無明顯差異，即頭波與編組長度無關(guān)；不同編組列車的尾波幅值存在明顯差異，隨著編組長度增加，尾波幅值逐漸減??；對于尾波的正峰值降幅最大可達11%，負(fù)峰值降幅不超過6%，峰峰值降幅最大可達8%。由于交會壓力波尾波幅度小于頭波幅度，可見交會壓力波主要峰值由頭波決定。因此用短編組模型進行明線交會壓力波的模擬是可行的。

圖7 列車明線交會壓力波幅值沿車長分布

圖8 列車明線交會壓力測點波形

2.2 編組長度對單車過隧道時車體表面壓力影響

圖9為3車編組和8車編組列車過隧道時壓力變化過程，其中，圖9(a)為馬赫波在隧道內(nèi)的傳遞過程；圖9(b)為列車通過所對應(yīng)最不利隧道時頭車后部測點壓力系數(shù)隨時間的變化過程。如圖9所示，Cmax?3和Cmax?8的差異是由于列車長度增加而導(dǎo)致列車進入隧道產(chǎn)生的壓縮波與來自車尾膨脹波的時間間隔更長；可以看出隨測點沿車長后移，會更早遇到車尾產(chǎn)生的膨脹波，壓力峰值減小。Cmin?3和Cmin?8為由列車進入隧道所產(chǎn)生的壓縮波經(jīng)隧道口反射而形成的膨脹波與列車尾部進入隧道所產(chǎn)生的膨脹波共同作用而引起，兩者差異是由于8車編組列車進入隧道所產(chǎn)生的壓縮波強度大于3車編組情況。

3車編組時Cmax?3為0.125 9，8車編組時Cmax?8為0.233 6，幅值增大了85.5%；3車編組時Cmin?3為?0.756 0，8車編組時Cmin?8為?0.771 5，幅值增大了2.1%，其中最大正壓的增幅顯著強于最大負(fù)壓。3車編組時△3為0.881 9，8車編組時△8為1.005 1，幅值增大了14.0%。

圖9 單車過隧道壓力變化過程

2.3 編組長度對列車隧道內(nèi)交會時車體表面壓力影響

圖10為3車編組和8車編組列車隧道中心交會時壓力變化過程，其中，圖10(a)為馬赫波在隧道內(nèi)的傳遞過程；圖10(b)為列車在所對應(yīng)最不利隧道中交會時頭部測點壓力系數(shù)隨時間的變化過程。如圖10所示，Cmax?3和Cmax?8為列車進入隧道時壓縮波與相向運行列車進入隧道所產(chǎn)生的壓縮波共同作用于測點而引起，差異同樣是由于列車長度增加而導(dǎo)致列車進入隧道產(chǎn)生的壓縮波與來自車尾膨脹波的時間間隔更長，但是由于疊加作用的影響幅值更大；可以看出隨測點后移，會更早遇到車尾產(chǎn)生的膨脹波，壓力峰值減小。Cmin?3和Cmin?8為由列車主體進入隧道所產(chǎn)生的壓縮波經(jīng)隧道口反射而形成的膨脹波與相向列車同樣經(jīng)反射所形成的膨脹波同時作用在交會列車上而引起，差異同樣是由于列車長度增加引起進入隧道產(chǎn)生的壓縮波強度更大，同時由于交會的影響幅值下降更為明顯。

3車編組時Cmax?3為0.303 9，8車編組時Cmax?8為0.531 3，幅值增大了74.8%；3車編組時Cmin?3為?1.046 9，8車編組時Cmin?8為?1.175 5，幅值增大了12.3%，其中最大正壓的增幅顯著強于最大負(fù)壓。3車編組時△?3為1.350 8，8車編組時△?8為1.706 8，幅值增大了26.4%。

圖10 列車隧道交會壓力變化過程

3 結(jié)論

1) 對于明線交會而言，壓力波幅值沿車長方向分布規(guī)律一致，且各編組長度列車的頭車區(qū)域交會壓力波幅值差異均不超過1.5%；隨著編組長度增加，越靠近尾車，車體表面交會壓力波幅值略有增大。列車交會壓力波尾波受編組長度影響明顯，變化可達11%。但交會壓力波主要由頭波決定，因此用短編組模型進行明線交會壓力波的模擬是可 行的。

2) 對于列車通過隧道以及于隧道中心處交會而言，車體表面幅值隨著編組長度增加而增加，列車通過隧道時△從3車編組時的0.881 9到8車編組時的1.005 1，幅值增大了14.0%。列車于隧道中心處交會時△從3車編組時的1.350 8到8車編組時的1.706 8，幅值增大了26.4%。正峰值的差異是因為隨編組長度的增加，列車進入隧道產(chǎn)生的壓縮波與來自車尾膨脹波的時間間隔更長。負(fù)峰值的差異因為長編組列車進入隧道所產(chǎn)生的壓縮波強度略大，因此經(jīng)隧道口反射后作用于觀測列車的膨脹波強度也略大。

[1] Baker C. The flow around high speed trains[J]. Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics, 2010, 98(Suppl 6–7): 277?298.

[2] 馬偉斌, 張千里, 劉艷青. 中國高速鐵路隧道氣動效應(yīng)研究進展[J]. 交通運輸工程學(xué)報, 2012, 12(4): 25?32.

MA Weibin, ZHANG Qianli, LIU Yanqing. Study evolvement of high-speed railway tunnel aerodynamic effect in China[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2012, 12(4): 25?32.

[3] 蔡軍爽, 張潔, 劉堂紅. 基于DES的高速列車氣動阻力分布特性研究[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報, 2014, 11(5): 64?69.

CAI Junshuang, ZHANG Jie, LIU Tanghong. Study on distribution characteristics of aerodynamic drag of high-speed train based on DES[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2014, 11(5): 64?69.

[4] 牛紀(jì)強, 梁習(xí)鋒, 周丹, 等. 動車組過隧道時設(shè)備艙氣動效應(yīng)動模型試驗[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版), 2016, 50(7): 1258?1265.

NIU Jiqiang, LIANG Xifeng, ZHOU Dan, et al. Equipment cabin aerodynamic performance of electric multiple unit going through tunnel by dynamic model test[J]. Journal of Zhejiang University (Engineering Science), 2016, 50(7): 1258?1265.

[5] 李永樂, 楊懌, 吳夢雪, 等. 側(cè)向風(fēng)作用下橋上列車交會過程的空氣動力特性[J]. 中國鐵道科學(xué), 2015, 36(2): 37?44.

LI Yongle, YANG Yi, WU Mengxue, et al. Aerodynamic characteristics in the process of two trains passing each other on bridge under cross wind action[J]. China Railway Science, 2015, 36(2): 37?44.

[6] 梅元貴, 孫建成, 許建林, 等. 高速列車隧道交會壓力波特性[J]. 交通運輸工程學(xué)報, 2015, 15(5): 34?43.

MEI Yuangui, SUN Jiancheng, XU Jianlin, et al. Crossing pressure wave characteristics of high-speed trains in tunnel[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2015, 15(5): 34?43.

[7] Muld T W, Efraimsson G, Henningson D S. Wake characteristics of high-speed trains with different lengths[J]. Journal of Rail and Rapid Transit, 2014, 228(4): 333?342.

[8] GUO D, SHANG K M, ZHANG Y, et al. Influence of affiliated components and train length on the train wind[J]. Acta Mechanica Sinica, 2016, 32(2): 191?205.

[9] Bell J R, Burton D, Thompson M C, et al. Moving model analysis of the slipstream and wake of a high-speed train[J]. Journal of Wind Engineering and Industrail Aerodynamics, 2015(136): 127?137.

[10] 田紅旗. 列車空氣動力學(xué)[M]. 北京: 中國鐵道出版社, 2007: 161?162.

TIAN Hongqi. Train aerodynamics[M]. Beijing: China Railway Publishing House, 2007: 161?162.

[11] 黃志祥, 陳立, 蔣科林. 高速列車模型編組長度和風(fēng)擋結(jié)構(gòu)對氣動阻力的影響[J]. 實驗流體力學(xué), 2012, 26(5): 36?41.

HUANG Zhixiang, CHEN Li, JIANG Kelin. Influence of length of train formation and vestilule diaphragm structure on aerodynamic drag of high speed train model[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2012, 26(5): 36?41.

[12] 毛軍, 郗艷紅, 楊國偉. 列車編成輛數(shù)對高速列車橫風(fēng)氣動特性影響的數(shù)值分析[J]. 中國鐵道科學(xué), 2012, 33(1): 78?85.

MAO Jun, XI Yanhong, YANG Guowei. Numerical analysis on the influence of train formation on the aerodynamic characteristics of high-speed trains under crosswind[J]. China Railway Science, 2012, 33(1): 78? 85.

[13] EN-14067-3-2003, Railway applications-aerodynamics- part 3: aerodynamics in tunnels[S].

[14] Ricco P, Baron A, Molteni P. Nature of pressure waves induced by a high-speed train travelling through a tunnel[J]. Journal of Wind Engineering and Industrail Aerodynamics, 2007(95): 781?808.

[15] Martinez A, Vego E, Gaite Z, et al. Pressure measurements on real high-speed trains travelling through tunnels[C]// BBAA VI International Colloquium. Italy: 2008: 1?11.

[16] 唐滎. 高速列車進出隧道口受電弓氣動載荷研究[D]. 長沙: 中南大學(xué), 2014.

TAND Xing. Research on aerodynamic load on pantograph when a high-speed train passing in and out tunnel[D]. Changsha: Central South University, 2014.

[17] 章磊. 高速列車隧道通過氣動性能研究[D]. 成都: 西南交通大學(xué), 2009.

ZHANG Lei. Study on aerodynamic performance of high-speed trains through the tunnel[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2009.

[18] 田紅旗. 中國高速軌道交通空氣動力學(xué)研究進展及發(fā)展思考[J]. 中國工程科學(xué), 2015, 17(4): 30?41.

TIAN Hongqi. Development of research on aerodynamics of high-speed rails in China[J]. Engineering Sciences, 2015, 17(4): 30?41.

Numerical simulation of impact of train length on alternating pressure load

ZHOU Dan, JIA Lirong, NIU Jiqiang

(Key Laboratory of Traffic Safety on Track, School of Traffic & Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Based on the standard-equation turbulence mode, using sliding mesh method, different length of trains (3 cars, 4 cars, 5cars and 8cars) passing by each other, operation and passing in the tunnel of worst length were all simulated. The pressure load on train surface was analyzed. Numerical results were compared with measurements from the full-scale train test. The wave shape fits well and the maximum error is below 6%. The results showed that the amplitude of pressure tail wave reduced by 11% in trains with 3 cars to 8 cars when pass by each other. The distribution regularity of pressure in the train is not changed by the train length, but the effect of the train length on pressure amplitude is obvious when operate and pass in the tunnel of worst length. The peak to peak of pressure reduced by 14.0% in trains with 3 cars to 8 cars when operation in tunnel, the value reduced by 26.4% when passing in tunnel.

high-speed train; train length; passing by each other; tunnel; alternating pressure

U27；V211

A

1672 ? 7029(2018)01 ? 0001 ? 07

2016?12?21

湖南省自然科學(xué)基金資助項目(14JJ3028)；中國鐵路總公司重大課題資助項目(2016ZB17)；湖南省研究生科研創(chuàng)新資助項目(CX2015B046)

周丹(1980?)，女，湖北武漢人，副教授，博士，從事列車空氣動力學(xué)研究；E?mail：zd_lzj@126.com