單列高速列車通過隧道空氣阻力特性數(shù)值模擬研究

楊永剛，杜云超，梅元貴

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單列高速列車通過隧道空氣阻力特性數(shù)值模擬研究

楊永剛，杜云超，梅元貴

(蘭州交通大學(xué) 甘肅省軌道交通力學(xué)應(yīng)用工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070)

針對(duì)高速列車空氣阻力直接影響列車最高運(yùn)行速度，采用真實(shí)外形的8編組國(guó)內(nèi)某型動(dòng)車組，建立單車通過隧道的數(shù)值計(jì)算模型，并對(duì)隧道空氣阻力的形成機(jī)理及其隨時(shí)間的變化特性、列車表面壓力與阻力兩者變化間的關(guān)系、列車各部件阻力的分布特性進(jìn)行分析；對(duì)比隧道通過時(shí)整車阻力的最大值、最小值和明線整車的阻力值。研究結(jié)果表明：列車通過隧道時(shí)，隧道內(nèi)壓縮波和膨脹波對(duì)列車阻力有直接影響，列車空氣阻力呈現(xiàn)準(zhǔn)周期性波動(dòng)，其中壓差阻力的波動(dòng)幅度比摩擦阻力的波動(dòng)幅度大；壓差阻力和摩擦阻力所占的比例隨時(shí)間而變化；列車空氣阻力的最大值和最小值分別為明線的1.96倍和0.89倍。列車明線穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，壓差阻力和摩擦阻力分別占列車空氣阻力的61.7和38.3%。列車通過隧道過程中，列車各部件阻力分布特性隨時(shí)間而變化。

高速列車；隧道空氣阻力；形成機(jī)理；分布特性

近年來，隨著高速列車速度的快速提高，列車空氣動(dòng)力學(xué)問題成為高速列車發(fā)展的關(guān)鍵問題，其對(duì)高速列車的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、安全性、舒適性和周圍環(huán)境有著重要影響。高速列車通過隧道時(shí)，空氣動(dòng)力學(xué)問題更為嚴(yán)重，高速列車空氣阻力直接影響列車的最高運(yùn)行速度。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過實(shí)車試驗(yàn)、模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬等方法對(duì)高速列車空氣動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了大量研究[1?11]，對(duì)高速列車隧道空氣阻力的研究相對(duì)較少。Nakade等[12?13]采用三維數(shù)值模擬方法將列車明線穩(wěn)定運(yùn)行和隧道單車通過時(shí)氣動(dòng)力的波動(dòng)幅度進(jìn)行了對(duì)比，說明列車氣動(dòng)力波動(dòng)的原因，展示了氣動(dòng)力沿列車長(zhǎng)度方向的波動(dòng)規(guī)律，以及列車通過隧道時(shí)，空氣阻力的變化特性。Takanobu等[14?15]采用三維數(shù)值模擬方法研究了高速列車隧道內(nèi)會(huì)車時(shí)空氣阻力隨時(shí)間的變化特性，車速和阻塞比對(duì)空氣阻力最大值的影響。王偉等[16]建立了隧道內(nèi)空氣阻力的計(jì)算公式，討論了不同隧道斷面的阻力系數(shù)。LI等[17?18]介紹了運(yùn)用動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)測(cè)試列車在明線運(yùn)行和隧道通過時(shí)的空氣阻力。趙有明等[19]介紹了一種隧道內(nèi)非恒定流空氣附加阻力實(shí)車試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)。Peters等[20]研究了ICE/V列車隧道因子隨列車長(zhǎng)度和隧道長(zhǎng)度的變化情況但是上述研究對(duì)列車通過隧道時(shí)空氣阻力的形成機(jī)理、隨時(shí)間的變化特性、分布特性沒有進(jìn)行詳細(xì)研究。本文采用8編組國(guó)內(nèi)某型動(dòng)車組，研究單車通過隧道時(shí)，空氣阻力的形成機(jī)理及其隨時(shí)間的變化特性，隧道內(nèi)壓縮波和膨脹波對(duì)壓差阻力、摩擦阻力影響；列車表面壓力變化對(duì)列車空氣阻力的影響，車體各個(gè)部件的阻力分布特性。列車通過隧道時(shí)空氣阻力的最大值、最小值以及明線運(yùn)行時(shí)的阻力值進(jìn)行對(duì)比研究。

1 計(jì)算模型和網(wǎng)格劃分

1.1 計(jì)算模型

列車采用8編組國(guó)內(nèi)某型動(dòng)車組，列車外形及幾何尺寸如圖1所示。

(a) 正視圖；(b) 受電弓

取軌面到車頂平面高度4.05 m為基準(zhǔn)尺寸，記為，車體總長(zhǎng)為51.6。隧道采用《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10621—2009)時(shí)速300 km/h和350 km/h雙線隧道，隧道凈空面積100 m2，線間距5.0 m。忽略隧道線路沿列車運(yùn)行方向的坡度，隧道內(nèi)的線路為直線，并且忽略隧道內(nèi)的軌道、豎井等結(jié)構(gòu)，隧道長(zhǎng)度取800 m。

1.2 計(jì)算區(qū)域

計(jì)算區(qū)域如圖2所示，隧道長(zhǎng)度記為L。圖中為隧道內(nèi)輪廓直徑，=13.3 m。

(a) 側(cè)視圖；(b) 俯視圖

1.3 網(wǎng)格劃分

(a) 網(wǎng)格整體分布；(b) 尾流區(qū)網(wǎng)格；(c) 隧道口網(wǎng)格；(d) 轉(zhuǎn)向架表面網(wǎng)格；(e) 列車頭部(尾部)網(wǎng)格

1.4 計(jì)算方法

列車過隧道時(shí)，隧道內(nèi)的空氣流動(dòng)十分復(fù)雜，空氣流動(dòng)受到隧道壁面的限制而被壓縮，流場(chǎng)處于湍流狀態(tài)，計(jì)算采用三維、非定常、可壓縮N-S方程，湍流模型為SST?模型，應(yīng)用重疊網(wǎng)格技術(shù)對(duì)高速列車通過隧道時(shí)的空氣阻力進(jìn)行數(shù)值模擬研究。根據(jù)重疊網(wǎng)格和非定常計(jì)算對(duì)時(shí)間間隔的要求，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)取0.001 s，為保證每步計(jì)算達(dá)到收斂，內(nèi)迭代次數(shù)為20。

對(duì)于單車過隧道情形，列車表面和隧道表面、隧道口的垂直邊界、路基表面為無滑移固體壁面，其切向速度都設(shè)定為0。開闊空間的其他邊界均采用自由流邊界，用于模擬無窮遠(yuǎn)處的可壓縮流動(dòng)。

計(jì)算參數(shù)：列車運(yùn)行速度350 km/h，遠(yuǎn)場(chǎng)壓力取1 013 025 Pa，參考溫度取283 K。

1.5 氣動(dòng)力系數(shù)定義

阻力系數(shù)和壓力系數(shù)定義如下：

阻力系數(shù)：

壓力系數(shù)：

式中：為空氣密度，1.225 kg/m3；為來流速度、列車運(yùn)行速度；為參考面積，取列車方向的橫截面積11.93 m2；F為空氣阻力。

根據(jù)CEN標(biāo)準(zhǔn)[21]，隧道因子的定義如下：

2 方法驗(yàn)證

文中分別采用高速列車風(fēng)洞試驗(yàn)的阻力和實(shí)車通過隧道壓力波的結(jié)果驗(yàn)證本文所采用的數(shù)值模擬方法的合理性和準(zhǔn)確性。

2.1 風(fēng)洞驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所采用網(wǎng)格劃分的可靠性。本文通過與CRH380A縮尺風(fēng)洞測(cè)試結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。風(fēng)洞試驗(yàn)中來流風(fēng)速為60 m/s，側(cè)偏角為0。風(fēng)洞試驗(yàn)采用的模型為1:8縮尺模型，帶有轉(zhuǎn)向架、路堤、鋼軌、支柱及風(fēng)擋，實(shí)際風(fēng)洞的截面尺寸為8 m×6 m。本文所使用計(jì)算域截面尺寸與風(fēng)洞相同，并在流向方向進(jìn)行延長(zhǎng)以降低尾流對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。

表1 列車阻力系數(shù)值

數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表1所示。由表1可知：空氣阻力的誤差最大值為10.7%。

2.2 重疊網(wǎng)格方法驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所采用的計(jì)算方法的合理性。本文通過與京滬線鳳凰臺(tái)隧道實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)車試驗(yàn)中，列車采用8編組，列車速度300 km/h，隧道長(zhǎng)1 168 m。實(shí)車試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算的壓力時(shí)間歷程曲線如圖4所示。由圖4可知：數(shù)值模擬計(jì)算所得測(cè)點(diǎn)的壓力與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的壓力變化規(guī)律基本一致，最大誤差為6.5%。

圖4 隧道內(nèi)200 m處測(cè)點(diǎn)的壓力波對(duì)比

綜合風(fēng)洞試驗(yàn)和實(shí)車試驗(yàn)可知：本文所采用的計(jì)算方法和網(wǎng)格劃分方法可用于求解列車過隧道的空氣動(dòng)力學(xué)問題。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 列車空氣阻力形成機(jī)理

圖5表示列車通過隧道的壓力、阻力時(shí)間歷程曲線。圖5(a)表示列車運(yùn)行軌跡、壓縮波和膨脹波的傳播軌跡。其中：“”表示壓縮波，“”表示膨脹波。圖5(d)中藍(lán)色曲線為阻力系數(shù)，紅色直線為隧道內(nèi)列車阻力系數(shù)的平均值。0時(shí)刻車頭端到達(dá)隧道端口。

(a) 傳播軌跡；(b) 頭車鼻尖測(cè)點(diǎn)壓力；(c) 尾車鼻尖測(cè)點(diǎn)壓力；(d) 阻力系數(shù)

由圖5可知：車頭駛?cè)胨淼狼?，列車表面的壓力和列車阻力都處于穩(wěn)定狀態(tài)。0時(shí)刻，車頭到達(dá)隧道口，產(chǎn)生初始?jí)嚎s波N1并向隧道出口方向傳播。由于隧道壁對(duì)空氣流動(dòng)的限制作用，車頭前方的空氣受到壓縮，車頭鼻尖的壓力快速升高，由于車尾在明線運(yùn)行，故尾車鼻尖壓力依舊處于穩(wěn)定狀態(tài)，頭尾車的壓差增大，列車阻力突然增大。隨著列車?yán)^續(xù)駛?cè)胨淼溃囶^鼻尖壓力線性增大，阻力也平穩(wěn)上升。=2.15 s時(shí)，車尾到達(dá)隧道口，產(chǎn)生初始膨脹波T1并向隧道出口方向傳播。車尾的壓力突然減小，頭尾車的壓差再次增大，列車的阻力再次急劇增大。車尾駛?cè)胨淼酪欢尉嚯x后，列車阻力達(dá)到最大值。由于車尾駛?cè)胨淼廊肟跁r(shí)產(chǎn)生的膨脹波強(qiáng)度最大，導(dǎo)致車尾負(fù)壓值最大，而車頭正壓仍保持較大值，因此，在此位置列車阻力最大。

=2.15~8.23 s時(shí)，高速列車在隧道內(nèi)運(yùn)行，由于壓縮波和膨脹波的不斷傳播和反射，列車阻力呈現(xiàn)準(zhǔn)周期性波動(dòng)。

=8.23 s時(shí)，車頭駛出隧道，車頭的壓力增大，恢復(fù)到明線運(yùn)行時(shí)的壓力。列車駛出隧道過程中，膨脹波T2和壓縮波N和T2相繼經(jīng)過車尾，使車尾的壓力產(chǎn)生波動(dòng)，導(dǎo)致列車駛出隧道過程中，列車阻力產(chǎn)生波動(dòng)。列車完全駛出隧道后，列車恢復(fù)到明線運(yùn)行時(shí)的阻力。8編組列車通過隧道過程中，阻力系數(shù)平均值為0.864，隧道因子為1.35。

3.2 列車表面壓力和阻力兩者變化間關(guān)系

圖6表示列車通過隧道過程中列車截面處的壓力分布。在圖6(a)中，列車明線穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，在車頭前方，以鼻尖為中心，形成正壓區(qū)，向四周輻射。圖6(b)中，=2.2 s時(shí)，車尾駛?cè)胨淼篮?，產(chǎn)生初始膨脹波T1，使車尾的壓力開始下降；車頭前方的壓力繼續(xù)增大。圖6(c)中=5.0 s時(shí)，膨脹波N1經(jīng)過車體，列車表面的壓力和列車周圍的壓力下降，車體表面的負(fù)壓值較大。圖6(d)中，=6.6 s時(shí)，壓縮波T1經(jīng)過車體，列車表面的壓力和列車周圍的壓力再次增大。圖6(e)中，=9.3 s時(shí)，列車駛出隧道一半車長(zhǎng)，駛出隧道的車體的表面壓力恢復(fù)到明線運(yùn)行時(shí)的壓力。

3.3 列車空氣阻力時(shí)間歷程特征

列車通過隧道過程中，阻力時(shí)間歷程曲線如圖7所示。圖7(a)為壓差阻力、摩擦阻力和總阻力的力系數(shù)曲線。圖7(b)為摩擦阻力。

(a) 明線運(yùn)行；(b) 列車完全駛?cè)胨淼?t=2.2 s)；(c) 膨脹波經(jīng)過車體(t=5.0 s，膨脹波EN1)；(d) 壓縮波經(jīng)過車體(t=6.6 s，壓縮波CT1)；(e) 駛出隧道一半車長(zhǎng)(t=9.3 s)

(a) 阻力時(shí)間歷程曲線；(b) 摩擦阻力

在圖7(a)中，列車在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)，列車壓差阻力有時(shí)小于明線的壓差阻力，有時(shí)大于明線的壓差阻力；但摩擦阻力一直大于明線運(yùn)行時(shí)的摩擦阻力。列車的摩擦阻力和壓差阻力都隨時(shí)間而波動(dòng)，但摩擦阻力的波動(dòng)幅度小于壓差阻力的波動(dòng)幅度；列車阻力隨壓差阻力的變化而變化，兩者的變化趨勢(shì)幾乎一致，壓差阻力對(duì)列車阻力的影響遠(yuǎn)大于摩擦阻力對(duì)列車阻力的影響。

在圖7(b)中a~b時(shí)刻：=0~2.15 s時(shí)，列車駛?cè)胨淼肋^程中，車身壁面與隧道壁面組成環(huán)狀空間，隨著列車的不斷駛?cè)耄h(huán)狀空間增大，由于空氣的黏性，列車的摩擦阻力隨著環(huán)狀空間的增大而增大。b~c時(shí)刻：=2.15~2.7 s時(shí)，車尾完全進(jìn)入隧道口后，整車的摩擦阻力還在繼續(xù)增大。這主要是因?yàn)椋河捎诹熊囋谒淼纼?nèi)繼續(xù)向前行駛，車頭前方受擠壓的空氣進(jìn)一步增多，車頭前方壓力也繼續(xù)增大。這樣，車頭前方的空氣通過環(huán)狀空間向車頭后方流動(dòng)的空氣越來越多，流動(dòng)速度也越來越大，這樣導(dǎo)致列車與周圍空氣的摩擦阻力也越來越大。c時(shí)刻：=3.0 s時(shí)，膨脹波T1經(jīng)過車頭后，車頭前方的空氣壓力下降。這樣，從車頭前方流向車體后方的空氣流動(dòng)速度減小，摩擦阻力也開始減小。

由圖7可知：列車通過隧道過程中，壓差阻力和摩擦阻力都隨時(shí)間而波動(dòng)。為了分析摩擦阻力和壓差阻力在列車通過隧道過程中不同時(shí)刻的值和所占的比例，取列車在明線、=2.7 s時(shí)列車完全駛?cè)胨淼馈?5.0 s時(shí)膨脹波N1經(jīng)過車體、=6.6 s時(shí)壓縮波T1經(jīng)過車體、=9.3 s時(shí)列車駛出隧道一半車長(zhǎng)5個(gè)時(shí)刻的阻力進(jìn)行分析。圖8表示了5個(gè)時(shí)刻各個(gè)力系數(shù)值以及所占的比例。

由圖8(b)可知：列車明線穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，摩擦阻力和壓差阻力分別占列車空氣阻力的38.4%和61.6%。列車完全駛?cè)胨淼篮?，壓差阻力所占的比例達(dá)到最大，占列車空氣阻力的75.3%。=5.0 s膨脹波經(jīng)過后，列車的壓差阻力所占的比例大于明線對(duì)應(yīng)的比例。=6.6 s壓縮波經(jīng)過后，列車的壓差阻力所占的比例小于明線對(duì)應(yīng)的比例。=9.3 s時(shí)，列車駛出隧道一半車長(zhǎng)，車頭的壓力恢復(fù)到明線運(yùn)行的壓力；而前一時(shí)刻，膨脹波T2經(jīng)過列車尾部，車尾的壓力下降，頭尾車壓差增大，導(dǎo)致該時(shí)刻列車的阻力大于明線的阻力，壓差阻力所占的比例大于明線對(duì)應(yīng)的比例。列車通過隧道過程中，列車的壓差阻力和摩擦阻力所占的比例隨時(shí)間而變化，壓差阻力和摩擦阻力各自所占的比例有時(shí)大于明線的，有時(shí)小于明線對(duì)應(yīng)的比例。

(a) 阻力值；(b) 所占比例

圖9為列車明線單車穩(wěn)定運(yùn)行和通過隧道過程中整車阻力最大值和最小值時(shí)刻的阻力分布。由圖可知：隧道對(duì)列車空氣阻力的影響較大，特別是壓差阻力。8編組列車通過隧道時(shí)空氣阻力最大值為明線的1.96倍，對(duì)應(yīng)時(shí)刻的壓差阻力和摩擦阻力分別為明線的2.4倍和1.26倍。隧道通過時(shí)的阻力最小值為明線的0.89倍，對(duì)應(yīng)時(shí)刻的壓差阻力和摩擦阻力分別為明線的0.76倍和1.08倍。

圖9 隧道內(nèi)阻力最大值和最小值以及明線的阻力分布

3.4 列車阻力分布特性

取列車在明線、=2.7 s時(shí)列車完全駛?cè)胨淼馈?5.0 s時(shí)膨脹波N1經(jīng)過時(shí)的數(shù)據(jù)、=6.6 s時(shí)壓縮波T1經(jīng)過車體、=9.3 s時(shí)列車駛出隧道一半車長(zhǎng)5個(gè)時(shí)刻的阻力進(jìn)行分析。平直車身包含所有平直車廂的側(cè)墻和頂部，車底包含所有車廂的底部，轉(zhuǎn)向架包含所有的轉(zhuǎn)向架和轉(zhuǎn)向架腔，風(fēng)擋包含所有風(fēng)擋，如圖10所示。受電弓系統(tǒng)如圖11所示。圖12表示了列車通過隧道過程中，列車各部件阻力的分布特性。表2為不同時(shí)刻，列車各部件的阻力值。

圖10 列車部件示意圖

圖11 受電弓系統(tǒng)

由圖12和表2可知：對(duì)于車頭，阻力主要為壓差阻力，列車明線穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，車頭的阻力和所占的比例較小，列車駛?cè)胨淼篮?，車頭的壓力增大，壓差阻力增大，車頭的阻力和所占的比例增大，大于明線的阻力值和所占的比例。當(dāng)膨脹波經(jīng)過列車后，車頭的壓力減小，壓差阻力減小，車頭的阻力變?yōu)樨?fù)值，小于明線運(yùn)行時(shí)所占的比例。壓縮波經(jīng)過之后，車頭的壓力增大，車頭的阻力和所占的比例增大，大于明線的阻力值和所占的比例。

圖12 不同時(shí)刻列車阻力分布特性

表2 不同時(shí)刻列車阻力百分比

對(duì)于車尾，阻力主要為壓差阻力，列車明線穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，車尾的阻力和所占的比例較小，列車駛?cè)胨淼篮?，產(chǎn)生初始膨脹波，車尾的壓力減小，壓差阻力增大，車尾的阻力和所占的比例增大，大于明線的阻力和所占的比例。當(dāng)壓縮波和膨脹波經(jīng)過車尾后，車尾的阻力與車頭的阻力變化相反。列車駛出一半車長(zhǎng)時(shí)，膨脹波T2經(jīng)過車尾，車尾的壓力減小，車尾的阻力和所占的比例增大，大于明線對(duì)應(yīng)的阻力和阻力所占的比例。

對(duì)于平直車身和平直車底，主要為摩擦阻力，隧道內(nèi)的阻力大于明線的阻力，但阻力值變化不大。但所占的比例有時(shí)小于明線對(duì)應(yīng)的比例，有時(shí)大于明線對(duì)應(yīng)的比例。對(duì)于轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)，列車完全駛?cè)胨淼篮螅枇υ龃?，大于明線對(duì)應(yīng)的阻力，但所占的比例小于明線所占的比例，主要是因?yàn)檐囶^、車尾阻力的增大幅度大于轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)的增大幅度。其他時(shí)刻，由于壓縮波和膨脹波的作用，轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)的阻力和所占的比例隨時(shí)間而變化。對(duì)于受電弓系統(tǒng)和風(fēng)擋，同轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)一樣，其阻力值和阻力所占的比例隨時(shí)間而變化。

4 結(jié)論

1) 通過與實(shí)車試驗(yàn)、風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了本文所采用的計(jì)算方法和網(wǎng)格劃分的正確性。

2) 8編組列車明線穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，壓差阻力和摩擦阻力分別占總空氣阻力的38.3%和61.7%；列車單車通過隧道時(shí)，列車的壓差阻力有時(shí)大于、有時(shí)小于明線運(yùn)行時(shí)的壓差阻力，列車的摩擦阻力一直大于明線的摩擦阻力。

3) 單車通過隧道時(shí)，由于隧道內(nèi)壓縮波和膨脹波的反復(fù)作用，列車表面的壓力隨時(shí)間而變化，導(dǎo)致列車阻力呈現(xiàn)準(zhǔn)周期性波動(dòng)。壓差阻力的波動(dòng)幅度比摩擦阻力的波動(dòng)幅度大；8編組列車通過隧道時(shí)的空氣阻力最大值為明線的1.96倍；空氣阻力最小值為明線的0.89倍。

4) 8編組列車明線穩(wěn)定運(yùn)行和隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)的壓差阻力和平直車身的摩擦阻力占列車氣動(dòng)阻力的比例較大；列車通過隧道過程中，車頭、車尾的阻力變化幅度較大；列車阻力的分布特性隨時(shí)間而變化。

[1] 肖京平, 黃志祥, 陳立. 高速列車空氣動(dòng)力學(xué)研究技術(shù)綜述[J]. 力學(xué)與實(shí)踐, 2013, 35(2): 1?12. XIAO Jingping, HUANG Zhixiang, CHEN Li. Review of aerodynamic investigations for high speed train[J]. Mechanics in Engineering, 2013, 35(2): 1?12.

[2] ZHANG Jie, LI Jingjuan, TIAN Hongqi, et al. Impact of ground and wheel boundary conditions on numerical simulation of the high-speed train aerodynamic performance[J]. Journal of Fluids and Structures, 2016(61): 249?261.

[3] Raghunathan R S, Kim H D, Setoguchi T. Aerodynamics of high-speed railway train[J]. Progress in Aerospace Sciences, 2002(38): 469?514.

[4] 梅元貴, 周朝暉, 許建林. 高速鐵路隧道空氣動(dòng)力學(xué)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2009. MEI Yuangui, ZHOU Chaohui, XU Jianlin. High-speed railway tunnel aerodynamics[M]. Beijing: Science Press, 2009.

[5] 李人憲. 高速列車氣動(dòng)影響[M]. 北京: 中國(guó)鐵道出版社, 2016. LI Renxian. High-speed train aerodynamic effect[M]. Beijing: China Railway Press, 2016.

[6] 田紅旗. 中國(guó)高速軌道交通空氣動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展及發(fā)展思考[J]. 中國(guó)工程科學(xué), 2015(4): 30?41. TIAN Hongqi. Development of research on aerodynamics of high-speed rails in China[J]. Engineering Sciences, 2015(4): 30?41.

[7] DING Sansan, LI Qiang, TIAN Aiqin, et al. Aerodynamic design on high-speed trains[J]. Acta Mechanica Sinica, 2016(2): 215?232.

[8] 劉堂紅, 田紅旗, 金學(xué)松. 隧道空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)車試驗(yàn)研究[J]. 空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào), 2008(1): 42?47. LIU Tanghong, TIAN Hongqi, JIN Xuesong. Experimental study of full-scale train on aerodynamics in tunnel[J]. Acta Aerodynamica Sinica, 2008(1): 42?47.

[9] ZHANG Lei, YANG Mingzhi, LIANG Xifeng, et al. Oblique tunnel portal effects on train and tunnel aerodynamics based on moving model tests[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2017(167): 128?139.

[10] MEI Yuangui. A generalized numerical simulation method for pressure waves generated by high-speed trains passing through tunnels[J]. Advances in Structural Engineering, 2013, 16(8): 1427?1436.

[11] 梁習(xí)鋒, 田紅旗. 列車氣動(dòng)性能評(píng)估參數(shù)研究[J]. 中國(guó)鐵道科學(xué), 2003, 24(1): 38?42. LIANG Xifeng, TIAN Hongqi. Research on evaluating parameters of train aerodynamic performance[J]. China Railway Science, 2003, 24(1): 38?42.

[12] Nakade Koji1, Suzuki Masahiro1, Fujimoto Hiroshi1. Interaction between vehicle vibration and aerodynamic force on high-speed train running in tunnel[J]. Vehicle System Dynamics, 2004, 41(Suppl): 717?723.

[13] 王一偉, 楊國(guó)偉, 黃晨光. 高速列車通過隧道時(shí)氣動(dòng)阻力特性的CFD仿真分析[J]. 中國(guó)鐵道科學(xué), 2012, 33(B8): 33?38. WANG Yiwei, YANG Guowei, HUANG Chenguang. CFD simulation analysis high-speed on the aerodynamic drag characteristics of train running through tunnel[J]. China Railway Science, 2012, 33(B8): 33?38.

[14] Takanobu Ogawa, Kozo Fujii. Numerical simulation of compressible flow induced by a train moving in a tunnel[C]// 23rd Fluid Dynamics, Plasmadynamics and Lasers Conference, 1993.

[15] 趙晶, 李人憲. 高速列車進(jìn)入隧道的氣動(dòng)作用數(shù)值模擬[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 44(1): 96?100. ZHAO Jing, LI Renxian. Numerical analysis of aerodynamics of high-speed trains running into tunnels[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2009, 44(1): 96?100.

[16] 王韋, 王建宇, 陳正林. 隧道中高速列車活塞風(fēng)及空氣阻力的計(jì)算[J]. 中國(guó)鐵道科學(xué), 1999, 20(1): 9?16. WANG Wei, WANG Jianyu, CHEN Zhenglin. Computation of piston wind and aerodynamic drag on high speed train in tunnel[J]. China Railway Science, 1999, 20(1): 9?16.

[17] LI Zhiwei, YANG Mingzhi, HUANG Sha, et al. A new method to measure the aerodynamic drag of high-speed trainspassing through tunnels[J]. Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics, 2017(171): 110?120.

[18] YANG Mingzhi, DU Juntao, LI Zhiwei, et al. Moving model test of high-speed train aerodynamic drag based on stagnation pressure measurements[J]. PLOS ONE, 2017, 12(1): 1?15.

[19] 趙有明, 馬偉斌, 程愛君, 等. 高速鐵路隧道氣動(dòng)效應(yīng)[M]. 北京: 中國(guó)鐵道出版社, 2012: 47?124. ZHAO Youming, MA Weibin, CHENG Aijun, et al. Aerodynamic effect of high speed railway tunnel[M]. Beijing: China Railway Press, 2012: 47?124.

[20] Peters J L. Measurement of the influence of tunnel length on the tunnel drag of the ICE/V train[J]. Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels, 1991: 739?756.

[21] CEN European Standard. Railway applications- aerodynamics. Part 1: Simbols and Units, CEN EN 14067-1[S].

Numerical simulation of aerodynamic drag of single high-speed train passing through a tunnel

YANG Yonggang, DU Yunchao, MEI Yuangui

(Lanzhou Jiaotong University, Gansu Province Engineering Laboratory of Rail Transit Mechanics Application Institute of High Speed Train Aerodynamics, Lanzhou 730070, China)

Based on the aerodynamic drag directly affects the maximum running speed of high-speed train, this paper established the numerical calculation model for single train passing through the tunnel with the real configuration of a domestic EMU with eight carriages. The formation mechanism and variation characteristics of the tunnel aerodynamic drag over time, the relationship between the changes of the car body surface pressure and the drag, the distribution characteristics of the drag of individual parts of the train were analyzed at different times of the train when passing through the tunnel. The maximum and minimum of the drag values for going through the tunnel were compared with the drag of the open air condition. Results indicate the compression and expansion waves directly affected on the drag, the drag showing quasi-periodic fluctuations over time of the whole train, the fluctuation range of the pressure drag is larger than the friction drag, the possession ration of pressure drag and friction drag are changed over time when the train passing through the tunnel. The maximum value and minimum value of total drag when the train passing through the tunnel are 1.96 times and 0.89 times of that in the open air.When the train is running in the open air, the pressure drag and frictional drag accounted for 61.7% and 38.3% respectively of the total aerodynamic drag. The distribution characteristics of the drag of individual parts of the train are changed over time.

high-speed train; tunnel aerodynamic drag; formation mechanism; distribution characteristics

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2018.11.005

U270

A

1672 ? 7029(2018)11 ? 2755 ? 09

2017?10?30

中國(guó)鐵路總公司科技研究發(fā)展計(jì)劃課題資助項(xiàng)目(2016T004-F)

梅元貴(1964?)，男，河南滎陽(yáng)人，教授，博士，從事高速列車空氣動(dòng)力學(xué)研究；E?mail：meiyuangui@163.com

(編輯 蔣學(xué)東)