大風(fēng)作用下高速列車運(yùn)行安全性研究綜述

胥紅敏，張鵬，郭湛

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京 100081）

高速鐵路的發(fā)展對(duì)鐵路安全性提出了更高要求，大風(fēng)是影響鐵路安全的重要因素之一，對(duì)大風(fēng)作用下高速列車運(yùn)行安全性進(jìn)行研究具有重要意義。

在大風(fēng)作用下高速列車安全性的研究方面，我國(guó)起步較晚，但近10年來(lái)隨著我國(guó)高速鐵路的迅猛發(fā)展，我國(guó)研究人員也進(jìn)行了大量、多方面的相關(guān)研究。對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)行歸納整理，以期對(duì)我國(guó)進(jìn)一步深入研究提供參考和借鑒。

1 國(guó)外相關(guān)研究

早在20世紀(jì)70年代，國(guó)外研究者就開(kāi)始研究側(cè)風(fēng)對(duì)軌道交通的影響，特別是德國(guó)、法國(guó)和日本這些高速鐵路發(fā)展較早的國(guó)家。研究表明，列車對(duì)風(fēng)的干擾是敏感的，風(fēng)是影響列車安全的重要因素。為降低燃料損耗，列車制造商更傾向于生產(chǎn)低風(fēng)阻車輛，1986年研究者發(fā)現(xiàn)流線型列車可以降低列車的橫風(fēng)敏感性，并開(kāi)展了列車橫風(fēng)特性研究[1-2]。同時(shí)，降低列車重量的現(xiàn)實(shí)要求進(jìn)一步加強(qiáng)了對(duì)風(fēng)穩(wěn)定性、列車外形以及動(dòng)態(tài)特性耦合研究的迫切性。

列車強(qiáng)風(fēng)空氣動(dòng)力學(xué)性能作為強(qiáng)風(fēng)對(duì)策研究的重要組成部分，各國(guó)研究者進(jìn)行了多角度的研究。J Bettle等[3]通過(guò)數(shù)值模擬，給出了高架橋上、橫風(fēng)作用下貨車車輛的流場(chǎng)分布及氣動(dòng)力，結(jié)果表明列車在橫風(fēng)下的氣動(dòng)力矩隨車速的增加而增大。Suzuki等[4]利用風(fēng)洞試驗(yàn)研究了橫風(fēng)作用下車輛的氣動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)橫風(fēng)對(duì)車輛的作用不僅與車輛外形有關(guān)，還與車輛下部的線路結(jié)構(gòu)有關(guān)，該文獻(xiàn)對(duì)在高路堤和橋梁上運(yùn)行的高速列車外流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果顯示當(dāng)橋梁厚度增加時(shí)，作用在列車上的橫向氣動(dòng)力也增大；運(yùn)行在路堤上的列車受到的氣動(dòng)力與地面邊界層的分布有關(guān)，列車在高路堤上運(yùn)行時(shí)，承受的橫向氣動(dòng)力要大于在低路堤上運(yùn)行的情況。Stephane等[5]用一種新的試驗(yàn)方法研究了風(fēng)力系數(shù)的變化規(guī)律?；贑heli等[6-8]提出的作用于車體的氣動(dòng)載荷定義的方法體系，Bocciolone 等[9]開(kāi)展了3種車型列車模型在不同工況下靜止和運(yùn)動(dòng)時(shí)的風(fēng)洞試驗(yàn)，結(jié)果認(rèn)為列車的運(yùn)動(dòng)并未嚴(yán)重影響相關(guān)力學(xué)參數(shù)。B Diedrichs等[10]應(yīng)用ADAMS/RAIL軟件建立了準(zhǔn)靜態(tài)模型，研究橫風(fēng)作用下不同類型機(jī)車車輛的輪軌關(guān)系。Tristan Favre等[11]針對(duì)機(jī)車車輛開(kāi)展了非穩(wěn)態(tài)橫風(fēng)氣動(dòng)力學(xué)分離渦模擬。C J Baker等[12]把在線實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者之間能很好地吻合。

1.1 歐洲國(guó)家

部分歐洲國(guó)家（德國(guó)、法國(guó)）的鐵路公司、大學(xué)（埃爾朗根大學(xué)、諾丁漢大學(xué)）以及英國(guó)鐵路安全與標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)聯(lián)合進(jìn)行了一系列相關(guān)研究，包括1996年啟動(dòng)的為期3年的研究項(xiàng)目“TRANSAERO”以及此后德國(guó)鐵路公司、法國(guó)鐵路公司和西門子股份公司相繼開(kāi)展的“DEUFRAKO”“WODAN”等項(xiàng)目，所涉及的方法包括實(shí)車試驗(yàn)方法、風(fēng)洞試驗(yàn)方法、CFD數(shù)值模擬計(jì)算方法以及多體動(dòng)力學(xué)仿真等[11]。通過(guò)以上方法對(duì)列車在強(qiáng)側(cè)風(fēng)作用下脫軌及傾覆的空氣動(dòng)力作用及動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，為制定鐵路運(yùn)行規(guī)范和采取防風(fēng)措施提供了重要科學(xué)依據(jù)。

德國(guó)鐵路公司在采用了高速輕量化的ICE2列車后，開(kāi)展了密集的跨學(xué)科合作，目標(biāo)是建立1個(gè)對(duì)于軌道交通廣泛適用的方法以保證強(qiáng)側(cè)風(fēng)下列車的運(yùn)營(yíng)安全。其中，A Carrarini[13]利用線性面元法計(jì)算了作用在列車表面的非穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)力，然后將其傳遞給多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK，計(jì)算出列車在該氣動(dòng)力作用下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，再將車體位移和速度響應(yīng)傳遞回流體計(jì)算程序，如此反復(fù)，計(jì)算二者之間的相互作用。該研究指出當(dāng)氣動(dòng)力的激振頻率接近車體的振動(dòng)頻率時(shí)，車體的振動(dòng)對(duì)流場(chǎng)的影響不可忽視。然而，面元法是基于無(wú)粘流的假設(shè)，因此不能模擬存在粘性影響的分離流區(qū)域。

法國(guó)學(xué)者S Aita[14]采用有限元法在Convex計(jì)算機(jī)上求解N-S方程，對(duì)TGV列車頭部進(jìn)行優(yōu)化；N Paradot等[15]為了法國(guó)地中海線TGV高速雙層列車在側(cè)風(fēng)環(huán)境下的運(yùn)行安全性，應(yīng)用等比縮小風(fēng)洞和水槽試驗(yàn)研究了該列車的橫風(fēng)敏感性，并用數(shù)值方法對(duì)列車的流場(chǎng)特性進(jìn)行模擬，通過(guò)對(duì)比側(cè)向力、升力和傾覆力矩結(jié)果，指出在風(fēng)向角≤30°時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好，而當(dāng)風(fēng)向角在60°左右時(shí)差異較大。

在瑞典，以 Sini?a Krajnovi?[16-18]為主的研究團(tuán)隊(duì)在列車空氣動(dòng)力學(xué)方面進(jìn)行了出色的研究，將大渦模擬（LES）引入列車空氣動(dòng)力學(xué)的計(jì)算中，并將計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)如果雷諾數(shù)足夠高，則雷諾數(shù)對(duì)列車周圍的分離流沒(méi)有太大影響，同時(shí)也說(shuō)明大渦模擬可以應(yīng)用于列車外流場(chǎng)的模擬，并對(duì)列車側(cè)風(fēng)安全性和舒適性以及隧道內(nèi)列車橫向晃動(dòng)嚴(yán)重這些問(wèn)題進(jìn)行了研究。在風(fēng)向角為35°和90°的情況下，雷諾數(shù)分別為3.7×105和3.0×105，簡(jiǎn)化列車模型的外流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果表明，列車表面旋渦的脫落與再附著對(duì)氣動(dòng)力有一定影響，該結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)一致。并且還發(fā)現(xiàn)盡管氣動(dòng)力系數(shù)轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的流動(dòng)頻率非常小，但接近于高速列車的橫向振動(dòng)頻率。B Diedrichs等[19-20]利用試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法，對(duì)ICE3列車的牽引車在6 m高路堤上以及ICE2列車在單、雙線隧道中運(yùn)行時(shí)的外流場(chǎng)進(jìn)行了研究，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合。結(jié)果顯示列車在路堤背風(fēng)側(cè)運(yùn)行時(shí)空氣動(dòng)力性能較迎風(fēng)側(cè)更加惡化，指出相對(duì)于平地，列車在6 m高路堤上運(yùn)行時(shí)的容許最大風(fēng)速要降低20%左右。

在英國(guó)，J M Copley[21]提出了一種預(yù)測(cè)平均風(fēng)作用下列車承受氣動(dòng)力和力矩的數(shù)值方法，并編制了相應(yīng)的計(jì)算程序。T W Chiu等[22-24]提出了一種三維源/渦面元法，預(yù)測(cè)在側(cè)風(fēng)環(huán)境下作用在一簡(jiǎn)化列車模型表面的空氣動(dòng)力載荷。在這個(gè)模型中，列車表面和背風(fēng)側(cè)的旋渦分別用一系列的源和渦面元來(lái)描述，計(jì)算過(guò)程是二維和三維計(jì)算的混合，二維計(jì)算大大簡(jiǎn)化了三維計(jì)算所需要的計(jì)算資源。C J Baker等[25-31]在風(fēng)洞模擬與實(shí)車試驗(yàn)方面所做的研究對(duì)推動(dòng)列車空氣動(dòng)力學(xué)的飛速發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。C J Baker研究了側(cè)風(fēng)環(huán)境下，作用在各種不同類型車輛上的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)氣動(dòng)力，建立了統(tǒng)一的分析框架。為確定獲得信息的可靠性，對(duì)于不同的車輛參數(shù)，開(kāi)展了一系列大規(guī)模的實(shí)車試驗(yàn)。W Khier等[32-33]對(duì)不同風(fēng)向角時(shí)簡(jiǎn)化車體模型周圍的高雷諾數(shù)流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)風(fēng)向角在0°～90°內(nèi)變化時(shí)，列車周圍的氣流呈現(xiàn)不同的發(fā)展形態(tài)，旋渦結(jié)構(gòu)與風(fēng)向角有著密切的關(guān)系。同時(shí)，W Khier還計(jì)算了運(yùn)行在路堤上的高速列車在橫風(fēng)作用下的氣動(dòng)力特性，得到了列車在不同角度自然風(fēng)作用下受到的側(cè)向力、升力、側(cè)滾力矩系數(shù)以及列車表面不同位置的壓力系數(shù)。

在意大利，C Catanzaro等[34]應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)模擬了不同場(chǎng)景橫風(fēng)作用下ETR-500型高速動(dòng)車組的氣動(dòng)性能，其結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)吻合較好。

1.2 日本

日本政府對(duì)于橫風(fēng)下的鐵路安全較重視，從20世紀(jì)開(kāi)始，日本鐵道綜合技術(shù)研究所（RTRI）等機(jī)構(gòu)就開(kāi)展了包括風(fēng)洞試驗(yàn)、仿真模擬以及實(shí)車試驗(yàn)等多方面的研究[35-36]。RTRI防止強(qiáng)風(fēng)災(zāi)害的研究分為強(qiáng)風(fēng)下車輛力學(xué)性能、強(qiáng)風(fēng)下車輛空氣動(dòng)力學(xué)特性、外力強(qiáng)風(fēng)特性以及安全性評(píng)價(jià)等4個(gè)領(lǐng)域。各領(lǐng)域的研究人員就各自承擔(dān)的課題并行研究，共享研究成果。在以上分支領(lǐng)域，日本研究者做出了不同的成績(jī)。首先，為了提高顛覆界限風(fēng)速的推測(cè)精度，RTRI提出了精密的靜態(tài)解析模型，并著手構(gòu)造再現(xiàn)車輛運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)解析模型；其次，采用縮尺模型，用穩(wěn)態(tài)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)，從而求出不同車輛形狀、線路及列車速度條件對(duì)應(yīng)的顛覆界限風(fēng)速；再次，對(duì)強(qiáng)風(fēng)的時(shí)間、空間關(guān)系進(jìn)行了研究，探討了限制風(fēng)速和與強(qiáng)風(fēng)遭遇的可能性，為使行車管制區(qū)間與風(fēng)速計(jì)設(shè)置點(diǎn)相適應(yīng)，開(kāi)發(fā)了制作沿線強(qiáng)風(fēng)分布圖（強(qiáng)風(fēng)圖）的方法。同時(shí)，還針對(duì)防風(fēng)柵式樣對(duì)空氣力的影響進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)。此外，在評(píng)價(jià)強(qiáng)風(fēng)下列車運(yùn)行安全性時(shí)提出需要考慮引入概率論的意向。

2 國(guó)內(nèi)相關(guān)研究

我國(guó)于20世紀(jì)90年代才正式開(kāi)始研究橫風(fēng)對(duì)列車的影響，主要包括理論研究、試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究3種研究方法。其中，試驗(yàn)研究主要是針對(duì)列車空氣動(dòng)力學(xué)，包括風(fēng)洞試驗(yàn)研究和實(shí)車試驗(yàn)研究。實(shí)車試驗(yàn)研究考慮到經(jīng)濟(jì)等方面原因，幾乎都僅限于較低風(fēng)速情況下。風(fēng)洞試驗(yàn)研究應(yīng)用較廣，我國(guó)相關(guān)科研人員研究了多種工況。盡管風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛯?shí)車有較大差別、具有局限性，但對(duì)于了解各種工況下車輛的空氣動(dòng)力學(xué)還是具有較高的實(shí)踐意義。數(shù)值模擬研究源于近年來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展以及對(duì)國(guó)外諸如FLUENT、CFX、STAR-CD等流體專業(yè)軟件和NUCARS、SIMPACK等多體動(dòng)力學(xué)軟件的引進(jìn)，其中流體力學(xué)軟件用于列車空氣動(dòng)力學(xué)的研究，多體動(dòng)力學(xué)軟件用于列車安全性的研究，由于高風(fēng)速下實(shí)車安全性試驗(yàn)研究難以實(shí)現(xiàn)，數(shù)值模擬方法有效填補(bǔ)了該方面研究的空白[37-39]。

近年來(lái)，我國(guó)相關(guān)研究主要集中在以下3個(gè)方面：不同工況下高速列車周圍流場(chǎng)及列車安全性研究；周圍環(huán)境，如路堤、風(fēng)屏障以及突風(fēng)口等對(duì)列車氣動(dòng)特性的影響研究；風(fēng)、車、橋耦合研究。

2.1 不同工況下高速列車周圍流場(chǎng)及列車安全性研究

我國(guó)研究前期著重于不同工況下高速列車周圍流場(chǎng)及列車安全性的研究[40-44]，方法涉及風(fēng)洞試驗(yàn)、理論計(jì)算、計(jì)算機(jī)仿真以及以上方法結(jié)合運(yùn)用。

1998年，張健等[45]進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了橫風(fēng)對(duì)電動(dòng)車組中各車輛氣動(dòng)特性的影響，認(rèn)為橫風(fēng)風(fēng)速為15～25 m/s、列車速度不大于300 km/h時(shí)，橫風(fēng)不能對(duì)車輛造成嚴(yán)重影響，電動(dòng)車組橫向是穩(wěn)定的；繆新樂(lè)等[46]基于風(fēng)洞試驗(yàn)，采用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)CRH380A型高速列車車頭形狀進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行計(jì)算、分析和比較；黃志祥等[47-48]應(yīng)用風(fēng)洞試驗(yàn)的方法比較了2種頭型高速列車的氣動(dòng)特性，探討了減小高速列車空氣阻力的措施；毛軍等[49]應(yīng)用風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)方法比較了均勻風(fēng)場(chǎng)和實(shí)際大氣風(fēng)場(chǎng)對(duì)列車空氣動(dòng)力學(xué)影響；張?jiān)谥械萚50]應(yīng)用風(fēng)洞試驗(yàn)探討了高速列車不同頭型對(duì)其氣動(dòng)性能的影響。

于夢(mèng)閣等[51]基于Cooper理論和諧波疊加法對(duì)任意風(fēng)向角下的脈動(dòng)風(fēng)速進(jìn)行數(shù)值模擬，并推導(dǎo)了任意風(fēng)向角下高速列車非定常氣動(dòng)載荷的計(jì)算方法，研究了不同車速和不同風(fēng)向角下高速列車的非定常氣動(dòng)載荷特性；劉為亞等[52]采用流體力學(xué)仿真的方法研究了橫風(fēng)作用下高速列車同向并行運(yùn)行時(shí)的氣動(dòng)性能；鑒于風(fēng)的隨機(jī)性，于夢(mèng)閣[53]把可靠性理論引入高速列車的氣動(dòng)安全性研究；李明等[54]應(yīng)用數(shù)值模擬研究了橫風(fēng)速度對(duì)氣動(dòng)粘性阻力和氣動(dòng)壓差阻力的影響；邵微[55]通過(guò)幾種不同的研究手段對(duì)高速列車頭車的空氣動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步優(yōu)化設(shè)計(jì)；張明祿等[56]基于三維非定常不可壓縮流動(dòng)的 Navier-Stokes方程，采用大渦模擬的湍流模型和有限體積法，對(duì)CRH2型動(dòng)車組的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)力進(jìn)行了動(dòng)網(wǎng)格的動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算；馬靜等[57]通過(guò)大渦模擬數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)均勻定常橫風(fēng)下高速列車的非定?？諝鈩?dòng)力特性進(jìn)行了研究；王永冠、Y Xu、楊吉忠、鄧永權(quán)等[58-61]通過(guò)仿真分析，研究了橫風(fēng)作用時(shí)間對(duì)于高速列車直線運(yùn)行安全性指標(biāo)的影響。

姚應(yīng)峰[62]針對(duì)200 km/h動(dòng)車組，利用流體力學(xué)軟件FLUENT進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算和分析，得出動(dòng)車組在常值側(cè)風(fēng)和陣風(fēng)工況下的氣動(dòng)力及氣動(dòng)力矩，同時(shí)還借助多體動(dòng)力學(xué)軟件SIMPACK建立了該動(dòng)車組的多體動(dòng)力學(xué)模型并進(jìn)行了臨界速度計(jì)算；康康等[63]通過(guò)ADAMS的insight模塊進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，計(jì)算了各氣動(dòng)力分量對(duì)尾車前轉(zhuǎn)向架背風(fēng)側(cè)前車輪脫軌系數(shù)的影響因子，但其研究工況中列車速度最大僅為108 km/h；彭祎愷[64]應(yīng)用多體動(dòng)力學(xué)模擬研究了側(cè)風(fēng)作用下軌道激擾對(duì)列車安全性的影響；于夢(mèng)閣等[65-67]應(yīng)用多體動(dòng)力學(xué)軟件研究了不同風(fēng)向角、不同風(fēng)速和不同車速下列車車體上的阻力、側(cè)力、升力、傾覆力矩、搖頭力矩和點(diǎn)頭力矩，還研究了側(cè)風(fēng)作用下列車的輪對(duì)狀態(tài)，同時(shí)，通過(guò)數(shù)值模擬研究，認(rèn)為傳統(tǒng)確定性方法得到的高速列車的安全域曲線偏于保守，基于可靠性方法可得到更合理的安全域曲線。

田紅旗、譚深根[68-69]在列車空氣動(dòng)力學(xué)方面取得了諸多成果，系統(tǒng)論述了列車空氣動(dòng)力學(xué)研究方法、空氣動(dòng)力特性、形成機(jī)理及規(guī)律、影響因素、分析理論與工程應(yīng)用。

2.2 周圍環(huán)境對(duì)列車氣動(dòng)特性的影響研究

我國(guó)研究者注意到周圍環(huán)境，如路堤、風(fēng)屏障以及突風(fēng)口等對(duì)列車氣動(dòng)特性的影響[70-74]比較重要，遂逐漸展開(kāi)該方面的研究工作。

梁習(xí)鋒等[75-77]采用二維模型研究了客車、敞車、棚車和罐車4種不同外形鐵路車輛在路堤高度、橫風(fēng)風(fēng)速相同條件下的橫向氣動(dòng)性能差異，采用有限體積法對(duì)強(qiáng)側(cè)風(fēng)作用下棚車氣動(dòng)外形進(jìn)行了優(yōu)化研究，并對(duì)不同風(fēng)速、不同風(fēng)向環(huán)境風(fēng)作用下，磁浮列車等速交會(huì)時(shí)列車橫向氣動(dòng)性能進(jìn)行了數(shù)值分析；王厚雄等[78-79]以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和風(fēng)洞及水槽模擬試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，論述了不同類型和不同高度的擋風(fēng)墻及鐵路路堤對(duì)大風(fēng)特性和車輛橫風(fēng)氣動(dòng)特性的諸多影響，并通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)和全尺寸車輛現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究了車頂外形對(duì)車輛氣動(dòng)橫向穩(wěn)定性等氣動(dòng)特性的影響；劉為亞等[80]研究了橫風(fēng)作用下高速列車同向并行運(yùn)行安全性；羅建斌等[81]采用計(jì)算流體力學(xué)方法研究了路堤傾角變化對(duì)高速列車側(cè)風(fēng)運(yùn)行氣動(dòng)特性的影響；賈曄松[82]建立了側(cè)風(fēng)中列車在路堤、橋梁和平地運(yùn)行時(shí)的三維空氣動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)車體表面及周圍壓強(qiáng)隨車速的變化進(jìn)行了分析，比較了不同風(fēng)速和不同路況時(shí)，車體周圍的流場(chǎng)分布情況；黃亞進(jìn)[83]開(kāi)展了風(fēng)障-列車-簡(jiǎn)支箱梁系統(tǒng)氣動(dòng)性能的數(shù)值模擬分析和風(fēng)洞試驗(yàn)研究；劉偉等[84]建立了高架線和路堤2種不同路況下側(cè)風(fēng)作用于列車的空氣動(dòng)力學(xué)模型，并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到不同側(cè)風(fēng)速度和不同運(yùn)行速度下列車周圍壓強(qiáng)分布及列車的氣動(dòng)載荷特性，同時(shí)應(yīng)用多體動(dòng)力學(xué)軟件研究了不同工況下列車安全特性。

在這部分研究中，風(fēng)屏障以及類似物對(duì)風(fēng)的影響研究占很大一部分。苗秀娟等[85]應(yīng)用滑動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)模擬研究了強(qiáng)橫風(fēng)下列車出隧道時(shí)的瞬態(tài)氣動(dòng)性能；葉劍[86]建立不同高度、透風(fēng)率/擋風(fēng)板旋轉(zhuǎn)角度風(fēng)屏障模型，在橫風(fēng)下考慮橋上有車和無(wú)車2種情況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到每種風(fēng)屏障在不同高度、擋風(fēng)板轉(zhuǎn)角下的擋風(fēng)效果和自身風(fēng)荷載；向活躍[87]采用李永樂(lè)研發(fā)的橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件BANSYS模擬了風(fēng)屏障對(duì)運(yùn)動(dòng)車輛橫風(fēng)氣動(dòng)特性的影響和風(fēng)屏障在風(fēng)荷載及列車風(fēng)作用下的疲勞特性；項(xiàng)超群等[88]在風(fēng)屏障研究中引入了動(dòng)網(wǎng)格模型；周志勇等[89]采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)數(shù)值模擬高速列車從進(jìn)入站臺(tái)到駛離站臺(tái)過(guò)程中，雨棚表面所受空氣荷載的空間、時(shí)間變化特性；李鯤[90]采用風(fēng)洞煙流等綜合方法研究了防風(fēng)半封閉長(zhǎng)廊對(duì)于大風(fēng)作用下蘭新二線高速列車的空氣動(dòng)力學(xué)影響。

2.3 風(fēng)、車、橋耦合研究

風(fēng)、車、橋耦合研究是風(fēng)作用下列車運(yùn)行安全的一個(gè)重要方面[91-94]。岳澄等[95]建立了橋梁?jiǎn)误w、車輛單體和車橋耦合體系二維模型，采用數(shù)值模擬的方法計(jì)算分析了車橋耦合體系氣動(dòng)力特性和風(fēng)壓分布；項(xiàng)超群等[96]的研究中不僅考慮了風(fēng)、車、橋耦合，還研究了風(fēng)屏障對(duì)風(fēng)的影響；杜風(fēng)宇[97]以京滬高鐵32 m簡(jiǎn)支梁橋及雙側(cè)透風(fēng)式擋風(fēng)墻為試驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑢?duì)車-橋系統(tǒng)間氣動(dòng)特性的相互干擾及擋風(fēng)墻的影響進(jìn)行了風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)研究；張?zhí)颷98]建立了考慮風(fēng)屏障的風(fēng)、車、橋耦合振動(dòng)分析框架；賴慧蕊等[99]模擬了風(fēng)洞試驗(yàn)中橫風(fēng)作用下高速列車與32 m簡(jiǎn)支梁橋系統(tǒng)空氣動(dòng)力學(xué)行為，以研究高速列車與橋梁之間的相互氣動(dòng)影響；羅建斌等[100]模擬計(jì)算了橫風(fēng)速度對(duì)單線高架橋上高速列車氣動(dòng)特性影響；陳玥[101]以滬昆鐵路某槽形梁獨(dú)塔跨線斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘埃瑢?duì)車-橋流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到不同工況下列車風(fēng)對(duì)橋梁的氣動(dòng)力；楊靖[102]釆用SST湍流模型對(duì)不同來(lái)流條件下的三跨連續(xù)梁橋的氣動(dòng)性能進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，分別探討了來(lái)流風(fēng)速、風(fēng)攻角、邊界層和橋墩對(duì)連續(xù)梁橋氣動(dòng)性能的影響；冉瑞飛[103]應(yīng)用自行研制的移動(dòng)列車模型風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)研究了不同風(fēng)速、風(fēng)偏角、湍流強(qiáng)度以及列車在橋上不同縱向位置、會(huì)車等工況下列車和橋梁各自氣動(dòng)力系數(shù)的變化規(guī)律。

近10年來(lái)，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司一方面針對(duì)高速鐵路進(jìn)行了大量風(fēng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)和研究，在部分高速鐵路線路上安裝了風(fēng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，為鐵路安全保駕護(hù)航；另一方面，鑒于實(shí)車試驗(yàn)的危險(xiǎn)性，進(jìn)行了多種工況的風(fēng)作用下高速列車安全動(dòng)力學(xué)仿真模擬，研究了風(fēng)速、車速和高速列車安全性的關(guān)系[104-106]。此外，通過(guò)合理簡(jiǎn)化，應(yīng)用理論計(jì)算方法，研究了準(zhǔn)靜態(tài)條件下車體受到的風(fēng)壓與線路附近局部環(huán)境的關(guān)系。

綜上所述，國(guó)內(nèi)研究各有偏重，盡管有些方面的研究比較深入，但距離針對(duì)高速動(dòng)車組的實(shí)際應(yīng)用還有一定距離。

3 大風(fēng)條件下的列車運(yùn)營(yíng)規(guī)則

2010年，針對(duì)列車的橫風(fēng)問(wèn)題，歐盟頒布了EN 14067“鐵路應(yīng)用：空氣動(dòng)力學(xué)”一系列標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)特征風(fēng)曲線的確定方法和步驟進(jìn)行了規(guī)定。日本根據(jù)相關(guān)研究成果，制定了適于本國(guó)列車運(yùn)行的管制規(guī)則。

針對(duì)大風(fēng)作用下的列車運(yùn)營(yíng)規(guī)則，我國(guó)研究者近年來(lái)也進(jìn)行了相關(guān)探索。郗艷紅等[107]以我國(guó)CRH3型高速動(dòng)車組實(shí)車為原型，仿真計(jì)算了多種工況下的動(dòng)力學(xué)性能，在計(jì)算中不僅考慮真實(shí)受電弓、轉(zhuǎn)向架等列車的細(xì)部特征，還考慮了不同的列車速度、橫風(fēng)速度以及軌道譜；崔濤等[108]通過(guò)對(duì)列車外流場(chǎng)和系統(tǒng)響應(yīng)進(jìn)行協(xié)同仿真，獲得不同側(cè)風(fēng)環(huán)境下列車的穩(wěn)定姿態(tài)和氣動(dòng)載荷，研究了列車運(yùn)行的安全性指標(biāo)，分析了不同側(cè)風(fēng)環(huán)境下列車安全運(yùn)行的臨界速度，確定了列車的側(cè)風(fēng)作用安全域；黃烈威等[109]研究提出了CRH3G型動(dòng)車組的橫風(fēng)運(yùn)行安全速度域。

2013年，原中國(guó)鐵道科學(xué)研究院完成了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目《大風(fēng)對(duì)高速列車運(yùn)行安全性影響及應(yīng)急控制的研究》，其中部分重要內(nèi)容為：基于二元二次多項(xiàng)式回歸模型以及仿真計(jì)算數(shù)據(jù)，應(yīng)用逐步回歸的方法，針對(duì)CRH2和CRH3型動(dòng)車組，建立了脫軌系數(shù)、輪重減載率和輪軸橫向力對(duì)于風(fēng)速、車速的“最優(yōu)”回歸模型，據(jù)此繪制了2種車型的風(fēng)速-車速包絡(luò)曲線，并進(jìn)一步制定了針對(duì)這2種車型的行車管制規(guī)則，該規(guī)則與《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》中的規(guī)定符合性較好。同時(shí)指出，應(yīng)用此方法，可以針對(duì)我國(guó)各條線路的具體工況以及典型車型方便地進(jìn)行相應(yīng)線路的橫風(fēng)安全性估計(jì)，并得到風(fēng)速閾值曲線。

4 總結(jié)與展望

隨著我國(guó)高速鐵路的迅猛發(fā)展，有些基礎(chǔ)研究還無(wú)法適應(yīng)高速鐵路的發(fā)展速度，例如，風(fēng)洞試驗(yàn)、理論計(jì)算以及計(jì)算機(jī)仿真工況還需要繼續(xù)擴(kuò)充，鐵路空氣動(dòng)力學(xué)研究還沒(méi)有形成完整的體系，大風(fēng)條件下的列車運(yùn)營(yíng)規(guī)則也大多是借助國(guó)外經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，伴隨列車高速化和車輛輕量化的發(fā)展趨勢(shì)，在強(qiáng)風(fēng)安全性方面，情況愈加嚴(yán)峻，需要進(jìn)一步進(jìn)行廣泛研究，為高速鐵路的安全運(yùn)營(yíng)奠定堅(jiān)實(shí)理論基礎(chǔ)。目前，可以開(kāi)展以下3方面的研究：一是研究各條鐵路沿線的大風(fēng)分布特點(diǎn)，著重于高速鐵路、風(fēng)速較大和容易產(chǎn)生突風(fēng)的區(qū)域，形成1個(gè)全國(guó)范圍的鐵路沿線風(fēng)圖譜，為此有針對(duì)性地采用風(fēng)監(jiān)控和防風(fēng)墻等列車安全防護(hù)措施；二是歸納整理近年來(lái)的研究成果，通過(guò)相應(yīng)研究補(bǔ)充制定適用于我國(guó)的鐵路空氣動(dòng)力學(xué)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范橫風(fēng)試驗(yàn)和橫風(fēng)預(yù)測(cè)等相關(guān)步驟；三是針對(duì)不同車型和軌道譜制定有針對(duì)性的大風(fēng)作用下列車運(yùn)行管制規(guī)則。