鼓形動(dòng)力集中動(dòng)車組不同環(huán)境交會(huì)氣動(dòng)載荷數(shù)值研究

耿亞彬,于 淼,李國清,陳爭衛(wèi)

(1.中車唐山機(jī)車車輛有限公司 產(chǎn)品研發(fā)中心，河北 唐山 063035；2.中車唐山機(jī)車車輛有限公司 技術(shù)研究中心，河北 唐山 063035；3.中南大學(xué) 軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410075)

隨著我國高速列車的發(fā)展，隨之而來也產(chǎn)生了許多問題，包括車橋耦合振動(dòng)、噪聲、空氣動(dòng)力學(xué)影響等[1-3]。其中，高速列車交會(huì)產(chǎn)生的壓力波動(dòng)會(huì)對(duì)車體疲勞強(qiáng)度和側(cè)窗產(chǎn)生影響，影響列車交會(huì)強(qiáng)度的因素包括車速、列車外形等[4-5]。對(duì)于列車隧道內(nèi)交會(huì)，Chen et al[6]研究了沿隧道不同縱向風(fēng)速對(duì)列車交會(huì)流場、氣動(dòng)載荷和壓力的影響。Chen et al等[7]比較研究了不同流線型長度列車隧道內(nèi)交會(huì)的氣動(dòng)力變化和流場變化。Liu et al[8]研究了列車隧道交會(huì)產(chǎn)生的壓力瞬變對(duì)列車車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響。除隧道列車交會(huì)外，列車明線交會(huì)氣動(dòng)性能也受到了廣泛關(guān)注。Huang et al[9]采用非定?？蓧嚎s數(shù)值模擬方法，研究了兩磁浮列車以430 km/h的速度明線交會(huì)的瞬態(tài)流場。Li et al[10]采用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，研究了簡支箱梁橋上，橫風(fēng)作用下高速列車交會(huì)時(shí)的氣動(dòng)性能。曾廣志等[11]建立了城際列車不同頭部外形方案，并基于三維瞬態(tài)不可壓的N-S方程和k-ε湍流模型，研究了流線形頭部長度和縱向?qū)ΨQ面最大控制形線變化對(duì)列車明線交會(huì)壓力波及氣動(dòng)力的影響。

針對(duì)我國新開行的動(dòng)力集中動(dòng)車組，由于原有車型為直壁車體截面，為優(yōu)化其氣動(dòng)性能，研發(fā)了新型鼓壁動(dòng)力集中動(dòng)車組，需對(duì)其展開氣動(dòng)性能研究?；谠摴谋趧?dòng)力集中動(dòng)車組全編組模型(9節(jié)車)，研究了其隧道內(nèi)不同線間距和不同車速，以及側(cè)風(fēng)環(huán)境下不同風(fēng)速和不同車速的列車交會(huì)壓力，重點(diǎn)分析了車身側(cè)窗壓力峰值、車窗交變載荷峰值的壓力變化等。

1 計(jì)算模型及方法

1.1 計(jì)算模型

列車9節(jié)編組分別命名為C1～C9，車身外形尺寸如圖1所示，具體研究工況見表1。其中隧道內(nèi)工況后文簡寫為160-4.4、200-4.4、160/200(默認(rèn)線間距4.4 m)、160-4、200-4。側(cè)風(fēng)工況簡寫為160-10、160-20、160-30、200-20。

圖1 列車計(jì)算模型

表1 研究工況

1.2 數(shù)值方法

采用三維可壓非定常雷諾時(shí)均(URANS)方法和SSTk-ω湍流模型來分析列車的車身壓力。SSTk-ω湍流模型結(jié)合了標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型和標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型的優(yōu)點(diǎn)，兩方程式SSTk-ω模型使用湍動(dòng)能k及其耗散率ω作為解變量。其具體控制方程可參見文獻(xiàn)[12]。計(jì)算基于Fluent，控制方程使用有限體積法(FVM)離散，對(duì)流和擴(kuò)散項(xiàng)使用二階迎風(fēng)格式離散，速度-壓力耦合和求解過程基于SIMPLE算法，時(shí)間步長設(shè)置為Δt=0.001 s。

2 計(jì)算域及網(wǎng)格

如圖2(a)所示，列車交會(huì)的隧道橫截面積為80 m2，隧道長度參照標(biāo)準(zhǔn)EN14067[13]中最不利交會(huì)隧道長度公式計(jì)算得出

(1)

式中，Ltr、Vtr分別為列車長度(233 m)及車速44.44 m/s(160 km/h)；c為聲速(340 m/s)。計(jì)算得到9車編組時(shí)最不利隧道長度為1 784 m。列車隧道內(nèi)交會(huì)計(jì)算域如圖2(b)所示。采用滑移網(wǎng)格計(jì)算方法，列車所在滑移塊給定固定車速的運(yùn)動(dòng)邊界條件；計(jì)算域底面、兩側(cè)面和頂面，以及隧道壁面，給定無滑移壁面邊界條件；入口和出口給定零壓力出口邊界條件。列車明線交會(huì)計(jì)算域如圖3所示，同樣采用滑移網(wǎng)格方法。為了使流動(dòng)在計(jì)算域內(nèi)充分發(fā)展，在橫風(fēng)方向上，迎風(fēng)側(cè)預(yù)留80 m的距離，背風(fēng)側(cè)距離壓力出口邊界的距離為120 m，可以保證橫向流動(dòng)發(fā)展的充分性。圖3中迎風(fēng)側(cè)給定速度入口，背風(fēng)側(cè)給定零壓力出口邊界條件；計(jì)算域上下及兩側(cè)面給定無滑移壁面邊界條件。圖4為隧道和列車計(jì)算網(wǎng)格示意圖。列車表面最小網(wǎng)格為0.01 m，其中隧道交會(huì)模型共約6 000萬網(wǎng)格，側(cè)風(fēng)交會(huì)約8 000萬網(wǎng)格。由于流場速度變化主要集中在列車表面周圍，因此對(duì)列車附近進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。

圖3 列車側(cè)風(fēng)交會(huì)計(jì)算域側(cè)視圖和俯視圖(單位：m)

3 壓力測點(diǎn)布置

圖5分別為頭車、第2節(jié)車、第4節(jié)車(第4至第8節(jié)車測點(diǎn)布置相同)以及尾車的壓力測點(diǎn)位置。頭車及第1節(jié)中間車每一個(gè)側(cè)窗設(shè)置一個(gè)壓力測點(diǎn)，其余車在只在車身中間位置窗戶設(shè)置一個(gè)壓力測點(diǎn)。對(duì)于列車交會(huì)，圖中括號(hào)外測點(diǎn)為交會(huì)側(cè)測點(diǎn)，括號(hào)內(nèi)測點(diǎn)為非交會(huì)側(cè)測點(diǎn)。

圖5 列車車身壓力測點(diǎn)

4 結(jié)果分析

4.1 數(shù)值結(jié)果驗(yàn)證

圖6 計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

4.2 列車隧道交會(huì)及側(cè)風(fēng)下交會(huì)壓力時(shí)間歷程

圖7為隧道內(nèi)頭車交會(huì)側(cè)車窗壓力時(shí)間歷程，圖中陰影所示為列車交會(huì)區(qū)域。從圖7可以看出，對(duì)于160和200 km/h等速交會(huì)，線間距4 m下，列車頭尾產(chǎn)生的交會(huì)壓力波動(dòng)很明顯；而線間距4.4 m時(shí)，列車頭尾產(chǎn)生的交會(huì)壓力波幾乎不可見，說明線間距4.4 m已經(jīng)足夠?qū)?，列車交?huì)產(chǎn)生的壓力波動(dòng)不足以影響列車頭尾產(chǎn)生的壓縮波和膨脹波的傳遞過程。對(duì)于4.4 m線間距下的不等速交會(huì)，同樣由于線間距較大，交會(huì)壓力波也幾乎不可見。

圖7 隧道內(nèi)頭車交會(huì)側(cè)車窗壓力時(shí)間歷程

側(cè)風(fēng)環(huán)境下，圖8為2列車的頭車交會(huì)側(cè)車窗壓力時(shí)間歷程。對(duì)于迎風(fēng)側(cè)列車，160 km/h列車等速交會(huì)時(shí)，隨著側(cè)風(fēng)速度增加，如圖8(a)區(qū)域A所示，可以發(fā)現(xiàn)頭車引起的壓力正峰值3個(gè)風(fēng)速下差異較大，分別為403、490、431 Pa，且隨之而來的中間車壓力幅值均隨側(cè)風(fēng)速度增加而增大。此外，如圖8(a)區(qū)域B所示，3個(gè)風(fēng)速下，尾車引起的壓力負(fù)峰值三者差異較小，分別為-379、-356、-397 Pa，但隨后的平穩(wěn)負(fù)壓均隨側(cè)風(fēng)速度增加而增大。對(duì)于200-20列車交會(huì)，可以發(fā)現(xiàn)中間車的壓力波動(dòng)與160-20的變化幅值很接近，說明中間車受風(fēng)速影響更大，受車速影響較??；但是對(duì)于頭尾車，受車速影響更大，因此200 km/h交會(huì)的頭尾壓力峰值比160 km/h的大很多，分別為728、-609 Pa。圖8(b)為背風(fēng)側(cè)列車交會(huì)側(cè)壓力變化過程，對(duì)于160 km/h等速交會(huì)，隨著側(cè)風(fēng)速度增加，列車從頭至尾原有壓力波的正負(fù)峰值變化范圍均隨之增大。而200-20交會(huì)時(shí)，與迎風(fēng)側(cè)列車類似，中間車也呈現(xiàn)出與160-20接近的壓力幅值變化過程。結(jié)合圖7和圖8，可以發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)列車交會(huì)產(chǎn)生的壓力波動(dòng)是次要的，主要壓力變化幅值與列車進(jìn)入隧道產(chǎn)生的壓縮波和膨脹波有關(guān)，且隧道內(nèi)的壓力變化幅值比明線交會(huì)產(chǎn)生的壓力幅值要大得多。

圖8 側(cè)風(fēng)下頭車交會(huì)側(cè)車窗壓力時(shí)間歷程

4.3 隧道內(nèi)交會(huì)氣動(dòng)載荷

4.3.1 車窗壓力

圖9為不同工況下各節(jié)車中間位置車窗平均壓力變化?？傮w對(duì)比圖9可以發(fā)現(xiàn)：等速交會(huì)、相同線間距下，Pmax、Pmin和ΔP值隨車速增加而增大；等速交會(huì)下，Pmax、Pmin和ΔP值隨線間距增加而減小。其次，由于隧道的三維效應(yīng)相對(duì)較小，交會(huì)側(cè)與非交會(huì)側(cè)壓力波動(dòng)規(guī)律基本一致，只是壓力值稍有差異，因此后續(xù)重點(diǎn)分析交會(huì)側(cè)的壓力變化?？傮w而言，對(duì)于交會(huì)側(cè)Pmax，各個(gè)工況下從頭車到尾車，Pmax逐漸減小。線間距4.4 m下的不等速交會(huì)，160 km/h車身Pmax大于200 km/h，這是因?yàn)?60 km/h車身壓力變化是由200 km/h列車產(chǎn)生的壓力波引起的。但是，不等速交會(huì)下的2列車車身壓力Pmax均小于任意等速交會(huì)下的車身壓力。對(duì)于交會(huì)側(cè)Pmin，160 km/h下的Pmin沿著整個(gè)車身變化不大，其他工況下從頭車到尾車，壓力絕對(duì)值逐漸增大，200 km/h等速交會(huì)的這一現(xiàn)象最突出。不等速交會(huì)下的各車身壓力在第4節(jié)車之前與160 km/h的壓力值有交叉重合，而第4節(jié)車之后的車身壓力則介于160-4和200-4.4之間；且不等速交會(huì)下的2列車車身負(fù)壓Pmin較正壓值更為接近。最后，對(duì)于交會(huì)側(cè)壓力峰峰值ΔP，受Pmax和Pmin的綜合影響，160 km/h等速交會(huì)時(shí)從頭車到尾車ΔP逐漸下降；而200 km/h等速交會(huì)和160/200 km/h不等速交會(huì)從頭車到尾車ΔP逐漸上升。

圖9 不同車速及線間距下車窗壓力變化

4.3.2 車窗氣動(dòng)力

隧道交會(huì)下，圖10為各節(jié)車中間位置車窗交會(huì)側(cè)交變載荷峰值，包括最大載荷Fmax、最小載荷Fmin及載荷峰峰值ΔF。由圖10可以看出，對(duì)于最大和最小交變載荷峰值，其沿車身變化規(guī)律與壓力最大最小值變化規(guī)律類似，這里不再贅述。對(duì)于交變載荷峰峰值ΔF，160 km/h等速交會(huì)時(shí)頭車車窗載荷最大(160-4為3 169 N)，而后從第2節(jié)車載荷減小，且第2節(jié)車到第8節(jié)車載荷變化幅度不大，即160-4情況下第2節(jié)車為2 646 N，第8節(jié)車為2 408 N。220 km/h等速交會(huì)時(shí)，車窗載荷變化規(guī)律與160 km/h不同，即頭車車窗載荷最大，其次是8車，從第2節(jié)到第7節(jié)車，車窗載荷緩慢增大。不等速交會(huì)時(shí)，頭車車窗載荷最大，從第2節(jié)車到第5節(jié)車載荷緩慢增大，第5到第8節(jié)車載荷基本不變。

圖10 不同車速及線間距下車窗壓力交變載荷峰值

4.4 側(cè)風(fēng)環(huán)境下交會(huì)氣動(dòng)載荷

4.4.1 車窗壓力

線間距4.4 m情況下，圖11分別為迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)列車交會(huì)側(cè)的壓力變化。對(duì)于迎風(fēng)側(cè)列車(圖11(a)～圖11(c))，除頭車外，其他各工況下不同車輛Pmax壓力變化不大，且同一車速下，風(fēng)速越高，Pmax越大。各工況下最小壓力Pmin從第4節(jié)車往后壓力趨于平穩(wěn)；對(duì)于Pmin，除頭車外，160-30和200-20的壓力接近。對(duì)于交會(huì)側(cè)壓力峰峰值ΔP，其變化范圍較大，位于600～1 400 Pa之間。對(duì)于背風(fēng)側(cè)列車的交會(huì)側(cè)壓力(圖11(d)～圖11(f))，可以發(fā)現(xiàn)從頭車到尾車，壓力變化更加平穩(wěn)，尤其是頭車與其他車輛之間的區(qū)別較小，因此導(dǎo)致ΔP各個(gè)工況下各節(jié)車區(qū)別不大。同時(shí)背風(fēng)側(cè)列車交會(huì)側(cè)壓力變化范圍較迎風(fēng)側(cè)小，位于600～1 100 Pa之間。

圖11 迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)列車交會(huì)側(cè)壓力變化

4.4.2 車窗氣動(dòng)力

通過4.4.1小節(jié)分析，可以發(fā)現(xiàn)迎風(fēng)側(cè)列車交會(huì)側(cè)車窗壓力變化幅值最大，因此，如圖12所示，進(jìn)一步分析迎風(fēng)側(cè)列車交會(huì)側(cè)的車窗載荷。對(duì)于最大載荷Fmax，160-30情況下的頭車至第8節(jié)車載荷值在500 N附近；其他情況下均為頭車最大，而從第2節(jié)車到至第8節(jié)車，氣動(dòng)載荷變化較小。對(duì)于載荷峰峰值，受最大最小載荷影響，各工況下的載荷峰峰值位于600～1 500 N之間，其中200-20的頭車側(cè)窗氣動(dòng)載荷最大，為1 453 N。

圖12 迎風(fēng)側(cè)列車交會(huì)側(cè)車窗壓力交變載荷峰值

4.5 列車隧道交會(huì)及側(cè)風(fēng)下交會(huì)壓力最值比較

為了直觀評(píng)估列車不同工況下隧道交會(huì)、側(cè)風(fēng)下交會(huì)的壓力幅值，以頭車側(cè)窗壓力峰峰值ΔP為例，綜合前述結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)隧道中，交會(huì)側(cè)200-4的ΔP最大(3 463 Pa)，而160-200(200)的ΔP最小(2 295 Pa)。非交會(huì)側(cè)200-4的ΔP最大(3 212 Pa)，而160-200(160)的值ΔP最小(2 291 Pa)。由于隧道中壓力傳播的三維效應(yīng)較弱，可以發(fā)現(xiàn)上述交會(huì)側(cè)和非交會(huì)側(cè)ΔP相差不大。而在側(cè)風(fēng)交會(huì)中，可以發(fā)現(xiàn)兩列車的非交會(huì)側(cè)ΔP明顯小于交會(huì)側(cè)。其中交會(huì)側(cè)160-10的ΔP始終是所有工況中最小的，對(duì)于交會(huì)側(cè)最大ΔP，迎風(fēng)側(cè)列車出現(xiàn)在200-20工況，為1 337 Pa，背風(fēng)側(cè)列車出現(xiàn)在160-30工況，為1 083 Pa。最后，可以發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)頭車最大ΔP遠(yuǎn)大于側(cè)風(fēng)下的ΔP，隧道內(nèi)為側(cè)風(fēng)下的2.4～3.2倍。

5 結(jié)論

(1)隧道內(nèi)交會(huì)側(cè)壓力峰峰值ΔP受Pmax和Pmin的綜合影響，160 km/h等速交會(huì)時(shí)從頭車到尾車ΔP逐漸下降；而200 km/h等速交會(huì)和160～200 km/h不等速交會(huì)從頭車到尾車ΔP逐漸上升。

(2)側(cè)風(fēng)下列車交會(huì)，迎風(fēng)側(cè)列車交會(huì)側(cè)車窗壓力變化幅值最大。對(duì)于車窗最大載荷Fmax，頭車最大；對(duì)于載荷峰峰值，受最大最小載荷影響，各工況下的載荷峰峰值位于600～1 500 N之間，其中200-20的頭車側(cè)窗氣動(dòng)載荷最大，為1 453 N。

(3)側(cè)風(fēng)下列車交會(huì)，對(duì)于交會(huì)側(cè)頭車最大ΔP，迎風(fēng)側(cè)列車出現(xiàn)在200-20工況，為1 337 Pa，背風(fēng)側(cè)列車出現(xiàn)在160-30工況，為1 083 Pa。隧道內(nèi)列車交會(huì)產(chǎn)生的壓力波動(dòng)是次要的，主要壓力變化幅值與列車進(jìn)入隧道產(chǎn)生的壓縮波和膨脹波有關(guān)。隧道內(nèi)頭車最大壓力變化幅值遠(yuǎn)大于側(cè)風(fēng)下的壓力幅值，隧道內(nèi)的為側(cè)風(fēng)下的2.4～3.2倍。