突變風(fēng)作用下路塹深度對高速列車氣動性能影響

王嬌，杜禮明

(大連交通大學(xué) 機(jī)車車輛工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)①

為降低強(qiáng)風(fēng)沙對高速鐵路運(yùn)行安全的威脅，蘭新高鐵設(shè)計(jì)初期就提出了“適當(dāng)降低線路高程，盡量以路塹通過”的選線原則.但是開挖路塹對地表自然生態(tài)破壞嚴(yán)重，必須特別注意路塹深度的設(shè)計(jì)，在保證列車安全運(yùn)行的條件下，盡可能采用較淺路塹連通線路.因此在鐵路設(shè)計(jì)時，研究路塹結(jié)構(gòu)對高速動車組氣動特性影響很有必要[1-4].

受到地形地貌、水利條件等的制約，鐵路在修建的過程中會考慮當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，將路基設(shè)計(jì)成一些特殊形式，如半路塹、半路堤路塹等結(jié)構(gòu)[5].LIU[6]通過 CFD 方法，研究了列車經(jīng)過路堤-路塹過渡段時，擋風(fēng)墻過渡區(qū)域?qū)α熊嚉鈩恿Φ挠绊?

在風(fēng)力作用下，路塹積沙嚴(yán)重，特別是深路塹，氣流在路塹處形成反向渦流使氣流受阻，塹內(nèi)風(fēng)力顯著降低，氣流中的砂粒沿背風(fēng)坡堆積，逐漸掩埋道床，危及行車安全[7].俞明聰[8]研究風(fēng)沙流對準(zhǔn)朔鐵路路塹的相應(yīng)規(guī)律，分析路塹周圍流場的分布狀況.高越，陳慧娥[9]等提出了工程防沙與植物防沙相結(jié)合的路基防護(hù)形式.張潔，劉堂紅[10]等研究了蘭新鐵路擋沙墻位置對低矮路塹中普通客車氣動性能的影響.蘇國平，蔣富強(qiáng)[11]通過數(shù)值模擬的方法對鐵路路塹擋雪墻的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化.

盡管國內(nèi)外對于在鐵路路塹中行駛的列車氣動性能進(jìn)行了不少研究，但列車在不同線路上氣動性能對比分析的研究相對較少，而且風(fēng)場采用的多是均勻定常橫風(fēng).現(xiàn)實(shí)中風(fēng)的風(fēng)速和風(fēng)向往往會發(fā)生變化.目前未見到有文獻(xiàn)研究突變風(fēng)作用下的路塹結(jié)構(gòu)對列車氣動性能影響.本文采用數(shù)值模擬方法，建立明線上運(yùn)行的某型高速列車的氣動仿真模型，采用中國帽突變風(fēng)模型，分析突變風(fēng)作用下路塹的結(jié)構(gòu)對高速列車氣動性能影響，并與橫風(fēng)下的情況進(jìn)行對比.

1 數(shù)值模型和計(jì)算方法

1.1 計(jì)算模型

限于計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力及高速列車結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，建立完全真實(shí)的高速列車氣動仿真模型是不現(xiàn)實(shí)的.加之列車某些細(xì)微結(jié)構(gòu)及軌道的復(fù)雜結(jié)構(gòu)對列車氣動性能影響不大，因此可以對高速列車的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理[12].本文采取三節(jié)編組的方式，建立的高速列車模型只有頭車、中間車、尾車三部分，尺寸分別為頭車25.6 m，中間車25.2 m，尾車25.6 m，列車總長度76.4 m，車身高3.9 m，車身寬度3.28 m.列車身部進(jìn)行光滑處理，列車頭尾設(shè)計(jì)成流線型.對列車底部進(jìn)行簡化，簡化處理后的高速列車模型如圖1所示.從實(shí)際情況考慮，計(jì)算區(qū)域選擇越大，網(wǎng)格數(shù)目越多，計(jì)算量也越大，因此，選擇較為合理的計(jì)算區(qū)域就可以，這樣一來既不對計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生明顯影響，又大大減少了計(jì)算時間.本文選取的計(jì)算區(qū)域尺寸為：長度300 m,寬100 m，高50 m[13]，如圖2所示.

圖1 高速動車組模型

(a)淺路塹(3 m)橫向示意圖

1.2 網(wǎng)格劃分

計(jì)算區(qū)域的前面和右面設(shè)置為速度進(jìn)口邊界條件.計(jì)算區(qū)域的后面和左面設(shè)置為壓力出口邊界條件.計(jì)算區(qū)域的底面設(shè)置為滑移壁面，速度設(shè)置為高速列車的速度，目的是為了模擬列車與地面呈相對運(yùn)動.計(jì)算區(qū)域頂面設(shè)置為對稱面.采取非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)目在600萬以上.

1.3 突變風(fēng)風(fēng)場函數(shù)模型

在研究列車氣動性能時，通常將風(fēng)分為恒定風(fēng)和突變風(fēng).本文中的橫風(fēng)是指風(fēng)向垂直于列車行進(jìn)方向、風(fēng)速恒定的風(fēng)場.突變風(fēng)是在非常短的時間間隔內(nèi)風(fēng)速突然增大，風(fēng)向突然發(fā)生改變，氣流為“突變氣流”.

自然界中突變氣流的基本特征大致是平均風(fēng)速在很短的時間間隔內(nèi)從較低風(fēng)速升高到較高的風(fēng)速，然后又迅速恢復(fù)到較低風(fēng)速這樣的一個變化的過程.人工模擬風(fēng)速時一般對場地、風(fēng)譜特性、結(jié)構(gòu)等條件的隨機(jī)性，使得模擬得到的風(fēng)速時程盡可能接近實(shí)際風(fēng).經(jīng)過簡化，得到了如圖3所示的突變風(fēng)模型[14].

圖3 “Chinese hat”突變風(fēng)模型函數(shù)

非平穩(wěn)是突變氣流的特性之一，可對瞬態(tài)峰值進(jìn)行平均化.但是，采用平穩(wěn)風(fēng)速模型進(jìn)行模擬瞬態(tài)風(fēng)，得出的描述突變風(fēng)特性的參數(shù)與實(shí)際情況存在較大差別.針對這一類問題，一些專家提出了非平穩(wěn)風(fēng)速的模型，將風(fēng)速表示成確定的時變平均風(fēng)及零均值的脈動風(fēng)這兩個部分[15]，也 就是

(1)

“Chinese hat”風(fēng)場模型具體分段函數(shù)：

(2)

其中，u(t)為突變風(fēng)風(fēng)速，m/s；t為時間，s.

1.4 計(jì)算方法及計(jì)算工況

采用計(jì)算流體動力學(xué)軟件Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬，選用定常、不可壓縮的雷諾時均N-S和標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程湍流模型，計(jì)算域離散方式為二階迎風(fēng)格式.車身表面網(wǎng)格大小為0.1 m，車身附近交界面的最大網(wǎng)格尺寸為0.3 m.在列車的近壁面區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)的方法，車身生成4層邊界層，使首層網(wǎng)格高度y+<60，經(jīng)計(jì)算得第一層網(wǎng)格的高度為0.3 mm，增長比為2，邊界層厚度為4.5 mm.研究突變風(fēng)影響時，時間步長取為0.05 s.

模擬中橫風(fēng)速度為13.8 m/s，突變風(fēng)函數(shù)中穩(wěn)定平均風(fēng)速為13.8 m/s，最大風(fēng)速為23.49 m/s，最小風(fēng)速為4.14 m/s，列車行駛速度為300 km/h.路塹的深度分別為3、5、8和10 m.路塹邊坡坡度應(yīng)根據(jù)路基的不同取值，比如土質(zhì)路塹由于膠結(jié)和密實(shí)程度不同，路塹邊坡坡度一般在1∶ 1～1∶ 1.75，而巖石路基，則跟巖石風(fēng)化程度不同，路塹邊坡坡度一般在1∶ 0.1～1∶ 1.5，巖石風(fēng)化程度越高，路塹邊坡坡度取值越高[16].

由于試驗(yàn)難度較大，成本非常高，并且隨機(jī)因素多，導(dǎo)致試驗(yàn)成功的概率低.

2 結(jié)果與分析

2.1 橫風(fēng)下高速列車氣動力仿真結(jié)果分析

列車的運(yùn)行速度控制在300 km/h，橫風(fēng)風(fēng)速為13.8 m/s.路塹邊坡坡度為1∶1，把路塹深度3、5、8、10 m作為變量，分析頭車的氣動力.數(shù)值結(jié)果如圖4所示.

圖4 橫風(fēng)下氣動力隨路塹深度的變化曲線

從圖4(a)～(d)可以看出，升力、橫向力以及側(cè)滾力矩、搖頭力矩隨著路塹深度的變化而變化.路塹深度從3～10 m增大過程中，高速列車所受到的升力、橫向力、側(cè)滾力矩、搖頭力矩都隨著路塹深度的增大而減?。宦穳q深度從3 m增大到8 m的過程中，車輛所受到的力和力矩，方向不發(fā)生變化，升力沿著y軸的正方向，橫向力沿著z軸的負(fù)方向.但當(dāng)路塹深度達(dá)到10 m時，升力數(shù)值發(fā)生了變化，數(shù)值較8 m路塹增加了，升力增大了是由于路塹過深，車身兩側(cè)渦流增大；橫向力方向發(fā)生了變化，橫向力沿著z軸的正方向，較8 m的路塹，列車所受到的力和力矩有所增大.而路塹深度為8 m時相較于3 m時，升力減小了51%、橫向力減小了96%、側(cè)滾力矩減小了93%、搖頭力矩減小了84%.

綜上所述，路塹深度對于高速列車的氣動力有著較為顯著影響；路塹越深，列車運(yùn)行就越安全，但是，路塹深度過大時，會發(fā)生過載保護(hù)，列車所受到的力和力矩的方向會發(fā)生變化.因此，選擇合理的路塹深度是鐵路設(shè)計(jì)過程中重要一環(huán).

2.2 突變風(fēng)下高速列車氣動力仿真結(jié)果分析

分析當(dāng)風(fēng)載荷突變時對高速列車氣動力的影響.如圖5所示，列車的運(yùn)行速度控制在300 km/h，加載8 s的突變風(fēng)函數(shù).路塹邊坡坡度為1∶1，把路塹深度3、5、8和10 m作為變量進(jìn)行研究，分析高速列車的頭車的氣動力.

(a)升力曲線

從圖5(a)中可以發(fā)現(xiàn)，在1 s以前，升力隨著路塹的深度增大而增加，但在1 s以后，路塹深度小于5 m時，升力呈現(xiàn)正值，深度大于8 m，升力方向發(fā)生改變.并且8 m和10 m的峰值相差較小.四種路塹深度基本都在2 s附近取得第一個峰值；在5.5s的時候取得第二個峰值；6 s以后頭車升力基本趨于穩(wěn)定.

從圖5(b)可知，突變風(fēng)在每個時刻下都在變化，橫向力在不斷變化.隨著風(fēng)速增大，車身兩側(cè)的渦流越來越大，橫向力逐漸增大，導(dǎo)致與開始階段差異大.隨著路塹深度增大，頭車橫向力相應(yīng)減小.但路塹深度為10 m時，頭車橫向力略大于8m時的頭車橫向力，隨著路塹深度的增加，頭車橫向力的峰值差值越來越小，并且在6s以后，頭車橫向力變化很小，呈一條直線.

從圖5(c)可看出，頭車的側(cè)滾力矩值基本為正值.0～1.5 s為風(fēng)速緩慢增大過程，此時各路塹深度下頭車的側(cè)滾力矩增長趨勢相似，且側(cè)滾力矩隨著路塹深度的增大而降低.在1.5～3.0 s內(nèi)，列車的側(cè)滾力矩在路塹深度為3 m時明顯大于其他路塹深度.3.0 s以后，四種路塹深度均能保持一致的變化趨勢.但在路塹深度為3 m時側(cè)滾力矩值明顯大.3～8 m的路塹深度下，隨著深度增加而減小，而10 m深度下，在1 s以后均高與8 m深度下的側(cè)滾力矩.可見，路塹深度過淺非常不利于疏通列車表面的氣流，造成列車傾覆危險(xiǎn)性增大.

從圖5(d)可知，頭車的搖頭力矩基本為正值.在0～2 s內(nèi)，搖頭力矩隨著路塹深度的增大而減小.3 m路塹深度下的搖頭力矩波動情況相較于其余3種深度來說，較為激烈.但是當(dāng)深度大于8 m以后，兩種深度下的數(shù)值差值變化不大.

2.3 風(fēng)載荷突變下對列車周圍壓力影響

根據(jù)圖5，中間車和尾車的氣動力變化情況較小，整體趨于穩(wěn)定狀態(tài)，而頭車對風(fēng)速的變化十分敏感.因此，研究頭車在0.5、1、1.5、2 s這四個時刻下的車身周圍壓力分布情況.圖6為路塹深度為3 m時頭車在不同時刻下的壓力分布.圖7為路塹深度為8 m時頭車在不同時刻下的壓力分布.

圖6 路塹深度3 m下的頭車壓力云圖

從圖6可知，在0.5 s時刻，頭車前部壓力為4 500 Pa，車身上下分布著大量高正壓區(qū)，上下壓力差為329 Pa，因此此時升力為負(fù)值；在1 s時刻，車身周圍空氣流速急劇增大，導(dǎo)致頭車上下分布著均等的負(fù)壓；在1.5 s時刻，此時風(fēng)速取得23.49 m/s的極值，頭車的鼻尖處壓力也達(dá)到了最大值5 727 Pa，車身上下壓力差為444 Pa，相較于0.5 s、 1 s來說，壓力差大， 所以此時升力也較大；在2 s時刻，風(fēng)速下降到13.8 m/s，此時頭車的鼻尖處壓力下降為4 843 Pa，此時只有頭車附近有一小部分正壓區(qū)域.

根據(jù)圖7，當(dāng)路塹深度為8 m時，在0.5 s時刻，頭車上下部壓力差為258 Pa，相較于1 s時刻來說，頭車鼻尖處壓力大，但是上下壓力差小于1 s， 也正因如此，1 s時頭車升力大；在1.5 s時，頭車壓力比1 s時增大42.3%；在2 s時刻，車體也同樣分布著較大面積高壓區(qū)，只有在車頭附近有一些正壓區(qū)，車體上部負(fù)壓為-965 Pa，車體下部分布著-1 418 Pa的高負(fù)壓，差值為453 Pa，因此這時的升力方向向下.

圖7 路塹深度8 m下的頭車壓力云圖

從圖6和圖7可知，在0.5 s時刻， 8 m深度時的頭車鼻尖處壓力略微大于3 m，但是上下壓力差值小于3 m深度，這也和升力的計(jì)算結(jié)果一致；在1 s時刻，路塹8 m深度和3 m深度一樣，列車表面均分布著大量的高負(fù)壓區(qū)，但是8 m深度時頭車壓力比較大；在1.5～2 s這一段時間間隔內(nèi)，3 m深度時頭車鼻尖處的壓力都比8 m時的大，這是因?yàn)? m深度的路塹，不能很好地阻擋來流，來流直接作用于車體上.綜上所述，車身上下的壓力隨著風(fēng)速在不斷變化，升力的方向和大小是壓力變化的間接體現(xiàn)，也充分解釋了8 m深的路塹下某些時刻下列車的升力大于3 m深路塹的升力這一現(xiàn)象.

2.4 列車表面氣動力突變特性

由圖3可知，在1.5～2 s內(nèi)，風(fēng)速由23.49 m/s突變到13.8 m/s.為了研究風(fēng)速突變對于高速列車氣動力影響，對比分析高速列車在同一路塹結(jié)構(gòu)下，受相同風(fēng)速的橫風(fēng)和突變風(fēng)氣動特性的差異，風(fēng)速選擇為13.8 m/s，車速為300 km/h.選擇頭車下高速列車的升力、橫向力、側(cè)滾力矩、搖頭力矩.結(jié)果見表1.

表1 不同深度下定常與非定常氣動力對比

由表1可知，路塹深度在3～10 m以內(nèi)，橫風(fēng)和突變風(fēng)的氣動力明顯不同.當(dāng)路塹深度相同時，橫風(fēng)影響下的高速列車頭車的升力大體上都是高于突變風(fēng)，并且其波動值也是隨著路塹深度的增大而先升高后降低.橫向力的波動值先降低后增大；側(cè)滾力矩的波動值變化無規(guī)律可言；搖頭力矩的波動情況一直在增大；氣動力的波動值變化較大基本發(fā)生在路塹深度在5m以后，且波動值基本大于50%.由此可以發(fā)現(xiàn)突變風(fēng)發(fā)生突變對氣動力的變化影響較為顯著；其中影響比較大的是橫向力、側(cè)滾力矩、搖頭力矩.

3 結(jié)論

(1)橫風(fēng)作用下路塹深度的加深有利于降低列車的氣動力.8 m深度路塹和3 m深度路塹相比，升力降低51%，橫向力降低96%，側(cè)滾力矩降低93%，搖頭力矩降低84%;

(2)突變風(fēng)作用下列車的氣動力隨風(fēng)速變化情況復(fù)雜.當(dāng)路塹深度為變量時，列車的氣動力整體上隨著路塹深度增大而降低，在氣動力峰值處，8 m路塹比3 m路塹頭車升力降低了51%，橫向力為52%，側(cè)滾力矩和搖頭力矩都在90%以上.而且風(fēng)6 s以后風(fēng)載荷的影響出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，這是橫風(fēng)不具備的;

(3)與橫風(fēng)作用下相比，風(fēng)載荷發(fā)生突變對高速列車氣動特性影響大得多.在路塹深度同為3 m情況下，突變風(fēng)(平均風(fēng)速13.8 m/s)與橫風(fēng)(13.8 m/s)作用相比，頭車升力波動值為25%，橫向力為90%，側(cè)滾力矩為27%，搖頭力矩為40%.路塹深度達(dá)到5 m及以上，和橫風(fēng)的影響比較，氣動力波動幅度一直維持在50%以上.