側(cè)風(fēng)下列車(chē)進(jìn)出路塹的氣動(dòng)特性研究

基于三維的非定常不可壓縮N-S方程，k-e湍流模型，采用有限體積法，研究了列車(chē)在25 m/s的側(cè)風(fēng)作用下，以300 km/h的速度進(jìn)出路塹的空氣動(dòng)力學(xué)特性。結(jié)果表明，列車(chē)在進(jìn)入路塹前，除了升力，頭車(chē)的多數(shù)氣動(dòng)指標(biāo)最大。進(jìn)入路塹后，多數(shù)的氣動(dòng)指標(biāo)會(huì)下降，其中頭車(chē)的變化最為明顯，因此頭車(chē)的安全性是最差的。列車(chē)出路塹時(shí)，氣動(dòng)指標(biāo)又回到進(jìn)入路塹前的水平。

高速列車(chē)； 側(cè)風(fēng)； 路塹； 空氣動(dòng)力學(xué)

U216.41+3A

鐵路與公路鐵路與公路

［定稿日期］2023-02-07

［作者簡(jiǎn)介］羅輯（1994—），男，在讀碩士，研究方向?yàn)榭諝鈩?dòng)力學(xué)；張明祿（1979—），男，博士，副教授，研究方向?yàn)榭諝鈩?dòng)力學(xué)。

0" 引言

高速列車(chē)在通過(guò)強(qiáng)風(fēng)地區(qū)時(shí)，列車(chē)受到的各種氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩會(huì)顯著增強(qiáng)，進(jìn)而增加列車(chē)傾覆和脫軌的風(fēng)險(xiǎn)。而在新疆這種強(qiáng)風(fēng)多發(fā)的地區(qū)，鐵路的安全事故發(fā)生也是最為頻繁的［1］。為了提高列車(chē)行駛的安全性，一方面可以讓列車(chē)在強(qiáng)風(fēng)地區(qū)適當(dāng)降速，另一方面，修建一些基礎(chǔ)設(shè)施，如風(fēng)障、擋風(fēng)墻［2］、防風(fēng)林和路塹［3］等也是常用的方法［4］。

1" 計(jì)算模型

本次研究采用的列車(chē)模型是CRH2動(dòng)車(chē)組。為了降低計(jì)算資源，將列車(chē)編組縮短成了三段，分別是25.5 m長(zhǎng)的頭車(chē)和尾車(chē)，25 m長(zhǎng)的中間車(chē)。同時(shí)忽略了轉(zhuǎn)向架和受電弓等復(fù)雜的結(jié)構(gòu)（圖1）［5］。

2" 計(jì)算域及邊界條件

列車(chē)所在的計(jì)算域?qū)捄透叨紴? m。列車(chē)初始位置離路塹120 m。路塹的高度是4.8 m，坡度為3∶4，路塹與平地交界處的坡度為1∶1。側(cè)視圖的右側(cè)邊界為速度入口，速度大小為25 m/s。速度入口的對(duì)面設(shè)為壓力出口。速度入口的兩側(cè)及頂部設(shè)為對(duì)稱邊界。列車(chē)計(jì)算域與外流場(chǎng)計(jì)算域的交界面設(shè)為interface。列車(chē)計(jì)算域的列車(chē)的前面和后面的邊界都設(shè)為壓力出口。其余的邊界則都設(shè)為固定壁面（圖2～圖4）。

3" 網(wǎng)格劃分

所有的計(jì)算域都使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終列車(chē)計(jì)算域網(wǎng)格為250萬(wàn)左右，外流場(chǎng)計(jì)算域網(wǎng)格為1000多萬(wàn)（圖5）。

4" 計(jì)算方法

本次計(jì)算采用可實(shí)現(xiàn)的k-e湍流模型。同時(shí)，用滑移網(wǎng)格模擬列車(chē)的運(yùn)動(dòng)，列車(chē)速度300 km/h，側(cè)風(fēng)風(fēng)速25 m/s，列車(chē)位于迎風(fēng)側(cè)線路。為了提高計(jì)算的收斂性，先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，讓列車(chē)靜止，并讓列車(chē)風(fēng)吹一定的計(jì)算步數(shù)，待殘差和列車(chē)周?chē)鲌?chǎng)穩(wěn)定，再進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算，讓列車(chē)動(dòng)起來(lái)。列車(chē)中間車(chē)的偏航力矩的取矩的軸線是中間車(chē)的中部位置的豎直向上方向的軸線，頭車(chē)和尾車(chē)取矩的軸線都是沿著列車(chē)行進(jìn)方向，距離中間車(chē)中部位置25 m的豎直向上方向的軸線。

5" 計(jì)算結(jié)果

5.1" 列車(chē)的側(cè)力的變化

由圖6可知，列車(chē)進(jìn)入路塹之前，頭車(chē)側(cè)力最大，中間車(chē)次之，尾車(chē)的最小，方向是負(fù)的。列車(chē)進(jìn)入路塹后，頭車(chē)的側(cè)力先降到最低值，然后在上升一定水平，再降低一定的水平，再穩(wěn)定；出路塹時(shí)，側(cè)力先降低到最低值，再上升到與進(jìn)入路塹前相同的大小。中間車(chē)進(jìn)入路塹后，側(cè)力直接降低到一定水平，再變得穩(wěn)定；出路塹時(shí)，側(cè)力直接上升到進(jìn)入路塹前的大小并變得穩(wěn)定。尾車(chē)進(jìn)入路塹后，側(cè)力先降到最低，再恢復(fù)到與進(jìn)入路塹前相同的值；出路塹時(shí)，側(cè)力先上升到最高，再恢復(fù)到之前穩(wěn)定的大小。

鐵路與公路羅輯， 張明祿： 側(cè)風(fēng)下列車(chē)進(jìn)出路塹的氣動(dòng)特性研究

5.2" 列車(chē)的升力的變化

由圖7可知，列車(chē)進(jìn)入路塹前，尾車(chē)升力最大，頭車(chē)次之，中間車(chē)的升力最小。進(jìn)入路塹后，三節(jié)車(chē)廂的升力都變小了，其中頭車(chē)的升力變成了負(fù)的。出路塹時(shí)，頭車(chē)的升力先降低到波谷，再上升到進(jìn)入路塹前的水平，中間車(chē)和尾車(chē)的升力都上升到進(jìn)入路塹前的水平。

5.3" 列車(chē)的傾覆力矩的變化

由圖8可知，列車(chē)駛?cè)肼穳q前，頭車(chē)的傾覆力矩最大，中間車(chē)次之，尾車(chē)的最小。頭車(chē)和中間車(chē)的傾覆力矩的變化規(guī)律和側(cè)力的變化規(guī)律相似。進(jìn)入路塹后，尾車(chē)的傾覆力矩先降低到最小值，再上升到一個(gè)穩(wěn)定的值。出路塹時(shí)，尾車(chē)的傾覆力矩先上升到波峰，再下降，再上升到進(jìn)入路塹前的水平。

5.4" 列車(chē)的偏航力矩的變化

由圖9可知，列車(chē)進(jìn)入路塹前，頭車(chē)偏航力矩最大，尾車(chē)次之。不管列車(chē)在平地或在路塹，中間車(chē)偏航力矩都接近0，因?yàn)樵谕N路況下，列車(chē)中間車(chē)在沿列車(chē)行進(jìn)方向各處空氣動(dòng)力學(xué)特性幾乎相同，這驗(yàn)證了縮短列車(chē)編組合理性。列車(chē)進(jìn)入路塹后，頭車(chē)偏航力矩先降低到波谷，再上升，再降低到一定水平；中間車(chē)偏航力矩先下降到波谷，再上升，再輕微下降到接近0；尾車(chē)偏航力矩則是直接下降到一定水平再變得比較穩(wěn)定。列車(chē)出路塹時(shí)，頭車(chē)偏航力矩是先下降到波谷，再上升到波峰，再下降到進(jìn)入路塹前的水平；中間車(chē)則是先上升到波峰，再下降到接近0；尾車(chē)則是直接上升到進(jìn)入路塹前的水平后再穩(wěn)定。

6" 結(jié)論

在側(cè)風(fēng)下，列車(chē)進(jìn)入路塹后，多數(shù)列車(chē)氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩會(huì)明顯下降，其中頭車(chē)變化最為明顯，因此頭車(chē)安全性最差。

參考文獻(xiàn)

［1］" 徐剛. 蘭新鐵路擋風(fēng)墻過(guò)渡地段流暢特性研究及優(yōu)化［D］. 長(zhǎng)沙： 中南大學(xué)， 2010.

［2］" 李田， 張繼業(yè)， 張衛(wèi)華. 橫風(fēng)下高速列車(chē)通過(guò)擋風(fēng)墻動(dòng)力學(xué)性能［J］. 鐵道學(xué)報(bào)， 2012， 34（7）：6.

［3］" 王嬌， 杜禮明. 突變風(fēng)作用下路塹深度對(duì)高速列車(chē)氣動(dòng)性能影響［J］. 大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)， 2022（1）：43.

［4］" SUN Z， DAI H， HEMIDA H， et al. SAFETY OF HIGH-SPEED TRAIN PASSING BY WINDBREAK BREACH WITH DIFFERENT SIZES［J］. VEHICLE SYSTEM DYNAMICS， 2019（1）：1-18.

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