橫風(fēng)環(huán)境下明線運(yùn)行列車氣動(dòng)特性分析*

馬天放，趙 潔，張旭平

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；2.大連交通大學(xué) 機(jī)車車輛工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

0 引言

列車運(yùn)行安全性不僅需要在車速的持續(xù)增加下得到保證,也要在強(qiáng)橫風(fēng)環(huán)境下得到保證[1]。因此,早期進(jìn)行列車空氣動(dòng)力學(xué)研究時(shí),重點(diǎn)研究對(duì)車體形狀改變或者優(yōu)化,從而使得空氣阻力減小[2]。此外,經(jīng)濟(jì)性要求、乘客的舒適性要求、環(huán)境性要求成為研究高速列車空氣力學(xué)的主要問題[3]?！皺M風(fēng)”給高速列車帶來(lái)各種影響,列車氣動(dòng)阻力、升力以及側(cè)向力均急劇上升,對(duì)列車運(yùn)行過程中的平穩(wěn)性造成惡劣影響,尤其側(cè)向力過高,將會(huì)導(dǎo)致列車發(fā)生傾覆、越軌甚至傷亡事故[4],對(duì)安全運(yùn)輸和人員財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失[5]。一旦列車行駛速度大于200 km/h,橫風(fēng)速度大于30 m/s,列車出現(xiàn)傾覆和越軌概率變大[6]。因此,深入研究橫風(fēng)環(huán)境下列車氣動(dòng)特性很有必要。

1 計(jì)算設(shè)置

1.1 物理模型

高速列車結(jié)構(gòu)復(fù)雜且細(xì)長(zhǎng),直接對(duì)全車進(jìn)行數(shù)值模擬及分析需要高性能計(jì)算機(jī),而且消耗大量研究人員的工作成本。因此,本文選用3輛編組的某列車模型(如圖1所示)為研究對(duì)象,三輛編組列車具體構(gòu)成為頭車(25.6 m)+中車(25.0 m)+尾車(25.6 m),整車編組為76.2 m,車體高度為3.92 m,車體寬度為3.2 m,列車模型忽略了車門、車窗、車門把以及受電弓等細(xì)小連接件,保留了簡(jiǎn)化的列車轉(zhuǎn)向架和空調(diào)導(dǎo)流罩。

圖1 列車模型

1.2 計(jì)算區(qū)域

在不影響車輛周圍流體流動(dòng)的前提下,選取了合適的外流場(chǎng)區(qū)域,并被放置在長(zhǎng)方體的某個(gè)位置。為更好地模擬風(fēng)洞和道路試驗(yàn)工況、消除邊界效應(yīng)的影響、使阻塞率在5%以下,確定計(jì)算區(qū)域如圖2和圖3所示,長(zhǎng)方體區(qū)域長(zhǎng)380 m、寬200 m、高60 m,列車頭車鼻尖處距離入口100 m。

圖2 列車橫向截面示意圖

圖3 列車縱向截面示意圖

1.3 邊界條件與網(wǎng)格劃分

(1) 入口:以計(jì)算域入口和迎風(fēng)側(cè)截面為速度入口。

(2) 出口:以計(jì)算域出口和背風(fēng)側(cè)截面為壓力出口。

(3) 車體:采用靜止無(wú)滑移壁面。

(4) 地面:采用靜止無(wú)滑移壁面。

(5) 頂面:采用對(duì)稱邊界條件。

為保證真實(shí)模擬列車運(yùn)行中周圍空氣流動(dòng),本文所劃分列車非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格總數(shù)約為四百萬(wàn),使用四面體網(wǎng)格填充劃分計(jì)算域,網(wǎng)格分布如圖4所示。

圖4 空間域網(wǎng)格模型

1.4 數(shù)值計(jì)算方法驗(yàn)證

文中列車以300 km/h速度運(yùn)行,馬赫數(shù)不大于0.3,對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式離散,選取三維定常不可壓縮雷諾時(shí)均N-S方程和黏性項(xiàng)中心差分格式,湍流方程為標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程進(jìn)行數(shù)值求解。本文在列車車體設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn),模擬列車明線環(huán)境下無(wú)側(cè)風(fēng)運(yùn)行,車速為216 km/h工況下,風(fēng)洞試驗(yàn)[7]數(shù)據(jù)與Fluent數(shù)值模擬數(shù)據(jù)相比較,得到監(jiān)控點(diǎn)壓力系數(shù)對(duì)比曲線如圖5所示。從圖5中數(shù)據(jù)可以看出:利用Fluent得到的監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力系數(shù)與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,整體誤差不超過10%;個(gè)別監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力系數(shù)與風(fēng)洞試驗(yàn)值誤差較為明顯。分析造成誤差的主要原因可能是由于對(duì)模型的簡(jiǎn)化程度不同所導(dǎo)致的,另外數(shù)值計(jì)算過程中所選取的監(jiān)測(cè)點(diǎn)與風(fēng)洞試驗(yàn)中設(shè)置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置存在誤差,也是引起兩者數(shù)據(jù)存在誤差的原因。圖5可以說明Fluent軟件對(duì)高速列車明線運(yùn)行外流場(chǎng)的數(shù)值模擬結(jié)果可靠準(zhǔn)確。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力系數(shù)對(duì)比曲線

2 計(jì)算結(jié)果分析

列車空氣動(dòng)力學(xué)中,與列車前進(jìn)方向呈90°夾角的側(cè)向來(lái)風(fēng)被定義為橫風(fēng),橫風(fēng)對(duì)運(yùn)行中的列車有較大影響,特別是在高車速、大橫風(fēng)條件下,列車的行駛穩(wěn)定性和安全性遭受到很大的威脅。因此,本文對(duì)車速300 km/h,橫風(fēng)速度分別在13.8 m/s、17.1 m/s、20.7 m/s、24.4 m/s和28.4 m/s下明線運(yùn)行的列車進(jìn)行氣動(dòng)特性研究,其中包括對(duì)列車氣動(dòng)力大小、表面壓力分布和周圍流場(chǎng)分布的研究。

圖6、圖7和圖8分別為車速一定時(shí),列車在不同橫風(fēng)速度下氣動(dòng)升力、氣動(dòng)阻力和側(cè)向力變化折線圖。從圖6中可知:列車頭車氣動(dòng)升力隨著橫風(fēng)速度的增大而增大,且增幅明顯,頭車在28.4 m/s風(fēng)速下氣動(dòng)升力是在13.7 m/s風(fēng)速下的4.2倍;中車和尾車氣動(dòng)升力則是隨著風(fēng)速的增大先增大后下降的趨勢(shì),在20.7 m/s風(fēng)速下達(dá)到氣動(dòng)升力極值。從圖7中可知:頭車氣動(dòng)阻力隨橫風(fēng)速度增大而降低,在28.4 m/s風(fēng)速下比13.8 m/s風(fēng)速下下降了38.8%;中車氣動(dòng)阻力與尾車氣動(dòng)阻力與橫風(fēng)速度成正比例遞增,橫風(fēng)速度從13.7 m/s增長(zhǎng)到28.4 m/s,中車和尾車氣動(dòng)阻力分別增長(zhǎng)了62.1%和52.1%。從圖8中可知:頭車、中車和尾車的側(cè)向力均隨著橫風(fēng)速度的增大而增大,頭車受到的側(cè)向力最大,在28.4 m/s風(fēng)速下比13.8 m/s風(fēng)速下高出了157.1%。

圖6 列車氣動(dòng)升力

在風(fēng)速20.7 m/s工況下對(duì)列車周圍流場(chǎng)進(jìn)行分析,圖9、圖10分別為頭車中部、中間車空調(diào)倒流罩處、尾車中部三個(gè)位置截面壓力云圖和外流場(chǎng)流線圖。由圖9可知:頭車與中間車迎風(fēng)側(cè)都是正壓力,背風(fēng)側(cè)多數(shù)是負(fù)壓力,而正負(fù)壓相差很大,頭車斷面上正壓力區(qū)的明線比中間車與尾車的大,從而使頭車所受側(cè)向力達(dá)到最大值,增加了頭車側(cè)翻概率;尾車迎風(fēng)側(cè)與背風(fēng)側(cè)大部分區(qū)域處于負(fù)壓狀態(tài),壓差較低,所受側(cè)向力最小。從圖10中可以看出:在橫風(fēng)的環(huán)境中列車迎風(fēng)側(cè)沒有漩渦產(chǎn)生,而背風(fēng)側(cè)產(chǎn)生漩渦,漩渦沿著車身方向向后發(fā)展、延伸、融合并產(chǎn)生新的漩渦,一般漩渦所在的位置負(fù)壓也相對(duì)較大。

圖9 風(fēng)速20.7 m/s下各截面壓力云圖

圖10 風(fēng)速20.7 m/s下各截面流線圖

3 結(jié)論

(1) 當(dāng)車速保持不變時(shí),隨橫風(fēng)速度的增加,列車各車廂所受到的側(cè)向力迅速增大,頭車受到的側(cè)向力始終最大,中車和尾車則相對(duì)較小。

(2) 車速相同時(shí),伴隨著風(fēng)速的增大,頭車所受氣動(dòng)阻力減小,中車和尾車氣動(dòng)阻力升高;當(dāng)風(fēng)速小于20.7 m/s時(shí),中間車所受氣動(dòng)升力最大,當(dāng)風(fēng)速大于20.7 m/s時(shí),頭車所受到氣動(dòng)升力最大。

(3) 在橫風(fēng)環(huán)境下明線運(yùn)行的列車,背風(fēng)側(cè)會(huì)不斷產(chǎn)生漩渦,并沿著車身向后發(fā)展、延伸、融合。