强侧风环境下CRH1 型高速列车气动性能研究
2011-06-21项叶琴上海铁路局上海动车客车段
项叶琴 上海铁路局上海动车客车段
随着列车速度不断提高，高速列车的运营对铁路建设、周边环境和机车研究生产都带来了一定影响，很多在低速运行时忽略的问题显现出来，在很大程度上影响列车提速。
例如车速提高时，噪声变得明显；机车车辆受到的气动力也明显增加，对机车车辆的强度和气密性要求更加严格，侧风下运行的稳定性也将受到很大影响。列车气动力性能恶化，不仅列车空气阻力、侧向力及升力迅速增加，其侧向稳定性急剧下降，严重时将导致列车倾覆。因此对高速列车在强侧风下的气动性能进行分析就变得十分重要。高速列车运行时，强侧风是影响列车运行的安全性、稳定性及舒适性的一个重要因素。当侧向风达到一定速度时，列车会产生共振，引起乘客不适，严重时可能会导致车辆结构的疲劳破坏。在强劲的侧向风作用下，列车受到的侧向气动力可能使列车横摆超限、脱轨，甚至出现翻车和人员伤亡事故。因此，研究不同横风速度下和不同风向角下高速列车的气动性能，对列车的安全运行有十分重要的意义。论文分别对车辆在不同风速和不同风向角工况进行数值模拟，以此获得列车的气动性能规律。
1 计算区域及边界条件
1.1 计算区域
论文采用二维数值模型研究CRH1型高速列车在不同横风风速和风向角工况下的气动性能。为了避免长度方向车辆背风面出现尾流影响，宽度方向出现阻塞效应，计算区域选取450 m×300 m×100 m（长×宽×高）,如图1。
图1 计算区域
1.2 计算网格及边界条件
由于结构网格计算准确性高，故采用它进行离散。同时考虑到车体表面对空气的黏着作用，车体附近网格需进行加密处理，故车体模拟生成附面层提高计算精度。列车断面网格及车体表面附近网格图分别见图2 和图3。对列车外流场的数值模拟只能在足够大的有限区域进行，故需在区域边界给定合理的边界条件。由于已知空气流的速度，所以入口边界条件取为速度入口，出口设为压力出口条件，静压为0，车体、地面及计算区域上边界均设为无滑移的光滑壁面边界条件。
图2 列车断面网格
图3 车体表面附近网格
1.3 数值计算理论基础
采用稳态、三维、不可压N-S 方程和k-ε 双方程湍流模型，基于控制方程（质量守恒方程、动量守恒方程、湍流动能方程和湍流耗散率方程），运用大型流体数值计算软件FLUENT 对强侧风作用下CRH1型高速列车的气动性能进行模拟分析。
2 计算工况
为便于计算对比，所得气动载荷结果均转换为无量纲系数。侧风环境下，车辆受到的气动力主要有侧向力Fs,升力FL和倾覆力矩FM，分别对应各参数:
其中，CS为气动侧向力系数；CL为气动升力系数；CM为倾覆力矩系数；FS为气动侧向力；FL为气动升力；FM为倾覆力矩；原点位于轨道中心线处；ρ为空气密度，A为车辆单位长度侧向投影面积，H为车辆重心参考高度。
本文研究的重点是不同风向角，不同侧风速度工况下列车的外流场分析。据此选取了一些特定的工况进行研究，具体如下：
1、车速为0，侧风风向角为90°，风速分别取20.7 km/h、24.4 km/h、28.4 km/h、32.6 km/h、40 km/h、50 km/h 时，CRH1型高速列车的气动性能参数；
2、车速为0，侧风风速为32.6 km/h，风向角分别取15°、30°、45°、60°、75°、90°时，CRH1型高速列车的气动性能参数；
3 计算结果
3.1 不同侧风速度气动力系数比较
表1 为CRH1型高速列车在风向角固定为90°时，不同横风风速工况下的横向力系数、升力系数及倾覆力矩系数。
由表1 及图4 可以看出：当风向角固定时，随着侧风风速的增大，CRH1型高速列车的侧向力、升力及倾覆力矩均随着侧风速度的增大而增大，但其对应的气动力系数基本保持不变。
表1 不同横风风速下CRH1 型高速列车的横向力系数、升力系数及倾覆力矩系数
图4 为对应的气动力系数随侧向风速变化曲线图。
3.2 不同风向角气动力系数比较
表2 不同风向角下CRH1 型高速列车横向力系数、升力系数及倾覆力矩系数
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由表2 及图5 可以看出：当侧向风速固定时，在不同风向角下，CRH1型高速列车的横向力、升力及倾覆力矩均随着风向角的增大而增大，风向角增加到75°后，阻力、升力、倾覆力矩的增长率变小，趋于平缓增加，其对应的气动力系数变化规律和气动力变化规律保持一致。
4 结论
（1）风向角固定为90°时，随着侧风速度的增大，CRH1型高速列车的侧向力、升力及倾覆力矩均随着侧风速度的增大而增大，但其对应的气动力系数基本保持不变；
（2）侧向风速固定为32.6 m/s 时，随着风向角的变化，CRH1型高速列车的横向力、升力及倾覆力矩均随着风向角的增大而增大，风向角增加到75°后，阻力、升力、倾覆力矩的增长率变小，趋于平缓增加，其对应的气动力系数变化规律和气动力变化规律保持一致。
