横风作用下高速机车的气动性能*

任 鑫，梁习锋，杨明智，李军产

(1．中南大学轨道交通安全教育部重点实验室，湖南长沙410075;2．中南大学交通运输工程学院，湖南长沙410075)

在强横风作用下，列车受到了较大的气动横向力和升力，有可能导致列车脱轨倾覆，直接影响着列车的安全［1－6］。对于一些特殊的风环境，如高架桥、路堤等路段，列车的绕流流场改变更为突出，气动力增大，导致列车脱轨、翻车的可能性大大增加［7－9］。在我国，亚欧大陆桥重要通道的兰新线，穿越新疆大风戈壁地区，自然条件十分恶劣，其百里风区瞬时最大风速达64 m/s，约为12级风速的2倍，是世界铁路风速之最［10］。自通车以来，屡次发生列车被吹翻的重大事故［11－12］。大风季节，由于风力过大，迫使列车经常停轮，大批旅客被滞留，给旅客出行带来极大不便，严重制约了西部经济的发展。机车是铁路运输的牵引动力，是铁路列车最关键的设备，过去由于机车牵引速度不大，国内外专家都把主要精力集中于速度更快的车辆和动车组的研究中，关于机车特别是高速机车气动性能方面的研究比较少。随着我国对高速客运与货运的要求不断提高，对牵引力更大、气动性能更优的高速机车气动性能的研究显得十分重要［13］。

1 数值计算理论基础

采用稳态、三维不可压N－S方程和工程上常用的k－ε双方程湍流模型，运用大型流体数值计算软件FLUENT对强侧风作用下高速机车车体的气动性能进行模拟分析。在计算时进行以下假设:

(1)忽略空气密度的变化，认为流体为不可压缩;

(2)假设流动中无热量交换，不考虑能量守恒方程。

连续性方程:divV=0。

X方向动量方程:

Y方向动量方程:

Z方动量方程:

湍流动能k方程:

湍流动能耗散率ε方程:

上述方程均忽略了空气的质量力。式中:V为速度矢量;u，v和w为各坐标方向的速度分量;ρ为空气密度;μe和Pe分别为有效黏性系数和有效压力;其值与湍流动能k和湍流动能耗散率ε有关。上述方程组6个方程含有6个未知量:u，v，w，P，k和ε，方程组封闭，可对它进行数值求解。其中常系数 C1=1．44;C2=1．92;σε=1．3;σk=1．0。

2 数值计算模型

2．1 模型的简化

(1)列车是近地运行的庞大细长物体，为在相同条件下，比较不同横断面车体气动性能，即排除不同车头形状对车体的影响，因此，取列车车体长度足够长。

(2)在自然环境下，机车所受到的强侧风是随时间和空间变化的，但研究机车的横向稳定性时，通常只关注其受到的最大横向力和倾覆力矩，因此，计算时，在速度入口加入均匀来流，其值为最大横风风速［14］。

(3)空气为不可压缩流体。强侧风速度一般不会大于64 m/s，马赫数小于0．3，因此，可视为不可压缩流动。

2．2 几何模型

计算区域长度方向尺寸的选取原则是使计算区域下游边界尽可能远离列车尾部，以避免出口截面受到列车尾流的影响，便于出口边界条件的给定，宽度应避免阻塞效应影响。具体尺寸如图1所示。

采用非结构化网格进行离散。车体表面单元为三角形网格，体单元为非结构四面体网格，网格数约为200万，物面网格如图2所示。

图1 计算区域Fig．1 Computational zone

图2 机车头部网格Fig．2 Mesh of locomotive head

2．3 边界条件

为消除地板附面层的影响，如图1所示，地面ABCD给定滑移边界条件，法向速度为0，切向速度与车速速度大小相同，方向相反;在截面AEHD以及面ABFE、面DCGH顶面EFGH设为速度进口，按均匀来流给定X向速度分布，即X向给定流速，Y和Z向速度分量均为0;出口截面BFGC为压力出口，静压为0;车体表面为无滑移壁面边界条件。

3 数值模拟计算结果与分析

3．1 路堤高度对气动性能的影响

本文应用工程中典型路况:平地(路堤0 m)，路堤3 m，路堤5 m，路堤8 m。考虑比较危险的工况，给机车加载风向角为90°，速度为35 m/s的风速。表1所示为不同车速下主要气动性能指标(侧向力、升力和倾覆力矩)在不同路堤高度下的值。

表1 机车在不同车速、不同路堤高度下的气动力Table 1 Force of aerodynamic of different speed with embankment height

由表1可知，在其他条件不变的情况下，以车速为200 km/h的气动性能为例，当路堤高度从0 m增加到8 m时，高速机车的主要气动性能指标:侧向力增大了57．1%，升力增大了71．6%，倾覆力矩的绝对值增大了52．6%。

3．2 车速对气动性能的影响

研究列车风与环境风耦合作用下，机车速度对机车在路堤上运行气动性能影响。确定风速为35 m/s，风向角为90°，路堤高度为8 m，列车车速从180 km/h增大到220 km/h。图3所示为各气动力随车速的变化曲线。

图3 气动力随车速变化曲线Fig．3 Curves of aerodynamic force with train speed

从图3可以看出:当横风速度及风向角一定时，机车运行速度的变化对机车受到的气动力(指侧向力、升力和倾覆力矩)影响相对较小;当横风速度为35 m/s，风向角为90°，机车速度从180 km/h到220 km/h时，机车的侧向力增加了5．4%，升力增加了15．5%，倾覆力矩增加了6．0%。

3．3 横风风速对气动性能的影响

研究列车风与环境风耦合作用下，横风风速对机车在路堤上运行气动性能影响。横风速度从15 m/s到35 m/s，机车速度为200 km/h，风向角为90°，路堤高度为8 m。图4所示为气动力随横风风速变化曲线。

图4 气动力随横风风速变化曲线Fig．4 Curves of aerodynamic forces with crosswind speed

从图4可以看出:车速及风向角一定时，横风风速的变化对机车受到的气动力(指侧向力、升力和倾覆力矩)影响较大;当机车车速为200 km/h，风向角为90°，横风风速从15 m/s到35 m/s时，机车的侧向力增加了2．94倍，升力增加了1．98倍，倾覆力矩增加了2．88倍。

图5所示为机车以200 km/h速度在平地上运行，风向角为90°，在不同侧风风速下，机车横截面压力分布云图和流线图。从压力云图可以看出:由于气流滞止，机车迎风侧受正压;气流在机车的顶部和底部加速，气流膨胀，因此，顶部和底部为负压，顶部负压一般会比顶部的大，机车受到正的升力;背风面处于顶部气流分离产生的漩涡区，其压力与涡区上方主流区的压力相同，为负压。随着风速的增加，对应的迎风面和背风面、顶部和底部的压强也增大，侧向力和升力也增大。

图5 不同横风风速下机车横截面压力云图和流线图Fig．5 Pressure contour and flown lines under different crosswind speeds

3．4 风向角对气动性能的影响

研究列车风与环境风耦合作用下，横风风向角对机车在路堤上运行气动性能影响。横风风向角为30°～90°，机车速度为200 km/h，横风速度为35 m/s，路堤高度为8 m。图6所示为气动力随横风风向角变化曲线。

图6 气动力随横风风向角变化曲线Fig．6 Curves of aerodynamic force with crosswind angle

从图6可以看出:车速及横风风速一定时，横风风向角的变化对机车受到的气动力(指侧向力、升力和倾覆力矩)影响较大。机车车速为200 km/h，横风风速为35 m/s;当横风风向角为30°～90°时，机车的侧向力增加了1．50倍，升力增加了0．95倍，倾覆力矩增加了1．52倍。

4 结论

(1)在横风条件下，当风速和风向角相同时，机车的气动力(侧向力、升力和倾覆力矩)均随着车速的增大而增大，但由于车速相差不大，气动力增幅较小。

(2)当车速和风速相同时，机车的气动力均随着风向角的增大而增大。

(3)当车速和风向角相同时，机车的气动力均随着风速的增大而增大。

(4)在路堤高度为0～8m时，高度越大，车辆所受到的侧向力、升力和倾覆力矩越大。

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