列车交会时周围的流场特性分析与模拟

赵庆贤 葛秀坤 邵 辉 丁香香

（常州大学环境与安全工程学院，213164，常州∥第一作者，讲师）

从1997年4月1日到2007年4月18日，中国铁路已经完成6次全面大提速，为人们的生活出行带来极大方便。然而，列车的提速也带来了很多的安全问题［1］，如：列车高速经过时会产生强烈的列车风，威胁着沿线周边建筑及人身的安全；列车提速使其受到的阻力及力矩发生很大变化，其脱轨、倾覆的可能性不断增大。为了保障列车安全高速地运行，必须了解列车行驶时其周围流场的特性。目前，国内外学者针对高速列车的侧风效应引起的安全性问题［2－3］、进入隧道时的力场变化规律［4－5］、抗倾覆问题、列车交会以及本身的结构本质安全化问题等重大问题进行了较多的研究［6－8］。本文作者利用数值计算方法对列车交会时其周围流场变化及其诱发的安全隐患进行了分析研究。

1 列车周围流场的仿真计算

1.1 选择控制方程

列车在快速运行时，其周围会形成复杂的高雷诺数三维湍流绕流场，本文采用连续性方程、流体运动方程和标准k－ε两方程模型（非直接数值模拟方法）作为控制方程对其进行求解。

连续性方程：

式中：

ρ——密度；

t——时间；

ui——x，y，z三个方向上的速度分量；

μ——动力黏度；

fi——三个方向上的质量力；

σij——x，y，z三个方向上的法向应力（下标i，j可取x，y，z以表示不同空间坐标）；

Gb——不可压缩流体（Gb＝0）。

根据Launder等的推荐值以及试验验证，模型常数 C1ε＝1.44，C2ε＝1.92，C3ε＝0.09，σk＝1.0，σε＝1.3。

用有限体积法离散控制方程，扩散项用二阶中心差分格式离散，对流项用一阶迎风格式离散。用分离式解法对离散后的控制方程组求解，使用SIMPLE（压力耦合方程的半隐方法）耦合压力一速度场，对压力采用迭代法修正。

1.2 建立几何模型

考虑到CRH（China Railway High－speed）系列高速动车组列车的款型、列车中间部分形体的一致性和周围流场的相似性，在不影响研究内容的前提下，采用CRH2C型动车组1∶1模型，如图1（a）所示，选取中间2节和首尾2节共4节车厢进行模拟。其主要技术参数为：最高运营速度250～300 km／h；适应轨距1 435mm；编组重量345t；编组长度204.9m；首节车辆长度25 700mm；中间车辆长度25 000mm；车辆宽度3 380mm；车辆高度3 700 mm；转向架轴重≤14t，轮径860／790mm，固定轴距2 500mm；紧急制动距离≤1 800m（制动初速度200km／h）；双线最小线间距5m。

动车组列车绕流流域是一个复杂的外部湍流绕流问题，流域边界应该远离列车无穷远。但考虑到仿真计算的要求，并根据以上技术参数和一般的建模原则，单列车时计算域的几何尺寸取为1 100m×30m×30m，两列车时取为1100m×35m×30 m，列车模型前端流场区域的纵向长度约为4倍列车模型长度，尾流区域的纵向长度约为6倍的列车模型长度，计算域高度取4倍的车高。采用六面体网格，在列车近壁面区域生成边界层网格，加密尾流、列车表面等流场变化较大区域的网格［9，10］。网格模型如图1所示。

图1 CRH2型动车组列车及其网格模型

1.3 模拟计算

根据2007年中国铁路第6次大面积提速后动车组列车的运营情况，分别选取列车速度为200、230、260、300、330、350、360、400、430、460km／h，使用FLUENT软件进行模拟计算。列车绕流流动按三维、粘性流动考虑。入口边界为速度进口；出口为压力出口边界；由于在列车表面存在附面层效应的影响，故列车表面设定为有摩擦的墙边界；计算区域的外围边界设定为无摩擦的墙边界。

在模拟计算的过程中，通过设置参考值采用阻力系数、升力系数和力矩系数（一个无量纲数）来监测解的收敛性。因为常规的残差收敛只是数值上的收敛，还不能完全代表物理上的稳定值；另外，残差是否收敛与设置的残差收敛标准直接相关，因此，只是根据残差收敛来判断结果的稳定性是不可靠的。在经过一定次数的初步迭代，初始状态计算值比较大的波动已经趋于和缓，设置力监视器来监视车体的受力情况，如果力的监测结果（曲线）还没有达到稳定状态，即使是残差收敛也不满足要求，还需要重新修改残差收敛标准继续计算，直到受力达到稳定状态时，才可以认为计算收敛。由于阻力、升力和力矩系数是全局变量，即使从这一次迭代计算到下一次迭代计算中某些点上的值还有变化，他们也会收敛。

2 计算结果分析

2.1 列车同向交会时的情况

两列列车在最小线间距处同向相遇时，列车阻力和升力相比单车时都有一定程度的增加，但变化不是很大；此时变化最明显的是侧向力和沿x方向（行驶方向）的转矩。为分析方便，在车身部位距离车底面1m处垂直于车身方向取一条参考线，通过其上的压力分布可以了解列车周围流域内压力的变化规律。通过仿真计算，得出参考线上的压力分布，其分布图如图2所示（只选取部分模拟结果）。

图2 两车同向交会时列车两侧压力变化规律

从图2可以看出，列车运行时其周围会形成一个低压带。并且随着列车速度的增加，两侧的压力差（压力梯度）增大，具体如图3所示。若不设置安全防护设施，列车高速行驶带来的负压列车风会将两侧小型物体和行人吸入车道，造成意外事故。另外，随着列车速度的不断增加，压力差增大，这种危险性会越大，对周围造成的影响会越严重，所以，沿线的安全防护显得越发重要，其防护距离也应当随着车速的增加而有所增大，具体可根据风洞试验或模拟计算等确定。

图3 列车两侧压力梯度随列车运行速度的变化规律

另外，从图2可以看出，两列列车相遇时其内侧压力相比外侧来讲比较低，内外两侧会形成较大的压力差，此时列车所受的侧向力主要就是由其形成。并且，列车两侧压力差值随着列车运行速度的加快而增大，其变化规律如图3所示。这种压力差会对列车形成一个倾覆力矩，与单列列车相同速度行驶时的转矩值相比可以看出，两列列车相遇时列车倾覆力矩增加，具体如图4所示。同时会使得列车内外两侧的壁面切应力沿x方向（行驶方向）的分量值不同，这从车身的切向力分布的分散性可以看出，具体如图5（a）所示，与单列列车时（图5（b））有明显的区别，列车车身内外侧切向力明显不同。

图4 两列列车同向相遇时车体所受力矩

根据边界层理论，逆向压力梯度越大，边界层分离得就越严重，分离点就是壁面切应力消失的点。图5表示时速350km时列车壁面切应力沿x方向（行驶方向）的分量分布，其值是否为负值反映了列车表面是否有逆向流动产生。从图5中可以看出，车尾存在一定的负值，表明存在气流旋涡，正是这种逆流（顺时针旋涡）的存在使得x方向的切应力分量为负。由图6可知，随着列车速度的增加，列车表面所受壁面切应力在x方向分量逐渐增大，头部切向力为正值，尾部切向力有负值，车身部分为正值，各部分的数值都随着车速的增加而增大。当然，其值并不大，说明该型动车的流线型设计还是比较好的，列车行驶时由边界层分离或旋涡脱落等造成的安全隐患较小。

图5 时速350km时列车表面切向力沿x方向（行驶方向）分量

图6 列车表面的切向力随车速的变化（时速350km）

2.2 列车反向交会时的情况

图7是时速250km的两列列车反向相遇时的模拟情况，图7（a）为列车相遇过程中不同时刻两列列车的相对位置；图7（b）为不同时刻两列列车在3个方向上所受的力。

从阻力上看，随着两列车的靠近，两车的阻力逐渐增大，当两车头相遇时由于车头的阻力突然增加使得列车的阻力达到第一个极值点，之后阻力减小，当两车的车尾离开时由于车尾的突然负压导致列车阻力到达第二个极值点。由于两车对开，所以其阻力正好一个正一个负，具有对称性，如图7（b）所示。

从升力上看，在相遇过程中先有增加后又减小，当两车并列瞬间升力值最大。

图7 不同时刻两列列车的相对位置和对应的受力特征

从侧向力看，随着两列列车的靠近，两列列车之间的横向力不断增大，直到两列列车相遇（即t＝t0＋0.7s时）达到第一个极值点；之后两列列车横向力值减小，直到两列列车并列，此时力最小；接着又开始反向增大，直到两列列车开始离开，达到第二个极值点，全部分开后其值开始不断减少。可以看出，列车从开始交会到完全离开的整个过程中其侧向力不仅大小发生变化，而且还有一次方向的转换，所以，在相遇的过程中列车受力情况比较复杂，这就给列车的安全运行提出了更高的要求。

另外，对不同时速条件下的情况进行了模拟，其结果显示：随着列车时速的增加，列车所受的阻力、升力和侧向力都不断增大，在列车提速中应给予考虑。

3 结语

随着列车的全面大提速、出行人员的增加以及人们对旅行速度的要求，两列列车在最小线间距处交会时，不宜再通过停车让车的方式解决问题，因此，分析清楚交会时列车的受力特点对列车运行安全非常重要。经过对两列列车交会时各种情况的模拟分析，得出如下结论：①两列列车同向相遇时其内侧压力较低，内外两侧会形成较大的压力差，使得列车的侧向力矩增加；②在两列列车反向相遇过程中，车头相遇和车尾离开时，两列列车的阻力达到两个极大值点。在相遇过程中升力先增加后减小，两列列车并列瞬间升力值最大。从开始交会到完全离开的整个过程中侧向力不仅大小发生变化，而且还有一次方向的转换。总之，两列列车交会过程中，列车周围的流场特性比较复杂，存在的安全隐患也较多，在列车提速过程中应给予足够重视，制定相关的安全技术和管理措施。

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