风区车站停留车辆纵向气动力研究

李志伟，刘堂红，张洁，任鑫

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

因大风导致的站停车辆溜逸是新疆铁路风灾的形式之一，历史上分别在天山和阿拉山口站发生过车辆溜逸事故，给铁路运输带来了较大的损失[1-2]。风区车站停留的车辆在大风作用下，会受到沿车长方向的气动“推力”。当风“推力”和线路坡道附加力的合力大于车辆制动力时，车辆将发生溜逸，造成行车事故。对于长时间在车站停留的车辆，手制动是最有效的制动措施。如何确定站停车辆的手制动车辆数及采取何种辅助制动措施避免发生车辆溜逸事故是确保风区行车安全的主要问题之一[3-8]。站停车辆在大风环境下所受的纵向气动推力与风速、风向角、防风设施、车辆编组等因素紧密相关[9-13]，为此，本文作者利用风洞和三维数值计算方法对在不同风速和风向角、不同防风设施、不同编组车辆的纵向气动力进行计算和分析，得出各车型和编组的气动推力计算方法，以便为确定站停车辆的手制动车辆数、制订风区车站停留车辆防溜措施和办法提供科学依据[14]。

1 数值计算模型

针对新疆铁路现有运行车辆情况，计算分析中选用的机车为DF11，单层客车为25G，双层客车为25B，单层集装箱车为 X6K，双层集装箱车位 X2K，棚车为P62K，敞车为C64，罐车为G17，平车为N17。由于敞车空载或者装有密度较大的货物时，车厢内部为空或部分为空；装有密度较小的货物时，通常起脊并苫盖篷布。这2种货物在外形上有很大不同，因此，对于敞车，分析无篷布敞车(车厢内部为空)和有篷布敞车(起脊0.5 m、后面简称有篷布敞车)这2种外形的气动特性[15]。本文主要针对单层客车进行分析，其计算几何模型和计算网格如图1(a)和图1(b)所示。无特别说明时，计算模型采用三车编组，网格数量在200万以上。根据风区车站具体情况，防风设施选取无挡风墙、4 m高砼板式挡风墙、4 m高土堤式挡风墙、3 m高土堤式挡风墙共4种情况进行分析。数值计算采用三维、不可压、κ-ε湍流模型。

图1 单层客车计算模型Fig. 1 Calculation models of single-layer car

图2 计算区域尺寸示意图Fig. 2 of computational domain size

计算模型区域及其尺寸示意图如图2所示。为消除地板附面层的影响，地面HDAE和挡风墙给出的是滑移边界条件，法向速度为0 m/s，切向速度与来流速度一致；在入口截面ABFE和ABCD上，按均匀来流给定X向速度分布、Y向速度分布，Z向速度分量为0 m/s；出口截面EFGH和DHGC上静压为0 Pa；列车表面为无滑移的壁面边界条件。

2 影响车辆纵向气动力的主要因素分析

2.1 风向角对车辆纵向气动力的影响

分析风向角对车辆纵向气动力的影响时，选取0°，15°，30°，45°，60°，70°，80°和 90°共 8 个风向角进行分析。在无挡风墙、环境风速为60 m/s、不同风向角下单层客车纵向气动力计算结果如图3所示。

图3 单层客车纵向气动力随风向角变化曲线Fig. 3 Relationship between longitudinal aerodynamic force and wind yaw angle of single-layer car

从图 3可知：当风向角为 30°左右时，车辆纵向气动力达到最大；3车编组中，当风向角小于45°时，头车的纵向气动力最大，尾车次之，中间车最小；当风向角大于 45°时，尾车的纵向气动力最大，头车最小。由文献[14]可知：客车中，在相同条件下，单层客车的纵向气动力比双层客车的稍大；货车中，在相同条件下，双层集装箱车的纵向气动力最大，其次为无篷布敞车，平车的最小。在新疆铁路现有运行车辆中，双层集装箱车尚未开行，空敞车和空棚车由于自身质量较小，且所受纵向气动力较大，是现场中发生车辆溜逸事故较多的车型。

2.2 风速对车辆纵向气动力的影响

在风向角为30°时，单层客车在风速为32，46和60 m/s这3种风速下的车辆纵向气动力计算结果用幂函数拟合，结果如图4所示。从图4可知：车辆纵向气动力随着风速的增大迅速增大，近似与风速的平方成正比。

图4 纵向气动力随风速变化曲线Fig. 4 Relationship between longitudinal aerodynamic force and wind speed

2.3 列车编组对车辆纵向气动力的影响

实际列车编组通常较多，在数值计算中，由于受计算硬件限制并要兼顾计算效率，通常采用3车编组进行。下面分析3车、8车编组情况下的纵向气动力计算结果。

在8车编组、无挡风墙、环境风速为60 m/s、风向角为15°和30°时，不同编组位置的中间车纵向气动力计算结果见表1和图5。从表1和图5可知：不同编组中，中间车的纵向气动力差别很小，所以在计算时，可以减少中间车的编组数，提高计算效率。

采用3车编组后，其纵向气动力计算结果及与8车编组的比较如表2所示。从表2可知：3车编组和8车编组计算时，头、中、尾车辆的纵向气动力均较接近，最大相对误差只有4.7%，3车编组计算结果可以反映8车甚至更多车辆编组的情况。编组列车的纵向气动力可以采用以下公式计算：

图5 中间车纵向气动力比较Fig. 5 Comparison of longitudinal aerodynamic of middle cars

表1 单层客车8车编组中间车辆纵向气动力计算结果Table 1 Calculation results of longitudinal aerodynamic force of middle car with eight cars marshalling kN

表2 单层客车3车和8车编组车辆纵向气动力计算结果Table 2 Calculation results of longitudinal aerodynamic force with three cars and eight cars marshalling kN

式中：FW为总的纵向气动力；FH为头车纵向气动力；FM为中间车纵向气动力；FT为尾车纵向气动力；n为总编组数。

2.4 挡风墙对车辆纵向气动力的影响

根据新疆铁路风区的实际情况，分别计算无挡风墙、土堤式挡风墙(高度为3 m和4 m)、砼板式(高度为4 m)挡风墙条件下车辆纵向气动力。为了分析不同挡风墙后的车辆纵向气动力，选取环境风速为60 m/s、风向角为 30°的情况计算单层客车在几种情况下的车辆纵向气动力(车辆距挡风墙10 m)，其结果如图6所示。从图6可知：车辆纵向气动力在无挡风墙下最大，其次按3 m高土堤式、4 m高土堤式、4 m高砼板式依次减小。

图6 不同防风设施下纵向气动力比较Fig. 6 Comparison of longitudinal aerodynamic force of different wind-break facilities

为分析车辆停放在距挡风墙不同位置的纵向气动力，以4 m高土堤式和4 m高砼板式2种挡风墙为例，计算风向角为30°时单层客车距挡风墙10，20和30 m位置的纵向气动力。砼板式和土堤式挡风墙后不同位置车辆纵向气动力计算结果分别如图7和图8所示。

从图7和图8可知：车辆纵向气动力在砼板式挡风墙后10～30 m范围内基本相同，说明挡风墙后10～30 m均在砼板式挡风墙防护范围之内；在土堤式挡风墙后，随着车辆距挡风墙距离的增加，车辆纵向气动力略增加。

总之，车辆所受纵向气动力的大小与风速、风向角(风向与车辆之间所夹锐角)、车型、车辆编组位置以及挡风墙型式和高度有关。通过上述分析可知：车辆所受纵向气动力与风速的平方成正比；当风向角为30°左右时，车辆所受到的纵向气动力最大；当风向角一定、不考虑新疆风区尚未运行的双层集装箱时，货车中敞车受到的纵向气动力最大，棚车次之，客车中单层客车的纵向气动力稍大于双层客车的纵向气动力；有挡风墙时车辆所受的纵向气动力小于无挡风墙车辆所受的纵向气动力，砼板式挡风墙的防护效果优于土堤式挡风墙；4 m高砼板式挡风墙后10～30 m均在挡风墙防护范围内，其纵向气动力基本不随车辆距挡风墙的距离变化而改变，4 m高土堤式挡风墙后车辆纵向气动力随着车辆距挡风墙距离的增加略增加，但总体变化不大。

图7 砼板式挡风墙后不同位置纵向气动力Fig. 7 Longitudinal aerodynamic force of different locations behind concrete slab wind-break wall

图8 土堤式挡风墙后不同位置纵向气动力Fig. 8 Longitudinal aerodynamic force of different locations behind embankment type wind-break wall

3 风洞试验与数值计算结果对比分析

本次试验在中国空气动力研究与发展中心 8 m×6 m风洞中进行。对单层客车、棚车、单层集装箱车3种车型进行了风洞试验，模型比例为1:15，试验风速为60 m/s，试验模型如图9所示。

选取单层客车风洞试验与数值计算结果进行对比分析，在不同风向角下，气动纵向气动力系数对比结果如图 10所示。图 10中，纵向气动力系数定义为CF=F/(0.5·ρU2A)(其中，CF为纵向气动力系数；F为纵向气动力；ρ为空气密度；U为环境风风速；A为车体侧面面积)。从图10可知：纵向气动力系数数值计算结果和风洞试验结果基本相同，但由于风洞试验模型对车辆底部细部结果进行了简化，所以，其纵向气动力系数比计算结果稍小，但两者相对误差一般不超过10%。

图9 风洞试验模型Fig. 9 Wind tunnel test model

图10 纵向气动力系数风洞试验与数值计算对比Fig. 10 Comparison of longitudinal aerodynamic coefficient of wind tunnel test and numerical calculation

4 结论

(1) 车辆所受纵向气动力与风速、风向角、车型、车辆编组位置以及挡风墙型式和高度有关。车辆所受纵向气动力与风速的平方成正比；当风向角为 30°左右时，车辆所受到的纵向气动力最大。

(2) 3车和8车编组时，头、中、尾车辆的纵向气动力均比较接近，最大相对误差只有4.7%，3车编组计算可以反映8车甚至更多车辆编组的情况；不同编组位置中间车的纵向气动力差别很小，数值计算时可以减少中间车编组数，从而提高计算效率。

(3) 有挡风墙时车辆所受的纵向气动力小于无挡风墙车辆所受的纵向气动力，砼板式挡风墙的防护效果优于土堤式挡风墙；4 m高砼板式挡风墙后10～30 m均在挡风墙防护范围内，其纵向气动力基本不随车辆距挡风墙的距离变化而改变，3 m和4 m高土堤式挡风墙后车辆纵向气动力随着车辆距挡风墙距离的增加略增加，但总体变化不大。

(4) 风洞纵向气动力试验结果与数值计算结果基本相同，但由于风洞试验模型对车辆底部细部结果进行了简化，所以，其纵向气动力系数略小于数值计算结果。

(5) 本风区车站停留车辆纵向气动力的计算分析结果可为车辆防溜分析、确定车辆手制动数提供车辆纵向气动力计算载荷。

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