基于空气动力学的城际铁路线间距研究

李红梅

（中国铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心，北京100081）

基于空气动力学的城际铁路线间距研究

李红梅

（中国铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心，北京100081）

基于有限体积法，采用流体动力学计算软件建立不同线间距条件下城际动车组明线交会和隧道内交会的空气动力学模型，运用滑移网格技术数值模拟了动车组交会时的三维非定常可压缩外流场，分析线间距对动车组交会时空气动力学效应的影响。研究结果表明:CRH2型动车组车体表面所受风压最大值、平均值比CRH6A型动车组分别小10.70%，18.60%；动车组以250 km/h及以下速度级交会车体所受风压最大值在线间距4.2，4.0 m情况下较线间距4.4 m情况下分别增加约10%，25%；线间距由4.4 m减少到4.0 m，或隧道断面由72 m2减少到64 m2，动车组隧道内交会时车体表面所受风压最大值和风压变化最大值增加幅度较小；动车组以200 km/h速度在隧道内交会车体表面所受风压最大值比明线交会增加了约30%。

空气动力学；线间距；明线交会；隧道内交会

我国正开展大规模的城际铁路建设。列车运行速度较低时，线间距由交会列车相邻侧壁净空间距是否满足安全运行限界控制，设计速度≥160 km/h时，线间距主要由列车交会运行时的空气动力作用控制［1］。根据国内外铁路线间距标准，交会列车相邻侧壁净空间距最小为0.82 m，最大可达1.90 m［2］，变化范围较大。线间距大，对车体强度等的设计要求降低，但土建投资较高；线间距小，会车压力波大，对车辆强度提出了很高的要求，但可以节省土建工程投资。因此，考虑列车交会压力波的影响对城际铁路线间距进行研究是必要的，能够为城际铁路相关规范的制订提供参考。本文基于有限体积法，采用计算流体动力学（CFD）软件FLUENT，建立了不同线间距条件下城际动车组明线交会和隧道内交会的空气动力学模型，运用滑移网格技术数值模拟动车组交会的三维外流场，研究线间距对动车组交会空气动力学效应的影响。

1　计算模型

FLUENT基于有限体积法。有限体积法将计算区域划分为一系列不重复的控制体积，并使每个网格点周围有一个控制体积，将待解的微分方程对每一个控制体积积分，得出一组离散方程［3］。动车组高速通过隧道的计算过程属于大区域变形，对于大区域变形运动，采用CFD的滑移网格技术［4］。在动车组运行的过程中，须根据动车组的运动不断地对网格作相应调整。在每一个时间步，需要及时给CFD计算提供信息，使用滑移网格来适应列车运动的物面。计算域分为5部分：车体、车前部分、车后部分、隧道部分、隧道外延部分。

介质选用可压缩空气，常态下密度为1.185 kg/m3，热膨胀系数为0.003 356 m/K，比热容为1.004 4×103J/（kg·K）。

1.1列车及隧道模型

城际列车主要以CRH6A和CRH2型动车组为主。CRH6A型动车组8辆编组，总长度、宽度、高度分别为200，3.3，3.89 m。CRH2型动车组8辆编组，总长度、宽度、高度分别为200，3.7，3.38 m。在不改变列车横截面面积、车头纵向长度的情况下，对车头形状、受电弓等进行了简化。

明线交会空气动力学计算外域模型选取长1 000 m、高100 m、宽200 m的矩形空间。交会动车组纵向2车头相距100 m，动车组距离计算域后端250 m，线间距分别为4.4，4.2，4.0 m。根据最不利隧道计算理论［5］，选取隧道模型长度为1 224 m。隧道双侧设置救援通道，宽1.0 m，高2.2 m。隧道内轮廓均采用单洞双线断面，净空有效面积分别为72，64 m2。双线隧道线间距分别为4.0，4.2，4.4 m，进口为普通结构。隧道左右两端空气计算外域为500 m，交会动车组在隧道进出洞口左右对称布置。

1.2计算网格

列车明线和隧道内交会属于非定常问题。为模拟列车与隧道、列车与列车之间的相对运动，计算区域采用分区对接网格技术［6］，隧道和地面用六面体结构化网格离散。列车因具有三维自由曲面外形，用四面体非结构化网格离散。各分区之间的数据交换通过公共滑移界面进行。

1.3边界条件

在动车组交会空气动力学计算模型中需要指定的边界条件包括：速度边界、开放出口边界、壁面边界。边界的设置如下：根据不同的列车速度设置不同的速度边界；开放出口边界选择压力出口边界，出口和大气相通；列车壁面、轨道壁面、隧道壁面等设置为固定壁面，无滑移，即流体和固体壁面没有相对滑动，靠近壁面处的流体速度为0。

2　计算工况及计算结果分析

考虑明线交会和隧道内交会，车型为CRH2和CRH6A，线间距为4.0，4.2，4.4 m，车速为120，160，200，250 km/h共23种工况进行计算。计算工况见表1。

表1　计算工况

以车头为起点，沿着车身表面交会侧纵向布置78个风压监测点，见图1。

图1　车体表面风压监测点布置

1）不同车型计算结果对比

线间距4.2 m条件下，动车组以200 km/h明线交会时车体表面所受的压力云图见图2，交会侧车体表面所受风压最大值沿纵向分布见图3。

由图2、图3可知，CRH2和CRH6A明线交会时左右两侧动车组车体表面所受的风压相同，因此分析任意一动车组即可。动车组明线交会时，由于车头和车尾形状的复杂性，车头和车尾不同部位所受风压不同。车头前端所受的风压最大；其次是车头右侧（交会侧）裙摆部位；车尾风压最大值出现在车尾后端。车厢所受风压比较均匀，每节车厢所受风压最大值差别不大。

CRH2，CRH6A型动车组以200 km/h明线交会时，车体表面所受的风压对比见表2。可知，线间距4.2 m时，CRH2型动车组车体表面所受风压最大值比CRH6A型动车组小10.70%，车体表面所受风压平均值比CRH6A型动车组小18.60%。下面主要分析CRH6A型动车组所受风压。

图2　明线交会时车体表面所受的压力云图

图3　交会侧车体表面所受风压最大值沿纵向分布

表2　2种动车组表面所受风压对比Pa

2）动车组明线交会计算结果分析

不同线间距不同速度，CRH6A型动车组明线交会时交会侧车体表面风压最大值沿纵向分布见图4。

图4　CRH6A型动车组明线交会时交会侧车体表面风压最大值沿纵向分布

由图4可知，动车组明线交会时，随着线间距的减小，车体表面所受的风压值略有增加。

不同车速和线间距条件下动车组明线交会时车体所受风压最大值对比见表3。

表3　动车组明线交会时车体所受风压最大值对比

由表3可知，随着车速的增加，动车组明线交会时车体所受风压最大值受线间距的影响效应略有增加，增加幅度很小。动车组以250 km/h及以下速度级交会时，车体所受风压最大值在线间距4.2，4.0 m情况下较线间距4.4 m分别增加约10%，25%。

2）动车组隧道内交会计算结果分析

CRH6A型动车组隧道内交会时，车体表面所受风压最大值和风压变化最大值分别见表4、表5。

表4　动车组隧道内交会时车体表面所受风压最大值

表5　动车组隧道内交会时车体表面所受风压变化最大值

由表4、表5可知，隧道净空面积一定，线间距由4.4 m减少到4.0 m，动车组车体表面所受的风压最大值和风压变化最大值变化不大，变化幅度在1%以内。线间距4.0 m隧道断面由72 m2减少到64 m2，动车组车体表面所受的风压最大值增加幅度在5%以内，风压变化最大值增加幅度在10%以内。

3）动车组明线交会和隧道内交会对比分析

不同线间距车速200 km/h动车组明线和隧道内交会车体表面所受风压最大值对比见表6。可知，线间距4.0 m净空面积64 m2隧道内交会时车体表面所受风压最大值比明线交会增加了32.33%；线间距4.4，4.2，4.0 m净空面积72 m2隧道内交会时车体表面所受的风压最大值比明线交会分别增加了30.70%，29.20%，27.82%。

3　结论

1）动车组交会时，车头前端所受的风压最大，其次是车头右侧（交会侧）裙摆部位，车厢所受风压比较均匀，每节车厢所受风压最大值差别不大。

2）由于车头和车体横截面差异，CRH2型动车组车体表面所受风压最大值比CRH6A型动车组小10.70%，车体表面所受风压平均值比CRH6A型动车组小18.60%。

3）动车组以250 km/h及以下速度级交会时，车体所受风压最大值在线间距4.2，4.0 m情况下较线间距4.4 m情况下分别增加了约10%，25%。

4）线间距由4.4 m减少到4.0 m，动车组隧道内交会时车体表面所受的风压最大值和风压变化最大值变化不大，变化幅度在1%以内。线间距4.0 m隧道断面由72 m减少到64 m2，动车组隧道内交会时车体表面所受的风压最大值增加幅度在5%以内，风压变化最大值增加幅度在10%以内。

5）线间距4.0 m动车组以200 km/h速度在净空面积64 m2隧道内交会时车体表面所受风压最大值比明线交会增加了32.33%；线间距4.4，4.2，4.0 m动车组以200 km/h速度在净空面积72 m2隧道内交会时车体表面所受风压最大值比明线交会分别增加了30.70%，29.20%，27.82%。

［1］黄远清.珠三角城际轨道交通正线线间距研究［J］.铁道工程学报，2010，32（6）：23-26.

［2］邢纳新译.世界高速铁路干线的现状与发展［J］.国外机车车辆，2010，47（2）：1-5.

［3］傅德薰，马延文.计算流体力学［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［4］杨顺华，乐嘉陵，刘鑫，等.滑移网格技术及其在高速列车穿越隧道问题中的应用［C］.第十二届全国激波与激波管会议论文集.北京：中国力学学会，2006：348-353.

［5］中国铁道科学研究院.京广高速铁路坪土隧道空气动力学效应试验研究报告［R］.北京：中国铁道科学研究院，2013.

［6］毛枚良，邓小刚，向大平.分区对接网格算法的应用研究［J］.空气动力学学报，2002（2）：179-183.

（责任审编李付军）

Research on Distance Between Tracks for Intercity Railway Based on Aerodynamics

LI Hongmei
（China Academy of Railway Sciences，Research&Development Center of Railway Sciences and Technologies，Beijing 100081，China）

T he aerodynamic models of the intercity EM U trains meeting in open air and in tunnel with different distance between tracks were established based on the finite volume method by using the fluid dynamics software. T he three dimensional unsteady compressible external flow fields of the EM U trains meeting were simulated by applying sliding mesh technology and the influence of distance between tracks on aerodynamic effect when the EM U trains meeting each other was analyzed.T he research results show that the wind pressure maximum value and average value of the CRH2EM U train surface respectively decreases by 10.70%and 18.60%compared with the value of CRH6AEM U train，wind pressure maximum value of EM U train surface with distance between tracks of 4.2 m and 4.0 m respectively increases by 10%and 25%compared with the value in condition of 4.4 m distance between tracks when EM U trains meeting each other at or below the speed of 250 km/h，wind pressure maximum value and its increase amplitude is small when EM U trains meeting each other with distance between tracks reducing from 4.4 m to 4.0 m and tunnel section reducing from 72 m2to 64 m2，and when EM U trains meeting in tunnel at speed of 200 km/h the wind pressure maximum value of EM U train surface increases by about 30%compared with the value when EM U trains meeting in open air.

Aerodynamics；Distance between tracks；T rains meeting in open air；T rains meeting in tunnel

U238；O35

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.27

1003-1995（2016）10-0101-04

2016-05-06；

2016-06-10

中国铁路总公司研发中心课题（J2016T002，J2016T003）

李红梅（1984—），女，助理研究员，博士。