基于橫风非定常的CRH6横截面优化研究

常宁，梁习锋，黄尊地, ，尹志春，黄俞铭，郑炯杰，莫广杏



基于橫风非定常的CRH6横截面优化研究

常宁1，梁习锋2, 3，黄尊地1, 2, 3，尹志春4，黄俞铭1，郑炯杰1，莫广杏1

(1. 五邑大学 轨道交通学院，广东 江门 529020； 2. 中南大学 交通运输工程学院，湖南 长沙 410075；3. 中南大学 轨道交通安全教育部重点实验室，湖南 长沙 410075；4. 中车广东轨道交通车辆有限公司，广东 江门 529100)

结合Lisp语言参数化建模和列车空气动力学横风非定常理论，对高架上运行的CRH6型城际动车组横断面进行优化研究。在对正交试验的参数化模型划分网格的基础上，进行充分的横风定常计算，进行非定常计算记录监测数据，研究列车周围的非定常流场特性，对数据进行时域和频域特性的分析，得到优化方案。研究结果表明：定常横风作用下，列车气动力及周围流场都呈现明显的非定常特性，并有周期性；非定常主振频率与来流横风风速呈线性递增关系，在0~3 Hz范围内；综合考虑倾覆力矩的最大值和幅值对列车运行安全的影响，最终确定CRH6横断面优化结果。

横风；非定常；横断面；优化研究；倾覆力矩

和谐号CRH6型城际动车组是为满足中国区域经济快速发展和城市群崛起对城际轨道交通的需求而研制的一种新型运输工具。在珠三角台风等橫风环境下运行，列车的横向运行稳定性至关重要[1]。开展列车横断面优化设计，可有效缩短新车体的设计周期，提高车体设计的效率，在城际动车组的研发制造中占有重要地位。在列车的外形优化中，SUN等[2−3]提出了结合遗传算法或混合遗传算法进行优化的方法，在一定程度上减少流场计算次数，缩短设计周期；李明等[4]提出了基于Isight软件建立参数化驱动的高速列车头型气动性能自动计算的优化分析方法，提高了优化计算效率。基于参数化建模、正交试验及遗传算法等较好的优化组合也可以很好应用在列车横断面的优化上。张洁等[5]对强侧风作用下客车的气动外形进行了优化，利用CFD技术和类比法对列车横断面气动外形进行了详细的研究。但越来越多的研究表明，在强橫风作用下，车体的气动力及倾覆力矩等呈现出明显的非定常特性[6−12]，所以基于橫风作用非定常特性下，对城际动车CRH6横断面的参数化优化设计具有现实意义。

1 计算模型

1.1 参数化建模

lisp语言最早为麻省理工学院为研究人工智能而开发的，这种编程语言主要为括号加命令构成的列表，在CAD软件二次开发中得到很好的应用，所以既可以为设计工程师转化为图纸，又可以输出通用IGES格式进行自动网格划分。

横截面外形的分析建立在原型横截面的基础上，由圆弧和线段组成。采用lisp语言能够保证圆弧与圆弧之间的平滑连接，还可以通过多段圆弧逼近法来达到圆弧与线段之间的平滑过渡，程序编写完成后封装，得到的CRH6横截面参数化设计封装界面如图1所示。横断面中每一个参数在允许范围内均可改变，并保证过渡平滑符合制造工艺要求；车辆断面在一线还是二线可以选择；并以通用格式保存的指定位置，供网格划分软件调用。为了控制后续工作的计算量，暂取3个参数变量，即5，2和6，表示的含义分别为列车最宽处距轨面高度、车顶侧墙的过渡弧半径和底架侧墙的过渡弧半径。

图1 横断面参数化设计封装

1.2 网格模型

CRH6型城际动车组是8车编组，近轨面运行，设备舱距离轨面0.2 m，应充分考虑道床和钢轨对动车组气动性能的影响；同时，珠三角城际线路基本为高架形式，应建立车辆、钢轨、道床和高架桥的耦合模型，轨面距离地面12.75 m。车辆运行工况对横断面的影响是类似的，选择二维模型可以更好的分析横断面的气动特性并进行优化。

图2 横断面及高架桥网格剖分图

将参数化模型自动导入网格离散软件中，生成附面层网格，其中第一层附面层网格厚度为5 mm，同时对动车组横断面、钢轨、道床、高架桥及空气域进行网格划分，最后网格总数为60万左右，局部网格如图2所示。

2 橫风非定常算法

2.1 计算方法

最大风力设置为珠三角地区有记录的最大台风风速，为17级风，即来流风速为60 m/s，经计算得到马赫数为0.176，小于0.3，按不可压流处理；最小风速取6级风，风速为12 m/s，计算得到雷诺数约为3*106，大于105，按湍流处理。压力与速度耦合处理方式选用SIMPLE算法，方程离散格式采用二阶迎风格式，时间差分格式为二级隐式，稳态计算时选用Standard-双方程湍流模型，非定常计算时采用分离涡湍流模型。

为了保证车体横断面附近流场充分湍流，首先进行稳态计算，迭代次数为30 000次，从残差的监控图中可以明显的看出，前面几千次迭代时逐渐趋于稳定，后面会发生周期性波动的非定常规律；稳态的湍流计算作为非定常的初始解，经反复试算，最终确定非定常时间步长为0.01 s，每一个时间步长内进行30次子迭代，通过监测列车倾覆力矩气动参数等保证每一个时间步长内计算的收敛。先计算500个时间步长，让非定常湍流再次充分发展；然后再计算500个时间步长，输出横向力、升力和倾覆力矩等气动力参数变化及附近监测点的压力波动情况。

(a) 横向力时程曲线；(b) 横向力频谱分布情况；(c) 升力时程曲线；(d) 升力频谱分布情况；(e) 倾覆力矩时程曲线；(f) 倾覆力矩频谱分布情况

2.2 列车非定常气动特性分析

图3为CRH6原型车的各项气动力参数的时域和频域的变化情况。从时域变化图中可以看出横向力、升力和倾覆力矩都呈现明显的非定常特性，而且有固定的周期性；从频域分布图中，可以清醒的看到列车在橫风作用下所受到的非定常气动力的特征频率主要集中在低频范围内，主要峰值为1.923 Hz。

表1中列出了列车非定常气动特性与风速的关系，随着来流风速的增加，列车侧向力、升力和倾覆力矩的最大值、最小值和幅值均呈现递增趋势；列车的激振频率也随之线性增加，范围在0~3 Hz，与文献[6]等有很好的对应关系，且与列车系统本身存在的一些固有振动频率接近，存在强橫风下列车运行安全及引发列车脱轨倾覆的可能性。

斯特劳哈尔数(Strouhal number)是流体力学中讨论物理相似与模拟时引入的相似准则，考虑具有特征频率的圆周运动时要使用斯特劳哈尔数进行评判，其具体表达式为：

其中：为漩涡脱落频率，Hz；为特征长度，本文中为车体高度，m；为来流速度，即橫风风 速，m/s。

不同橫风风速下，斯特劳哈尔数的计算值如图4(d)所示，其数值在0.1~0.2之间，这与文献[9]等有很好的对应关系。

表1 非定常气动特性与风速的关系

(a) 气动力最值变化曲线；(b) 气动力幅值变化曲线；(c) 主振频率变化曲线；(d) 斯特劳哈尔数变化曲线

综上所示，本文得到的气动力数据、激振频率及计算得到的斯特劳哈尔数等跟国内外其他文献有很好的验证，同时具有更好的周期性。

2.3 列车周围非定常流场特性分析

列车各项气动力参数的非定常周期性波动，必定与橫风作用下列车周围的流场变化有关系。图5列出了CRH6横断面周围流场的监测点以及不同时刻下流场的变化情况，主要反映其涡量云图的变化。可以看出，在定常橫风作用下，列车背风侧流动非常复杂，产生了许多不同空间尺度的涡。从记录有效数据开始，在0.5 s内，CRH6横断面周围的流场也发生周期性的变化，脱落涡不断的从车体、钢轨、道床和高架桥前流场分离处产生，并不断向后运动，同时伴随着合并和脱落。涡的运动规律具有随机性，但也有周期性，这种非定常的流动规律也是列车非定常气动力产生的原因。

(a) 监测点布置图；(b) 0 s；(c) 0.2 s；(d) 0. 4 s

从记录有效数据开始，对各测点的静压力随时间的变化历程进行了记录和存储。受本文篇幅限制，仅列出离列车壁面较近的1和2测点，以及在二线外侧的3和4测点。图6显示了4个测点的静压时程曲线，可以看出，4个测点的静压力不是静止不变的，而是呈现了典型非定常特性，具有周期性的波动规律。同时对其进行傅里叶频谱分析，得到其振动主频约为2 Hz，与图3中列车所受的气动力参数的主频具有很好的对应关系。

3 优化结果分析

本文3个参数变量，即5，2和6，表示的含义分别为列车最宽处距轨面高度、车顶侧墙的过渡弧半径和底架侧墙的过渡弧半径。根据初步的设计需要，每个因素选择3个水平，1个三因素三水平的实验，按全面实验要求，须进行3^3=27种组合的实验；若按L9(3^4)正交表安排实验，只需作9次。三因素三水平构成表2的前9个试验组，都是正交分布的，没有2个水平是交叉的；但是构建三元二次回归方程求解10个未知参数，需要10个封闭的方程组，所以表2中又加上了原型车的数据。完成10个完整参数组合的流场计算后，得到表2中气动力数据。

(a) 监测点1静压力时程曲线；(b) 监测点2静压力时程曲线；(c) 监测点3静压力时程曲线；(d) 监测点4静压力时程曲线

表2 计算结果统计表

侧向力和升力对最后的倾覆力矩都有贡献，所以在后期的寻优中，主要分析倾覆力矩的数值。分别将倾覆力矩最大值和幅值作为目标函数求极值，得到的优化结果见表3。

倾覆力矩绝对值最大值的拟合函数为：

倾覆力矩绝对值幅值的拟合函数为：

表3 CRH6横断面优化结果

从拟合公式可知，倾覆力矩的最大值与5和6的关联系数的绝对值分别为19.428 8和11.671 1，同时幅值与5和6的关联系数的绝对值分别为2.573 6和3.972，相比较2，5和6对列车倾覆力矩的贡献值较高，即列车最宽处距轨面高度和底架侧墙的过渡弧半径对列车倾覆稳定性的影响因子较大。经寻优后得到的结果中，倾覆力矩最大值最小和幅值最小的结果分别为方案1和2所示，在倾覆力矩最大值优化结果同在5%以内的情况下，2中倾覆力矩的波动幅值优化减小了21.4%，所以最终CRH6横断面优化结果5，2和6分别为1 425，400和800 mm。

5 结论

1) 定常橫风作用下，高架上运行的列车横向力、升力、倾覆力矩以及周围流场都呈现明显的非定常特性，有周期性；非定常气动力及周围流场的特征频率主要集中在低频范围内，主振频率在0~3 Hz范围内。

2) 列车最宽处距轨面高度、底架与侧墙的过渡弧半径对列车倾覆稳定性的影响较大。

3) 相对比定常分析中只考虑倾覆力矩最大值，非定常分析要同时考虑倾覆力矩最大值和幅值对列车运行安全的影响。在倾覆力矩最大值优化结果同在5%以内的情况下，方案2中倾覆力矩的波动幅值优化减小了21.4%，所以最终CRH6横断面优化结果5，2和6分别为1425，400和800 mm。

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Optimization research on cross-section of CRH6by unsteady aerodynamic characteristics under crosswind

CHANG Ning1, LIANG Xifeng2, 3, HUANG Zundi1, 2, 3, YIN Zhichun4, HUANG Yuming1, ZHENG Jiongjie1, MO Guangxing1

(1. School of Rail Transportation, Wuyi University, Jiangmen 529020, China; 2. School of Traffic & Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 3. Key Laboratory of Traffic Safety on Track, Ministry of Education, Central South University, Changsha 410075, China; 4. CRRC Guangdong Co., Ltd, Jiangmen 529100, China)

Combined parametric modeling based on Lisp language and unsteady aerodynamic theory of train under crosswinds, cross section of CRH6intercity EMU which is common running on an elevated bridge is optimized. On the basis of orthogonal test, parametric models are meshed; firstly steady calculation under crosswind is fully simulated, and then unsteady calculation is carried out; monitoring date is recorded to research the unsteady flow field characteristics of the train around; finally, optimization results are got by the data of time domain and frequency domain characteristics. The results show that: under steady cross-wind effect, train aerodynamics’ force and flow field around are all showed significantly unsteady characteristics, and cyclical; the relationship between unsteady main vibration frequency and flow cross-wind wind speed is linearly increasing, whose range is between 0 to 3 Hz; considering the operating safety effect of the train by the maximum and the magnitude of overturning moment, the final cross-section optimization results are determined.

crosswinds; unsteady; cross section; optimization research; overturning moment

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2018.11.002

U270.2

A

1672 − 7029(2018)11 − 2730 − 08

2017−09−30

高速铁路基础研究联合基金重点资助项目(U1334205)；广东省青年创新人才类资助项目(2016KQNCX172)；广东大学生科技创新培育专项资金(“攀登计划”专项资金)立项项目(pdjh2017b0520)

黄尊地(1987−)，男，山东嘉祥人，讲师，博士，从事轨道交通空气动力学研究；E−mail：wyuhzd@163.com

(编辑 蒋学东)