侧风作用下挡风墙-列车系统的数值模拟

沙海庆, 高 慰, 张泽田

(西南交通大学，四川成都 610036)

随着时代的发展，高速列车趋于轻质化和高速化，这种特点使得列车在侧风环境下的安全性与舒适性降低，列车倾覆事故也时有发生。为了在不限制车速的前提条件下保证列车的安全性与舒适性，高铁线路中的大风区段往往设置挡风墙来降低列车表面的气动力。因此，侧风作用下挡风墙-列车系统气动特性方面的研究日益得到研究者们的重视。

风洞试验、数值模拟以及实车试验是研究列车气动特性的主要方式。相比于数值模拟，风洞试验和实车试验费时费力并且难以进行机理分析，研究者在针对复杂系统的气动特性研究时更加倾向于通过数值模拟的方法。到目前为止，列车气动特性的数值模拟研究较多，列举如下：张敏[1]等通过数值仿真得到列车车在明线交会、隧道交会和单车通过隧道时的气动特性，进而计算了列车的动力响应;孟东晓[2]等通过CFD数值模拟对不同车头形状列车的气动特性进行了比较，并且计算了列车受电弓侧挡板对列车的影响；霍卿[3]等模拟计算了轨道对列车气动特性的影响，得出轨道对列车的气动阻力影响非常明显。同样，研究者挡风墙也进行了一系列的研究。李鲲等[4]通过风洞试验分析了大风环境下不同挡风墙的挡风效果，进而选取挡风墙的主要结构参数；周志鹏等[5]利用CFD数值模拟对不同高度的挡风墙进行计算，研究了挡风墙高度对交会列车的影响。

本文利用CFD模拟平台建立了二维挡风墙-平地列车系统网格模型，在不同风速下对系统的气动特性进行了模拟，同时分析了挡风墙和平地列车相互之间的影响。

1 数值模型及参数定义

1.1 模型尺寸及边界条件

本文采用二维网格模型进行模拟计算，计算域以及列车、挡风墙的尺寸和网格划分如图1所示。计算域整体为矩形，左边为入口(Inlet)，右边为出口(Outlet)，上下边以及列车表面、挡风墙表面为墙(Wall)。挡风墙的高度设置为3 m，厚度设置为0.5 m，挡风墙中心距列车中心4.25 m。列车的外形采用CRH3型列车的横截面，截面高度为3.5 m，宽度为3.2 m，底部距离地面0.2 m。为了减小单元数量并且提高计算效率，模型未考虑列车的轮对以及地面上的轨道。列车表面最小边界层厚度为0.005 m，挡风墙表面最小边界层厚度为0.01 m。网格整体质量较好，最差网格质量系数达到0.6(系数取0～1之间，系数越大表示质量越好)。

1.2 参数定义

气动力系数是气动特性中一个非常重要的参数，其包含了侧力系数、升力系数与力矩系数，系数的定义如下所示：

其中：CH表示侧力系数，CV表示升力系数，CM表示力矩系数；FH、FV与MT分别表示物体受到的侧向力、升力与力矩，具体方向如图1所示，列车的力矩中心为列车横截面形心，挡风墙的力矩中心为挡风墙横截面的右下角部位；ρ表示空气密度，这里取1.225 kg/m3；V表示来流风速，B表示物体宽度，H表示物体高度。

1.3 工况布置

根据本文的研究目的，工况布置如表1所示，其中单一列车模型与单一挡风墙模型的网格分布与挡风墙-列车系统的网格分布相同，在此不详细阐述。

表1 工况分布

2 侧风对挡风墙-列车系统气动特性的影响

列车及挡风墙的气动力系数随风速的变化情况如图2所示。可以看出，当有挡风墙存在时，列车的侧力系数、升力系数与力矩系数为负数，即列车所受侧力方向与来流风的方向相反，升力方向向下，力矩方向为顺时针。而挡风墙的侧力系数、升力系数为正，力矩系数为负，即挡风墙所受侧力方向与来流风的方向相同，升力方向向上，力矩方向为顺时针。值得注意的是，当风速增大时，列车与挡风墙的侧力系数、升力系数与力矩系数绝对值都有减小的趋势，并且升力系数的数值都下降的非常明显。

(a)列车的侧力与风速关系

(b)列车的升力与风速关系

(c)列车的力矩系数与风速关系

(d)挡风墙的侧力与风速关系

(e)挡风墙的升力与风速关系

(f)挡风墙的力矩系数与风速关系

图3为列车在不同风速侧风作用下的流线图。从图中可以看出，风速的变化对系统的整个流场结构影响较小。当侧风遇到挡风墙阻挡时，挡风墙的迎风侧压力变大，同时背风侧压力减小，而气流从挡风墙背风侧(即列车迎风侧)流到列车背风侧时，气流的压力有小幅度的提升，这也解释了为什么挡风墙-列车系统中列车的侧力方向与来流风方向相反。

3 列车与挡风墙的相互影响

将单独列车(无挡风墙)、单独挡风墙(无列车)、挡风墙-列车系统三个模型的气动特性进行比较，进而研究列车与挡风墙之间的相互作用。

(a)风速10 m/s

(b)风速30 m/s图3 不同风速下挡风墙-列车系统的流场图比较

3.1 挡风墙对列车的影响

表2为有无挡风墙时列车的气动力系数对比。可以看出，在无挡风墙时，列车的侧力系数随风速的增大而减小，而升力系数与力矩系数随风速的增大而增大。当有挡风墙时，列车的气动力系数随风速的增大而减小。无挡风墙和有挡风墙这两个工况的气动力系数正负值不同，即这两个工况下列车所受的气动力方向是相反的。同时从两个工况下气动力系数的大小比较中可以看出，挡风墙可以非常有效地减小列车的气动力系数。

表2 有无挡风墙工况下列车的气动力系数比较

图4为有无挡风墙工况的流场图对比，从中可以得知列车在有无挡风墙工况下的流场结构差异非常明显。在有挡风墙阻挡侧风时，列车迎风侧的气压较小，并且还存在较多旋涡，而侧风在没有受挡风墙阻挡并且直接作用在列车车身上时，列车迎风侧的气压较大，这使得列车存在倾覆的隐患。

(a)有挡风墙

(b)无挡风墙图4 有无挡风墙工况的流场图比较

3.2 列车对挡风墙的影响

表3为有无列车时挡风墙的气动力系数对比，其中的μ表示两个工况气动力系数的差距，用公式表示为：

其中：CT与CW分别为有车工况和无车工况下挡风墙的气动力系数。

可以看出，列车的存在使得挡风墙的侧力系数与力矩系数减小，升力系数增大。同时从μ的变化中也可以得出结论，随着风速的增大，两种工况的气动力系数差异也越来越大。为了能够研究其变化机理，有车与无车两种工况的流线图绘制如图5所示，通过流场图可以得知，有车与无车工况下流场差异很大，尤其是挡风墙的背风侧区域。可以看出，列车的存在使得气流滞留在挡风墙背风侧并且形成旋涡，而无车工况下气流在通过挡风墙后并未受到其他物体的滞留，这直接导致了无车工况下挡风墙背风侧的气压比有车工况要小。这种现象也解释了无车工况下挡风墙的侧力系数要比有车工况大。

(a)有列车工况

(b)无列车工况图5 有无列车工况的流场图比较

表3 有无列车工况下挡风墙的气动力系数比较

4 结论

本文通过CFD数值模拟平台对挡风墙-列车系统的气动特性进行了初步计算。通过改变风速研究其对挡风墙以及列车气动力系数的影响，并且通过对比单一列车模型、单一挡风墙模型和挡风墙-列车系统模型，研究了列车和挡风墙之间的相互作用。具体结论如下：

(1)当挡风墙-列车系统受侧风作用时，列车所受侧力方向与来流风的方向相反，升力方向向下，力矩方向为顺时针。挡风墙所受侧力方向与来流风的方向相同，升力方向向上，力矩方向为顺时针，当风速增大时，列车与挡风墙的侧力系数、升力系数与力矩系数绝对值都有减小的趋势。

(2)在研究挡风墙对列车的影响中可以发现，当没有挡风墙时，列车的侧力系数随风速的增大而减小，而升力系数与力矩系数随风速的增大而增大。当有挡风墙时，列车的气动力系数随风速的增大而减小，并且这两个工况下列车所受的气动力方向相反，同时从两个工况下气动力系数的大小比 较中可以看出，挡风墙可以非常有效地减小列车的气动力系数。

(3)在研究列车对挡风墙的影响中可以发现，列车的存在使得挡风墙的侧力系数与力矩系数减小，升力系数增大，并且随着风速的增大，两种工况的气动力系数差异也越来越大。