侧风下桥上高速列车的气动力特性研究

2019-09-03王希理张明禄

四川建筑 2019年2期

王希理，张明禄

(西南交通大学力学与工程学院，四川成都 610031)

随着列车运营速度的提高,强风下高速列车的运行安全问题日益突出[1]。由于强风导致的列车脱轨倾覆事件在世界各个国家中均有发生[2-3]。高速列车在大风环境中运行时，列车运动引起的气流和侧风共同在列车表面产生压力差。当压力差过大时，将危及列车的行车安全性[4]。线路周围地理形状和建筑物能改变气流的流动方向和流速大小[5-6]，列车在侧风中的行车安全性与线路周围环境有重要联系。本文采用分析侧风效应常用的合成风法进行数值模拟[7]，分析计算侧风条件下列车在桥上运动时列车周围的流场结构和气动力分布情况。

1 数学模型

采用大涡模拟( LES) 的湍流模型[8-9]，大涡模拟就是建立一个数学滤波函数，将Navier-Stokes( N-S) 方程中尺度比滤波函数小的涡过滤掉，分离出大涡的运动方程，小涡对大涡的影响由亚格子应力体现。对于瞬时变量U包含所有湍流尺度，但通过滤波函数后就可以将其分解为式(1)。

(1)

经过滤波函数过滤非定常不可压Navier-Stokes方程，得到大尺度脉动的控制方程为：

(2)

2 计算模型

2.1 计算工况

对于分析侧风下高速列车的外流场，本文采用目前国内外通用的合成风法。即列车静止不动，将外界侧风风速(Vw)和与列车运行速度大小相等方向相反的风速(Vt)进行矢量合成组合风速(Vr)，各分量之间的关系(图1)。

图1 风向示意

2.2 计算模型

本文是以CRH2动车组为原型。完整的CRH2动车组列车由多节车厢共同组成，车身较长。如果对整列动车组进行流场和气动力进行仿真计算，计算量会很大，这样对计算机的要求较高，而比较难实现。由于动车组中间车厢横截面相同，所以列车中部的流场结构和气动力的变化都趋于稳定。因此，本文的计算模型采用3节车模型进行数值模拟。即头车25.5 m、中间车25 m、尾车25.5 m，三节车厢组成长为76 m、宽为3.38 m、高为3.7 m的整车计算模型(图2)。

图2 计算模型示意

2.3 计算区域和计算网格

计算区域见图3。其中桥面上方流场高50 m，桥面下方流场高10 m。

图3 计算区域俯视(单位：m)

在划分计算区域网格时由于列车头部和尾部曲面比较复杂，所以列车周围内部区域用非结构网格划分(图4)，外部区域用结构化网格，网格总数约为986×104个，内部区域和外部区域通过Interface面插值传递数据；这样既能控制网格数量又能一定程度上保证计算速度和计算结果的准确性。

图4 列车周围内部区域网格

3 计算结果分析

3.1 侧风下在桥上运行的高速列车流场结构

采用合成风的方法对高速列车的外流场和气动力进行了仿真计算。计算了侧风为30 m/s，时速为250 km/h的高速列车在在桥上的运行状态。图5是列车在桥上运行时流场的总压等值面显示的旋涡位置和形态。从图5中可以看到列车在桥上侧风条件下运行时，也会在列车背风侧产生4个涡(1涡、2涡、3涡、4涡)，在车身背风侧的桥面下也会由于桥梁结构的影响，从前往后产生个多个旋涡。

图5 桥上列车总压等值面旋涡示意

从图5中可以看见侧风条件下列车在桥面运行时，桥面结构引起多个旋涡，列车背风侧会产生4个旋涡和尾部2个尾涡。

从图6中可以发现列车背风侧的1涡产生在列车的顶部，桥面结构下沿背风侧的2个涡向右上方偏移。

图6 桥上距车头10 m处截面总压

从图7中可以发现在距车头64 m处，桥面列车的3涡在列车的顶部形成并开始脱离列车表面，1涡、2涡脱离列车表面向右偏移，尾车背风侧由桥面结构引起的涡在1涡作用下开始向桥面移动。

图7 桥上距车头64 m处截面总压

从图8可以发现在距车头73 m处，桥面列车的3涡脱离列车的顶部，在列车尾部上沿开始产生4涡，尾车背风侧由桥面结构引起的涡上移到桥面上与1涡开始相互作用。

图8 桥上距车头73 m处截面总压

对整体流场结构进行分析，发现侧风条件下，桥面运行列车背风侧有桥面结构引起的旋涡与列车引起的旋涡之间的相互作用(1涡与桥面结构引起的卷上桥面的涡的相互作用)，也有列车引起的3涡与4涡之间的相互作用。

此外还计算了列车时速250 km/h，侧风速度为28 m/s和25 m/s时列车在桥上的运行状态，也可得到相同流场结构，在列车背风侧也会产生4个旋涡，只是由于侧风速度不一样，列车背风侧涡脱的位置有所差别。

3.2 侧风下高速列车在桥上运行的气动力特

图9显示的是侧风速度为30 m/s，列车以250 km/h的时速在桥上运行时整车所受侧力随时间的变化；从图9中可以看出侧风条件下列车在桥上运行时列车的侧力是波动的；侧风下列车在桥上运行的侧力平均值为191 990.15 N，最大波动幅值为214 39.32 N。分别分析各节车厢的侧力，发现列车头车和中间车侧力波动较小，尾车侧力波动最大。

图9 整车侧力随时间变化

图10显示的是侧风速度为30 m/s，列车以250 km/h的时速在桥上运行时尾车所受侧力随时间的变化；从图10中可以看出侧风条件下列车在桥上运行时的尾车侧力波动很大；侧风下列车在桥上运行的尾车侧力平均值为40 134.26 N,最大波动幅值为14 216.54 N。

图10 尾车侧力随时间变化

从图5中整体来看侧风条件下列车在桥上运行时，列车背风侧的旋涡涡系非常复杂，列车在桥面运行时头车和中间车背风侧产生的两个涡比较稳定，所以头车和中间车侧力波动较小。尾车背风侧由桥面结构引起的一个涡会在1涡的作用下卷上桥面，图5和图8中也可看出1涡和尾车背风侧由桥面结构引起的卷上桥面的涡也发生交叉融合；从图5中可以看到2涡脱离列车后会向下偏移至桥面边缘发生衰减破裂；且在桥上运行时3涡和4涡会相互交叉最后合成一个涡，进而还会与一个尾涡相互作用。以上三种情况就引起了侧风下桥上运行列车尾车背风面压力的振荡，从而使得列车尾车侧力剧烈振荡，进而引起整车侧力的大幅振荡。侧风速度为28 m/s和25 m/s时均能得到相同结论。