横向风作用下某CRH6型动车组在不同线路断面结构下运行的气动特性分析

周 鹏 曹从咏 宣守旺

(南京理工大学自动化学院，210094，南京//第一作者，硕士研究生)

列车在平地、路堤、桥梁等不同的承载结构上运行时的气动性能明显有所区别[1-2]。与无风环境相比，列车在侧风作用下运行时产生的流场不再具有对称性，其气动性能表现更差，运行安全性相应降低。当侧向风较大时，列车受到的倾覆力矩过大，则可能发生侧翻甚至脱轨的安全事故[3-5]。因此，研究列车在不同线路条件下受到横风作用时的气动性能对其安全性分析尤为重要。

文献[6-8]的研究成果表明：当车速及风向角一定时，侧风速度越大，列车受到的侧向力及倾覆力矩越大；当车速及风速一定时，风向角为90°时，此时侧风即为横向风，列车受到的侧向力及倾覆力矩最大。而列车实际运行时受到的大气风方向变化不定。本文以CRH6型动车组列车为研究对象，以列车在横向风作用下为最不利工况，分析列车在平地、路堤及桥梁等不同承载结构上运行时的气动特性。

1 仿真计算及方法

1.1 车-线路断面结构模型

由于实际列车及线路断面结构很复杂，细节特征极多，计算数据过于庞大，在仿真计算中难以全面实现。因此，有必要对几何模型进行适当的简化：

1) 缩短列车编组长度。动车组采用“前车+中间车+尾车”方式的3节编组。列车总长度为74.5 m。每节车辆长度均为24.5 m，车辆高度为3.86 m、宽度为3.2 m，相邻车辆之间的风挡长度为0.5 m。

2) 假设车体表面光滑。相邻车辆之间的风挡简化为光滑曲面；忽略门把手、车窗、车灯、受电弓等凸起物；忽略转向架结构，但保留其位置，以模拟转向架位置处产生的涡流效应。列车简化模型的侧视图如图1所示。

图1 某CRH6型动车组列车简化模型侧视图

3) 简化线路断面结构。本文参考了文献[6-9]，忽略道床、轨道及桥墩等断面结构，并预留了一定的轨道高度，分别建立车-线路断面结构的简化模型，如图2所示。其中，路堤距离地面高度为5 m，桥梁距离地面高度为15 m；路堤斜坡与地面的夹角约为34°，桥面坡度为2%；列车处于路堤及桥梁上的迎风侧位置(横向风方向沿Y轴正向)。由于平地断面结构相对简单，本文不单独列出。

图2 不同车-线路断面结构简化图

1.2 计算域划分

计算域需根据具体的线路断面结构及横向风的大小确定，要尽量保证边界流动对列车绕流流场影响最小。理论上，计算域应当在列车外围的无穷远处。由于实际计算能力无法满足无穷远计算域的要求。因此，本文在保证计算精度的前提下，对计算域经过多次试算，最终统一确定了不同线路断面结构下列车在横向风作用中的计算域(如图3所示)。整个计算域长为494 m，宽为340 m，高为100 m；计算域的参数取值见表1。

图3 不同线路断面结构下的计算域划分图

参数含义取值列车头到等效风入口面(inlet面)的距离160 m列车尾到等效风出口面(outlet面)距离240 m列车左侧到横向风入口面(wind_inlet面)最小距离约96 m列车右侧到横向风出口面(wind_outlet面)最小距离约240 m

在列车附近还要划出长174 m、宽20 m、高为15 m的长方体区域，主要用于网格加密。

1.3 网格划分及边界条件

网格划分策略与计算域中的几何模型形状密切相关。本文结合结构网格和非结构网格的优势，采用了混合网格划分策略，对计算域进行分块网格划分。在图3中，小方块区域内采用四面体网格和三棱柱网格进行空间离散，其外围区域采用较粗的六面体网格，内外体网格通过交界面连接。不同线路断面结构下的整个计算域划分的表面网格结果如图4所示。

图4 不同线路断面结构下的网格划分图

网格尺寸从车体表面由近及远逐渐变大，并在车头、车尾、风挡等流场变化较大的地方适当加密。在列车表面附近划分了3层边界层网格，其中第1层网格节点到列车表面的最小法向距离为1.5 mm，指数增长率为1.5。合理控制表面网格分布节点。

平地、路堤及桥梁等3种线路断面结构下的整个计算域网格总数分别约为183万个、187万个及202万个。

本文采用风洞模拟方式，根据相对运动原理，假定列车静止，通过给定等效风速来模拟列车相对运动的情况。结合图3，具体边界条件设置如下：

1) 速度入口：inlet处的等效风速度为180 km/h，方向沿x轴正向；wind_inlet处的横向风速度设定为0～40 m/s(计算步长10 m/s)，方向沿y轴正向。

2) 压力出口：outlet、wind_outlet均为压力出口，相对静压为0，参考压力为101 325 Pa。

3) 壁面边界：列车表面为静止壁面，粗糙度为0.045 mm ；ground为移动壁面，速度为180 km/h，方向沿x轴正向，粗糙度为0.3 mm；ceil为静止无滑移壁面。

2 计算结果与分析

本文通过CFD软件对列车在横向风环境下不同线路断面结构上运行时产生的绕流流场进行数值模拟，得到了不同大小的横向风作用下列车在不同线路断面结构上运行时的气动规律。

2.1 列车的气动力系数及气动力矩系数

列车运行过程受到的气动力如图5所示。

图5 列车运行过程受到的气动力示意图

为了便于比较分析，结合图5，并参考了文献[10]，对力及力矩进行无量纲化处理，定义气动力系数及气动力矩系数为：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：

k——车厢编号，按头车起编，按序递增；

i——x，y，z方向；

cxk——第k节车的阻力系数；

cyk——第k节车的侧向力系数；

czk——第k节车的升力系数；

mxk——第k节车的侧滚力矩系数；

myk——第k节车的点头力矩系数；

mzk——第k节车的摇头力矩系数；

Fik——第k节车在i方向上受到的力；

Mik——第k节车所受绕i方向旋转的力矩，矩点为车厢质心；

Aik——第k节车在i方向上的正投影面积；

Bk——第k节车最大横向宽度；

v1——列车速度；

v2——侧风风速；

v3——合成风速；

ρ——空气参考密度，取1.225 kg/m3；

α——风向角，横向风工况下取α=90°。

2.2 阻力系数变化规律

模拟得到的列车阻力系数变化曲线如图6所示。经分析，阻力系数变化有如下规律及特点：

图6 列车阻力系数变化曲线图

1) 由于该列车头部流线型较差，当列车在3种线路断面结构上运行时，头车、尾车在无风环境下的阻力系数均已超过了文献[11]给出的列车阻力系数上限建议值0.3，因此，车头流线型形状需要进一步优化。

2) 当风速为10 m/s时，列车在路堤上运行时，头车的阻力最小而尾车阻力最大。随着风速增大，头车在3种线路断面结构下的阻力系数及尾车在路堤上的阻力系数均相应减小，其阻力方向始终沿列车运动反方向；而尾车在平地、桥梁上的阻力系数先减小后反向增大，其阻力变化出现拐点。

3) 当风速在10～20 m/s之间变化时，尾车在平地上的阻力系数变化较快；当风速约为20 m/s时，相比在桥梁上，尾车在平地上更早出现阻力系数变化拐点。

2.3 侧向力系数变化规律

模拟得到的列车侧向力系数变化曲线如图7所示。经分析，侧向力系数变化有如下规律及特点：

图7 列车侧向力系数变化曲线图

1) 无横向风作用时，列车几乎未受到侧向力的作用，列车侧向力系数几乎均为0。

2) 当风速为10 m/s时，头车在路堤上的侧向力系数最大，尾车在桥梁上的侧向力系数最大。

3) 随着风速增大，头车、尾车在平地、桥梁、路堤上的侧向力系数总体呈增长趋势，但当风速达到约30 m/s时，头车在桥梁、路堤上的侧向力系数略有降低，而尾车在桥梁上的侧向力系数明显比在路堤、平地上大。

4) 根据计算结果，列车在3种线路断面结构上运行时，头车的侧向力系数始终大于尾车和中间车。

2.4 升力系数变化规律分析

模拟得到的列车升力系数变化曲线如图8所示。经分析，升力系数变化有如下规律及特点：

1) 当无横向风作用时，列车在3种线路断面结构上运行时，头车受到的升力较小并向下，对轨道有垂向的压力；尾车受到的升力较大并向上，有上翘的趋势。

2) 当列车受到横向风作用后，头车的气动升力迅速变为正值。

3) 与头车、中间车相比，当风速超过20 m/s时，尾车的升力系数最小。

4) 横向风作用下，列车在路堤上运行时的升力系数始终最大，平地上始终最小。

图8 列车升力系数变化曲线图

2.5 侧滚力矩系数变化规律分析

模拟得到的列车侧滚力矩系数变化曲线如图9所示。经分析侧滚力矩系数变化有如下规律及特点：

图9 列车侧滚力矩系数变化曲线图

1) 无横向风作用时，由于列车受到的侧向力几乎为0，升力较小，因此，侧滚力矩系数几乎为0。

2) 随着横风速度增大，列车在路堤、平地上的侧滚力矩系数均增大，路堤上增长较多。

3) 与中间车和尾车相比，头车的侧滚力矩系数在路堤、平地上始终最大，在桥梁上先增加后减小。

4) 当风速超过30 m/s时，列车在桥梁上运行时，头车的侧向力减小多，升力增加少，其侧滚力矩系数有所降低，而尾车受到的侧向力及升力均有所增大，其侧滚力矩系数则有所增大。

3 结论

受线路断面结构的影响，列车在平地、路堤、桥梁上运行时气动特性差异较大，如果受到横向风作用，这种差异性更加明显。本文通过CFD数值模拟方法主要研究了某CRH6型动车组在不同线路断面结构上运行时气动参数随横向风风速变化的规律，得到的主要结论如下：

1) 在无横向风环境下，头车、尾车的阻力系数较大，已经超过了建议值，当受到横向风作用时，头车的各项气动系数变化更大，其气动性能较差，由此说明，列车头部流线型较差，需要进一步优化。

2) 在横向风作用下，列车在3种线路断面结构上运行时，头车均承受了最大的侧向力，而尾车在桥梁上的侧向力最大。

3) 不同于平地，列车在路堤、桥梁上运行时横向风对列车的气动升力影响较大，而路堤上列车受到的气动升力始终最大。

4) 除了当风速超过30 m/s时，列车在桥梁上运行的情况外，侧滚力矩系数变化趋势与升力系数变化趋势大体相同，由此说明，侧滚力矩不仅仅是由侧向力产生，升力对侧滚力矩的贡献不容忽视。