风沙环境下列车气动性能的研究*

2020-05-20郭佳梁张学飞周朝晖

铁道机车车辆 2020年2期

郭佳梁，张学飞，周朝晖

(1 常州大学轨道交通学院，江苏常州 213100；2 兰州交通大学机电工程学院，兰州 730070)

2014年兰新高铁开通，是我国西部高寒高温高风沙地区修建完成的第一条高速铁路线，从设计开始很关注风沙的影响[1-2]。李田基于车辆-轨道耦合动力学和空气动力学提出了一种计算沙尘暴环境下高速列车运行安全的半耦合求解方法，并依此研究了横风沙情形时列车横向力的特征[3]。倪守隆以CRH3列车3编组为原型，在对真实高速列车的表面做光滑处理(忽略转向架和风挡等)后，采用欧拉双流体模型对200 km/h到400 km/h速度范围内不同沙粒浓度下气动阻力进行了研究[4]。张传英通过欧拉双流体模型计算分析了沙尘浓度和横风速度对列车气动力的影响，得出了沙尘加剧列车气动力值的增幅，影响列车运行的稳定性[5]。宋琛也采用欧拉双流体模型对简化的3编组高速列车在风沙环境下气动特性进行研究，得出了车速小于30 m/s时，总阻力增加6%左右[6]。

通过采用欧拉-拉格拉日模型研究了8编组高速列车在不同的风沙颗粒浓度、风沙颗粒直径、风速的情况下的空气动力学性性能，获得一些风沙环境下高速列车气动性能参数。

1 计算模型与网格划分

1.1 数学模型

主要是计算沙粒对列车气动性能的影响，需要同时考虑到空气和沙粒的耦合作用，所以属于典型多相流中的气固两相流范畴。采用欧拉-拉格朗日方法对风沙进行模拟。在欧拉坐标系下，用一般湍流模型的连续介质处理方法处理气相，在拉格朗日坐标系下处理风沙颗粒相。

(1)颗粒相控制方程

根据牛顿第二定律，得到颗粒相的单个颗粒的运动及轨道方程如式(1)

(1)

式中：mp表示为颗粒的质量；FD表示气体对颗粒的曳力；FC表示颗粒之间与壁面的碰撞力；FM表示颗粒的重力；FO为其他力，包括压力梯度、马格努斯效应力、萨夫曼升力与倍瑟特力。由于文中研究的风沙环境为低浓度的气固两相流，所以在流场中，曳力与重力对颗粒的运动的影响远远大于其余力对于颗粒的影响，因此在计算中忽略其他力的作用，并且不考虑颗粒间的相互碰撞[7]。

(2)连续相控制方程

选取的高Re数SSTk-ω模型，湍动能方程如式(2)～式(3)

μtP-ρβ*kω+μtPB

(2)

耗散率方程为

(3)

耗散率定义为ω=ε/Cμk

1.2 几何模型与计算区域

选用8编组的动车组列车作为研究对象(见图1所示，H=9.7 m)，保留和简化了列车的转向架，风挡等部件，忽略了受电弓、门把手以及其他细节装置，但考虑了轨道。在现实情况中，列车的运行空间无限大，由于计算条件的限制，选取的计算区域如图2所示，其外边界为长方体，计算域宽度为18.9H，高度为11H，车头距离风沙入射口为22H，车尾距离流场出口为44H。由于研究列车稳态运行情形下风沙对于列车气动效应的影响，忽略传热影响，将列车外表面，计算区域外表全部设置为无滑移绝热壁面。

图1 动车组8编组模型示意图

图2 计算区域示意图

1.3 网格划分

网格采用Trimmer(六面体网格)，并在固体壁面上拉伸Prism Layer Mesher(棱柱层网格)。图3和图4分别给出了计算列车周围的网格和轨道网格，计算模型体网格规模在3.1×107规模。

图4 工字钢网格

2 计算结果及分析

2.1 风沙流动特征

图5展示了沙粒直径为220 μm，沙粒浓度为1.0 g/m3且风速15 m/s的情况下，列车以200 km/h的稳定速度行驶过程中风沙的运动轨迹。如图所示列车车头前方的风沙颗粒大部分由于受到列车周围流场的影响而沿着车体两侧散开，部分沙粒与车头迎风面撞击而发生弹跳运动，从而引起沙粒运动轨迹变化，并越过车头向后运动。其余参数下沙粒运动轨迹类同。

图5 列车车头风沙轨迹图

2.2 车速不同时列车气动效应的特点

表1给出了在沙粒直径220 μm浓度为1.0 g/m3且不同风速下列车的气动阻力。从此表中可以得出空气阻力与相对速度(车速与风速之和)成二次方关系(f=0.364 8 (vTR+v)1.98)，且阻力系数在不同速度下基本保持不变。

表1 不同风速下列车气动阻力对比

2.3 风沙颗粒直径对列车气动效应的影响

设定列车模型以200 km/h的速度穿过流场，设置风沙颗粒的浓度为1.0 g/m3且风速为15 m/s。以沙粒的直径分别为50 μm、220 μm及450 μm对列车的气动效应进行数值模拟。图6对比了不同沙粒直径下列车头、尾车表面的压力云图。从图中的压力比对中可以得出，随着沙粒直径的不断增加，头、尾车的正压区域均稍有增大。表2展示了不同沙粒直径对列车气动阻力的对比。由表可以更明确的看出，设置吹入流场的沙粒浓度以及列车速度不变的条件，列车整体阻力随沙粒直径的增大而略有增大，但增幅非常小，也就是说沙粒直径的变化对头、尾车表面压力影响较小。

图6 车头车尾表面压力云图

表2 不同沙粒直径下列车气动阻力

2.4 风沙颗粒浓度对列车气动效应的影响

设定列车模型以200 km/h的速度穿过流场，设置风沙颗粒的直径为220 μm且风速为15 m/s。以沙粒的浓度分别为0.1 g/m3、1.0 g/m3及2.5 g/m3对列车的气动效应进行数值模拟。图7对比了不同沙粒浓度下头、尾车表面的压力云图。列车从无沙环境到射入沙粒，头车部位的正压力等值线有所减小，尾车表面低压区域相对减少，但随着流场中沙粒浓度的不断增加，头、尾车表面压力变化趋于平缓，固相沙粒对列车头、尾车压力分布影响不大。表3给出了不同沙粒浓度对列车气动阻力的对比。从表中进一步得出沙粒浓度对气动阻力影响不大，且气动阻力系数也基本不变。