隧道交会最不利长度下高速动车组转向架 气动力变化规律研究

黄尊地，陈传仰，常宁，徐忠伟

（1.五邑大学 轨道交通学院，广东 江门 529020； 2.广州铁道车辆有限公司，广东 广州 510800）

转向架是保证车辆运行品质的关键部件. 列车在隧道内运行及交会时，转向架不仅受到轮轨的载荷，还承受气动载荷，当列车编组长度、运行速度、隧道长度不同时，引起的气动载荷也不相同. 文献[1-4]研究了不同时速列车的最不利隧道长度. 目前隧道列车空气动力学问题的研究较多[5-7]，但对转向架气动特性的研究偏少. Guo等[8]研究了侧风作用下转向架几何复杂性对高速列车气动性能的影响. Dong等[9]研究了转向架的简化效果对周围流场和气动性能的影响，Wang等[10]结合转向架结构形状和运行环境开展了积雪影响高速列车转向架的研究. 蔡华闽等[11]建立列车空气动力学模型，开展了不同车速无横风风速的数值模拟，分析了动车和拖车转向架的气动性能，其中头车位端转向架1的阻力最大. 郑循皓等[12]采用数值计算方法开展了高速列车转向架空气阻力的数值模拟研究，在无侧风条件下，头车位端转向架1阻力最大；当有一定横风风速时，转向架4的阻力最大（转向架编号详见图1所示）.

既有研究均集中在横风环境下转向架的气动载荷分析上，隧道内尤其是最不利隧道长度下列车交会造成的转向架气动载荷的变化未见系统研究. 鉴于此，本文开展高速动车组在最不利隧道长度下交会的数值计算工作，用动模型试验验证其准确性；基于验证后的网格模型和数值算法，计算高速动车组转向架的气动载荷，分析其阻力、横向力和升力的变化规律.

1 计算模型

1.1 动车组模型

本文研究动车组转向架的气动载荷，需要对动车组车体表面的突出部件进行简化，即忽略车门窗结构、去掉受电弓和雨刮等，对车体进行光滑处理. 列车中部截面不变，缩短的模型不改变列车流场结构的基本特征. 为了节省成本、减小计算量，缩短了CRH2动车组的计算长度，简化后的CRH2动车组由“头车+中间车+尾车”三节车组成，车体全长77.4 m，最大宽度3.38 m，最大高度3.7 m，头车和尾车长度都为25.7 m，中间车长度为25 m，风挡高度为0.5 m. 整车结构如图1-a所示. 从头车往后到尾车的转向架分别被命名为bogie1、2、3、4、5和6，具体如图1-b所示.

图1 动车组计算模型

1.2 隧道及计算域模型

本文采用单孔双线隧道研究列车隧道交会的气动特性，其横截面积为100 m2，线间距为5 m，半径为6.87 m；根据文献[1-4]的计算，列车三车编组（长度为77.4 m）最不利隧道长度为300m左右，所以隧道长度选择300m. 为了防止车尾尾涡及列车风对初始边界条件产生影响，需要保证车尾 距离空气域的距离大于20H（H为车高），本文外围空气域的长度定为300m；外围空气域的高度需要大于15H，本文高度设置为60 m；为了后期划分网格的方便以及保证网格的质量，外围空气域的宽度设置为120 m，具体如图2所示.

图2 隧道计算模型

1.3 边界条件

根据计算域的设置，本文仿真模拟计算所涉及的边界条件有：压力入口、压力出口、壁面和交换面，具体如图3所示.

图3 边界条件

1）压力入口和压力出口，二者并没有本质上的区别，只是定义压力进出的方向相反. 模拟隧道内两车交会时，小域选取车前进方向的面为压力入口，车后方的面为压力出口；大域选取其中一侧的面为压力入口，另一侧的面即为压力出口.

2）壁面有固定壁面和滑移壁面两种，动车组是移动的，所以选用的壁面全都是固定壁面. 高速动车组车体、隧道、山体面以及外围空气域的上下左右都应定义为固定壁面.

3）交换面是相互移动的滑移网格交换信息的面，即小域1和小域2外围的上下左右4个面都设置为滑移交换面，空气域3与小域1、小域2接触的面也设置为交换面，这样通过车对域和域对车的交换面互相交换流场信息，就可以分析两列车在隧道内交会所引起的压力变化，进而分析得出交会时转向架的气动载荷规律.

1.4 网格模型

1）小域的网格划分

本文采用混合网格对小域1和2进行离散. 为开展离散工作，采用长宽高分别为80 m、4 m、4 m的小计算域将三车编组的CRH2型动车组单独切分，包含列车的小计算区域底部距离大计算区域底部0.1 m；车头、转向架以及风挡部分采用0.068 m的网格尺寸进行离散，其余部位网格尺度为0.1 m；在车体底面与小计算区域的底面设置网格离散控制函数，起始尺寸为0.1 m，增长因子为1.01，最大尺寸为0.2 m，整体网格畸变度为0.84，具体如图4所示. 最后对包含车的移动小域前后两个小体进行结构化网格划分.

图4 局部网格

2）空气大域的网格划分

外围空气大域包含了3个部分：2个长宽高分别为300 m、120 m、60 m包围车的大域和长度为300 m的隧道. 首先建立这3个域，并利用布尔运算把这3个域合成1个域；利用面切块工具将整个域切成若干个底面为四边形的块，生成结构化网格；离散线时设置一个向外扩散的比例因子，使得靠近车附近的网格密集、靠近边界的网格稀疏，这样既可以控制网格的数量，又可以保证网格的质量. 本文选取的扩散因子为1.04，生成的结构化网格质量为0.5，满足计算的质量要求. 最终整体网格数量为1 300万左右，具体如图5所示. 列车是近地运行的庞大、细长物体. 当列车高速运行时，若取列车长度为其特征长度，那么列车外部流场雷诺数Re＞106，流场处于湍流状态，因此可采用工程广泛应用的雷诺平均RANS（k-ε双方程）湍流模型. 计算列车通过隧道的空气动力学问题，气体按三维可压缩处理，仿真时选择适合可压缩流体的SIMPLE算法. 在求解过程中，压力、流速、密度、力矩、能量、湍流动能和湍流动能耗散率均采用Second order upwind精度格式，松弛因子选择使数值解稳定性高的参数组合.

图5 整体网格

2 试验验证

本文采用动模型试验对网格和数值计算方法进行验证. 试验中隧道断面布置如图6-a所示，模型实物照片如图6-b所示.

图6 动模型试验

试验前先对设备和仪器进行检测，以保证每次试验的准确性. 试验中动车组运行速度为350 km/h，没有横风风速，监测点布置在车体中部和隧道内表面. 为了保证试验整体的精确性，本文对工况进行重复性试验. 试验中列车通过隧道时，隧道壁面监测点压力变化与数值计算结果的对比如图7-a所示；两车交会瞬间，动车组车体表面监测点压力变化与数值计算结果的对比如图7-b所示. 由图7可知，动模型试验测得隧道表面和动车组车体表面测点压力随时间的变化历程与数值计算结果规律一致；数值计算值略大于动模型试验值，但二者相差不大，误差在5%以内，满足工程精度要求. 由此可知，本文数值计算方法是正确可信的.

图7 动模型试验结果与计算结果的对比

3 结果分析

3.1 压力云图分析

高速动车组进出隧道和在隧道交会时产生剧烈的压力波，转向架部件结构复杂，其受力情况和表面压力变化剧烈. 选用350 km/h和300 km/h动车组不等速交会的工况，以车速350 km/h的动车组为观察车，分析其头车进入隧道时、尾车进入隧道时、隧道内两车头车与头车交会时、隧道内两车头车与尾车交会时、隧道内两车尾车与尾车交会时、头车出隧道时、尾车出隧道时等7个关键时刻的压力云图，具体如图8所示，其中top表示视角从上往下看，bottom表示从下往上看.

图8 转向架表面压力云图

从图8可以看出，动车组运行至某一时刻位置时，不同转向架的受力情况和表面压力不一样；运行至不同时刻位置时，同一转向架的受力情况和表面压力不一样.

3.2 气动力分析

由图8可知，在动车组进入隧道、隧道内运行和离开隧道的过程中，引起压力上升的压缩波和导致压力下降的膨胀波在整个隧道内往复传播，形成较为复杂的马赫波系，使列车表面压力波动剧烈，同时影响各转向架的表面压力分布，尤其是头车和尾车的转向架. 各转向架阻力随交会速度的变化规律如图9所示. 由图9可知，各转向架阻力的变化规律类似，但是尾车的转向架阻力较大，尤其是转向架6的阻力最大. 转向架6阻力的最大值随交会速度的变化规律如图9-b所示，其最大值随动车组交会速度的增大而增大，与速度的二次方成正比关系.

图9 阻力变化规律

动车组进入隧道、隧道内运行和离开隧道的过程中，各转向架受到的侧向力波动剧烈；受隧道内压力波动的影响，侧向力会改变受力方向，使转向架运行稳定性受到影响. 各转向架侧向力的变化规律类似，但头车和尾车的转向架侧向力波动较大，尤其是转向架1和6的侧向力极值和幅值较大，中间转向架的侧向力数值接近. 转向架1和6侧向力的极值和幅值随交会速度的变化规律如图10和图11所示，其侧向力的极值和幅值随动车组交会速度的增大而增大，与速度的二次方成正比.

图10 侧向力极值变化规律

图11 侧向力幅值变化规律

动车组进入隧道、隧道内运行和离开隧道的过程中，各转向架受到的垂向力波动剧烈；受隧道内压力波动的影响，垂向力会改变受力方向，使转向架运行稳定性受到影响，尤其是点头运行剧烈. 方向向上的垂向力称为升力，升力影响轮轨黏着，进而影响列车牵引与制动，危害较大. 各转向架升力极值的变化规律类似，其随交会速度的变化规律如图12所示. 由图12-a可知，不同速度下，动车组中间车转向架的升力极值比头车和尾车转向架的小，其中头车转向架2的升力极值最大. 由图12-b可知，各转向架升力极值的变化规律类似，均随动车组交会速度的增大而增大.

图12 升力极值变化规律

各转向架垂向力幅值的变化规律类似，其随交会速度的变化规律如图13所示. 由图13-a可知，动车组低速交会时，各转向架的垂向力幅值差别不大，但当动车组运行速度超过250 km/h，即高速交会时，转向架位置越靠前垂向力幅值越大，列车点头运动越剧烈；由图13-b可知，各转向架垂向力幅值的变化规律类似，均随动车组交会速度的增大而增大.

图13 垂向力幅值变化规律

4 结论

本文通过动模型试验验证了数值计算方法的有效性，基于验证的数值计算方法，得到了各转向架的气动力变化规律：

1）在动车组进入隧道、隧道内运行和离开隧道的过程中，各转向架受到的压力波动剧烈（尤其是头车和尾车的转向架），影响了列车运行的舒适性、稳定性和安全性.

2）各转向架阻力的变化规律类似，尾车转向架6的阻力最大，该阻力的最大值和幅值随动车组交会速度的增大而增大，与速度的二次方成正比.

3）各转向架侧向力的变化规律类似，头车转向架1和尾车转向架6的侧向力最大，该侧向力极值和幅值随动车组交会速度的增大而增大，与速度的二次方成正比.

4）各转向架升力的变化规律类似，头车转向架2的升力最大；当动车组低速交会时，各转向架的升力幅值差别不大，但当动车组运行速度超过250 km/h（即高速交会时），转向架位置越靠前升力幅值越大.

后期我们可以进一步遴选合适的工况或者运行状态，通过风洞试验，应用测力天平直接测量出各转向架的阻力、侧向力和升力，以验证转向架气动力的变化规律. 亦可研究分析转向架气动力的变化规律以及最危险的转向架位置，为“先进轨道交通国家重点研发计划项目：自适应转向架设计”提供动力学分析的理论依据.