突变风作用下路堑深度对高速列车气动性能影响
2022-02-19王娇杜礼明
王娇,杜礼明
(大连交通大学 机车车辆工程学院,辽宁 大连 116028)①
为降低强风沙对高速铁路运行安全的威胁,兰新高铁设计初期就提出了“适当降低线路高程,尽量以路堑通过”的选线原则.但是开挖路堑对地表自然生态破坏严重,必须特别注意路堑深度的设计,在保证列车安全运行的条件下,尽可能采用较浅路堑连通线路.因此在铁路设计时,研究路堑结构对高速动车组气动特性影响很有必要[1-4].
受到地形地貌、水利条件等的制约,铁路在修建的过程中会考虑当地的实际情况,将路基设计成一些特殊形式,如半路堑、半路堤路堑等结构[5].LIU[6]通过 CFD 方法,研究了列车经过路堤-路堑过渡段时,挡风墙过渡区域对列车气动力的影响.
在风力作用下,路堑积沙严重,特别是深路堑,气流在路堑处形成反向涡流使气流受阻,堑内风力显著降低,气流中的砂粒沿背风坡堆积,逐渐掩埋道床,危及行车安全[7].俞明聪[8]研究风沙流对准朔铁路路堑的相应规律,分析路堑周围流场的分布状况.高越,陈慧娥[9]等提出了工程防沙与植物防沙相结合的路基防护形式.张洁,刘堂红[10]等研究了兰新铁路挡沙墙位置对低矮路堑中普通客车气动性能的影响.苏国平,蒋富强[11]通过数值模拟的方法对铁路路堑挡雪墙的设计参数进行优化.
尽管国内外对于在铁路路堑中行驶的列车气动性能进行了不少研究,但列车在不同线路上气动性能对比分析的研究相对较少,而且风场采用的多是均匀定常横风.现实中风的风速和风向往往会发生变化.目前未见到有文献研究突变风作用下的路堑结构对列车气动性能影响.本文采用数值模拟方法,建立明线上运行的某型高速列车的气动仿真模型,采用中国帽突变风模型,分析突变风作用下路堑的结构对高速列车气动性能影响,并与横风下的情况进行对比.
1 数值模型和计算方法
1.1 计算模型
限于计算机的计算能力及高速列车结构的复杂性,建立完全真实的高速列车气动仿真模型是不现实的.加之列车某些细微结构及轨道的复杂结构对列车气动性能影响不大,因此可以对高速列车的结构进行简化处理[12].本文采取三节编组的方式,建立的高速列车模型只有头车、中间车、尾车三部分,尺寸分别为头车25.6 m,中间车25.2 m,尾车25.6 m,列车总长度76.4 m,车身高3.9 m,车身宽度3.28 m.列车身部进行光滑处理,列车头尾设计成流线型.对列车底部进行简化,简化处理后的高速列车模型如图1所示.从实际情况考虑,计算区域选择越大,网格数目越多,计算量也越大,因此,选择较为合理的计算区域就可以,这样一来既不对计算结果产生明显影响,又大大减少了计算时间.本文选取的计算区域尺寸为:长度300 m,宽100 m,高50 m[13],如图2所示.
图1 高速动车组模型
(a)浅路堑(3 m)横向示意图
1.2 网格划分
计算区域的前面和右面设置为速度进口边界条件.计算区域的后面和左面设置为压力出口边界条件.计算区域的底面设置为滑移壁面,速度设置为高速列车的速度,目的是为了模拟列车与地面呈相对运动.计算区域顶面设置为对称面.采取非结构化网格,网格数目在600万以上.
1.3 突变风风场函数模型
在研究列车气动性能时,通常将风分为恒定风和突变风.本文中的横风是指风向垂直于列车行进方向、风速恒定的风场.突变风是在非常短的时间间隔内风速突然增大,风向突然发生改变,气流为“突变气流”.
自然界中突变气流的基本特征大致是平均风速在很短的时间间隔内从较低风速升高到较高的风速,然后又迅速恢复到较低风速这样的一个变化的过程.人工模拟风速时一般对场地、风谱特性、结构等条件的随机性,使得模拟得到的风速时程尽可能接近实际风.经过简化,得到了如图3所示的突变风模型[14].
图3 “Chinese hat”突变风模型函数
非平稳是突变气流的特性之一,可对瞬态峰值进行平均化.但是,采用平稳风速模型进行模拟瞬态风,得出的描述突变风特性的参数与实际情况存在较大差别.针对这一类问题,一些专家提出了非平稳风速的模型,将风速表示成确定的时变平均风及零均值的脉动风这两个部分[15],也 就是
(1)
“Chinese hat”风场模型具体分段函数:
(2)
其中,u(t)为突变风风速,m/s;t为时间,s.
1.4 计算方法及计算工况
采用计算流体动力学软件Fluent进行数值模拟,选用定常、不可压缩的雷诺时均N-S和标准k-ε两方程湍流模型,计算域离散方式为二阶迎风格式.车身表面网格大小为0.1 m,车身附近交界面的最大网格尺寸为0.3 m.在列车的近壁面区域采用标准壁面函数的方法,车身生成4层边界层,使首层网格高度y+<60,经计算得第一层网格的高度为0.3 mm,增长比为2,边界层厚度为4.5 mm.研究突变风影响时,时间步长取为0.05 s.
模拟中横风速度为13.8 m/s,突变风函数中稳定平均风速为13.8 m/s,最大风速为23.49 m/s,最小风速为4.14 m/s,列车行驶速度为300 km/h.路堑的深度分别为3、5、8和10 m.路堑边坡坡度应根据路基的不同取值,比如土质路堑由于胶结和密实程度不同,路堑边坡坡度一般在1∶ 1~1∶ 1.75,而岩石路基,则跟岩石风化程度不同,路堑边坡坡度一般在1∶ 0.1~1∶ 1.5,岩石风化程度越高,路堑边坡坡度取值越高[16].
由于试验难度较大,成本非常高,并且随机因素多,导致试验成功的概率低.
2 结果与分析
2.1 横风下高速列车气动力仿真结果分析
列车的运行速度控制在300 km/h,横风风速为13.8 m/s.路堑边坡坡度为1∶1,把路堑深度3、5、8、10 m作为变量,分析头车的气动力.数值结果如图4所示.
图4 横风下气动力随路堑深度的变化曲线
从图4(a)~(d)可以看出,升力、横向力以及侧滚力矩、摇头力矩随着路堑深度的变化而变化.路堑深度从3~10 m增大过程中,高速列车所受到的升力、横向力、侧滚力矩、摇头力矩都随着路堑深度的增大而减小;路堑深度从3 m增大到8 m的过程中,车辆所受到的力和力矩,方向不发生变化,升力沿着y轴的正方向,横向力沿着z轴的负方向.但当路堑深度达到10 m时,升力数值发生了变化,数值较8 m路堑增加了,升力增大了是由于路堑过深,车身两侧涡流增大;横向力方向发生了变化,横向力沿着z轴的正方向,较8 m的路堑,列车所受到的力和力矩有所增大.而路堑深度为8 m时相较于3 m时,升力减小了51%、横向力减小了96%、侧滚力矩减小了93%、摇头力矩减小了84%.
综上所述,路堑深度对于高速列车的气动力有着较为显著影响;路堑越深,列车运行就越安全,但是,路堑深度过大时,会发生过载保护,列车所受到的力和力矩的方向会发生变化.因此,选择合理的路堑深度是铁路设计过程中重要一环.
2.2 突变风下高速列车气动力仿真结果分析
分析当风载荷突变时对高速列车气动力的影响.如图5所示,列车的运行速度控制在300 km/h,加载8 s的突变风函数.路堑边坡坡度为1∶1,把路堑深度3、5、8和10 m作为变量进行研究,分析高速列车的头车的气动力.
(a)升力曲线
从图5(a)中可以发现,在1 s以前,升力随着路堑的深度增大而增加,但在1 s以后,路堑深度小于5 m时,升力呈现正值,深度大于8 m,升力方向发生改变.并且8 m和10 m的峰值相差较小.四种路堑深度基本都在2 s附近取得第一个峰值;在5.5s的时候取得第二个峰值;6 s以后头车升力基本趋于稳定.
从图5(b)可知,突变风在每个时刻下都在变化,横向力在不断变化.随着风速增大,车身两侧的涡流越来越大,横向力逐渐增大,导致与开始阶段差异大.随着路堑深度增大,头车横向力相应减小.但路堑深度为10 m时,头车横向力略大于8m时的头车横向力,随着路堑深度的增加,头车横向力的峰值差值越来越小,并且在6s以后,头车横向力变化很小,呈一条直线.
从图5(c)可看出,头车的侧滚力矩值基本为正值.0~1.5 s为风速缓慢增大过程,此时各路堑深度下头车的侧滚力矩增长趋势相似,且侧滚力矩随着路堑深度的增大而降低.在1.5~3.0 s内,列车的侧滚力矩在路堑深度为3 m时明显大于其他路堑深度.3.0 s以后,四种路堑深度均能保持一致的变化趋势.但在路堑深度为3 m时侧滚力矩值明显大.3~8 m的路堑深度下,随着深度增加而减小,而10 m深度下,在1 s以后均高与8 m深度下的侧滚力矩.可见,路堑深度过浅非常不利于疏通列车表面的气流,造成列车倾覆危险性增大.
从图5(d)可知,头车的摇头力矩基本为正值.在0~2 s内,摇头力矩随着路堑深度的增大而减小.3 m路堑深度下的摇头力矩波动情况相较于其余3种深度来说,较为激烈.但是当深度大于8 m以后,两种深度下的数值差值变化不大.
2.3 风载荷突变下对列车周围压力影响
根据图5,中间车和尾车的气动力变化情况较小,整体趋于稳定状态,而头车对风速的变化十分敏感.因此,研究头车在0.5、1、1.5、2 s这四个时刻下的车身周围压力分布情况.图6为路堑深度为3 m时头车在不同时刻下的压力分布.图7为路堑深度为8 m时头车在不同时刻下的压力分布.
图6 路堑深度3 m下的头车压力云图
从图6可知,在0.5 s时刻,头车前部压力为4 500 Pa,车身上下分布着大量高正压区,上下压力差为329 Pa,因此此时升力为负值;在1 s时刻,车身周围空气流速急剧增大,导致头车上下分布着均等的负压;在1.5 s时刻,此时风速取得23.49 m/s的极值,头车的鼻尖处压力也达到了最大值5 727 Pa,车身上下压力差为444 Pa,相较于0.5 s、 1 s来说,压力差大, 所以此时升力也较大;在2 s时刻,风速下降到13.8 m/s,此时头车的鼻尖处压力下降为4 843 Pa,此时只有头车附近有一小部分正压区域.
根据图7,当路堑深度为8 m时,在0.5 s时刻,头车上下部压力差为258 Pa,相较于1 s时刻来说,头车鼻尖处压力大,但是上下压力差小于1 s, 也正因如此,1 s时头车升力大;在1.5 s时,头车压力比1 s时增大42.3%;在2 s时刻,车体也同样分布着较大面积高压区,只有在车头附近有一些正压区,车体上部负压为-965 Pa,车体下部分布着-1 418 Pa的高负压,差值为453 Pa,因此这时的升力方向向下.
图7 路堑深度8 m下的头车压力云图
从图6和图7可知,在0.5 s时刻, 8 m深度时的头车鼻尖处压力略微大于3 m,但是上下压力差值小于3 m深度,这也和升力的计算结果一致;在1 s时刻,路堑8 m深度和3 m深度一样,列车表面均分布着大量的高负压区,但是8 m深度时头车压力比较大;在1.5~2 s这一段时间间隔内,3 m深度时头车鼻尖处的压力都比8 m时的大,这是因为3 m深度的路堑,不能很好地阻挡来流,来流直接作用于车体上.综上所述,车身上下的压力随着风速在不断变化,升力的方向和大小是压力变化的间接体现,也充分解释了8 m深的路堑下某些时刻下列车的升力大于3 m深路堑的升力这一现象.
2.4 列车表面气动力突变特性
由图3可知,在1.5~2 s内,风速由23.49 m/s突变到13.8 m/s.为了研究风速突变对于高速列车气动力影响,对比分析高速列车在同一路堑结构下,受相同风速的横风和突变风气动特性的差异,风速选择为13.8 m/s,车速为300 km/h.选择头车下高速列车的升力、横向力、侧滚力矩、摇头力矩.结果见表1.
表1 不同深度下定常与非定常气动力对比
由表1可知,路堑深度在3~10 m以内,横风和突变风的气动力明显不同.当路堑深度相同时,横风影响下的高速列车头车的升力大体上都是高于突变风,并且其波动值也是随着路堑深度的增大而先升高后降低.横向力的波动值先降低后增大;侧滚力矩的波动值变化无规律可言;摇头力矩的波动情况一直在增大;气动力的波动值变化较大基本发生在路堑深度在5m以后,且波动值基本大于50%.由此可以发现突变风发生突变对气动力的变化影响较为显著;其中影响比较大的是横向力、侧滚力矩、摇头力矩.
3 结论
(1)横风作用下路堑深度的加深有利于降低列车的气动力.8 m深度路堑和3 m深度路堑相比,升力降低51%,横向力降低96%,侧滚力矩降低93%,摇头力矩降低84%;
(2)突变风作用下列车的气动力随风速变化情况复杂.当路堑深度为变量时,列车的气动力整体上随着路堑深度增大而降低,在气动力峰值处,8 m路堑比3 m路堑头车升力降低了51%,横向力为52%,侧滚力矩和摇头力矩都在90%以上.而且风6 s以后风载荷的影响出现滞后现象,这是横风不具备的;
(3)与横风作用下相比,风载荷发生突变对高速列车气动特性影响大得多.在路堑深度同为3 m情况下,突变风(平均风速13.8 m/s)与横风(13.8 m/s)作用相比,头车升力波动值为25%,横向力为90%,侧滚力矩为27%,摇头力矩为40%.路堑深度达到5 m及以上,和横风的影响比较,气动力波动幅度一直维持在50%以上.