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不同类型风沙环境下高速列车气动特性分析

2022-06-28李文涛金阿芳

机械设计与制造 2022年6期
关键词:头车路况升力

李文涛,金阿芳,李 虎,刘 芳

(新疆大学机械工程学院,新疆 乌鲁木齐 830047)

1 引言

世界铁路发展的主要方向就是高速铁路,随着列车运行速度的大幅提高,对列车和周围环境影响愈发突出,列车空气动力学作用日趋重要[1]。随着高速铁路技术的快速进步,列车空气动力学问题越来越得到重视。文献[2]在经典模型试验数据的基础上,对横风条件下ICE2列车附近气流绕流问题进行了深入探究,并计算出合适的总网格数和固壁面法向首层网格的适宜厚度范围。文献[3-4]通过对比不同类型横风作用对列车气动性能的影响,得出头车的倾覆力矩最大,安全性能最差,并分析了高频钢轨磨损对列车安全的影响。文献[5-7]对随机风下列车气动问题进行深入研究,并优化其动力特性参数;文献[8]通过风洞试验和实车试验,系统研究了横风下列车参数、运行速度和路况对列车气动特性的影响。文献[9]利用数值模拟方法并结合了风洞实验,通过对车体附近流场的分析,对高速列车头形做出了良好的优化,从而大大增加了高速列车行驶的安全性。文献[10]首次使用大涡模拟方法模拟研究列车气动特性,并用风洞试验数据验证其可行性,此方法已推广至列车安全性等问题的研究应用中。

目前,大量学者对列车空气动力学进行了深入细致的研究,但对不同风沙环境下列车的气动特性和安全性的研究文献相对较少。采用稳态计算方法,保持列车不动,在计算域正面加入迎面风,在侧面加入横风,模拟自然环境下的合成风。通过模拟计算,证明了采用原理类似风洞实验的稳态计算方法计算精度较为准确。

2 几何模型和数学模型

2.1 计算模型

高速列车是一个十分复杂的细长结构,对整车进行数值模拟不仅计算量大,计算时间长,对计算机的性能也有十分高的要求[11]。所以参考国内某型号高速列车,采用简化的头车—中车—尾车三车编组模型,为提高计算效率,忽略受电弓、门把手、车窗和其他细微部分,保留并简化车体风挡和底部转向架,桥梁忽略桥墩的影响,列车底部距地面0.03m。

2.2 计算域及边界条件

建立长方体计算域,如图2所示。计算域长为55m,宽40m,高20m。车头距速度进口为12m,为保证列车尾部充分湍流,车尾距压力出口为28m。入口处设置为速度入口,并设置为沙粒入射边界。出口处设置为压力出口,给定压力为一个标准大气压,并设置为沙粒逃逸边界。设置地面为非滑移壁面。列车运行速度即滑移速度,设置为270km/h,列车表面采用壁面无滑移边界条件。

图2 平地、路堤、桥梁计算域Fig.2 Flat Land,Embankment,Bridge Calculation Domain

2.3 计算网格

列车表面外形较复杂,很难用六面体结构网格进行网格划分。因此在列车近壁区域采用四面体非结构网格进行划分,四面体网格周围流体域采用六面体网格进行划分。保证计算精度的同时提高了计算速度。网格总体数量为1370万,局部网格加密及表面网格划分,如图3所示。

图3 列车表面网格图Fig.3 Train Surface Grid Diagram

2.4 计算方法

列车在高速行驶时,横风对列车气动特性、安全性能都有非常大的影响。在风沙环境下,沙尘浓度不是很高(沙尘暴天气时沙尘浓度约为(104~105)μg/m³,沙尘相的体积分数低于10%[12]。运用Fluent软件中DPM模型描述风沙环境下的气固两相流。充分考虑沙粒与气流的相互作用,忽略沙粒之间的碰撞。基于三维、定常、不可压缩Navier-Stokes方程和标准的k-ε控制模型,采用SIMPLE算法求解压力速度耦合问题,空间压力采用标准格式离散,应用二阶迎风格式离散对流相。当列车的运行速度低于350km/h时,其附近流场可认为是非定常的湍流流场,并近似认为是不可压缩流场[13],采用标准k-ε两方程控制模型。

3 结果分析

3.1 表面压力

列车在平地、路堤和桥梁上以270km/h行驶时的表面压力云图,横风风速为25m/s,如图4、图5所示。通过对比可知,列车在风沙情况下行驶时受到的表面压力远大于无沙情况。车头部位最大正压区显著变大,由于受到横向风影响,列车最大正压区向迎风面偏移,且迎风侧车体大部分区域所受压力为正压。由于在列车背风侧产生了大量漩涡,消耗了一部分能量,从而使得列车背风侧区域为负压。气流在头车流线型过渡区域与车体发生分离,由缓变流向急变流变化,导致列车顶面为负压。沙粒的影响加剧了列车迎风面和背风面的压力差。

图4 无沙环境压力云图Fig.4 Surface Pressure Cloud Map of Train in Sandless Environment

图5 有沙环境压力云图Fig.5 Surface Pressure Cloud Map of Train in Sandy Environment

3.2 气动阻力、升力

当列车高速行驶时,由横风和迎面风组成的合成风会对列车运行造成阻碍,这种阻碍列车运行的力就是列车气动阻力,平行于列车运动方向且与列车的运动方向相反。列车在不同风沙环境下行驶时,各节车厢的气动性能并不相同。列车运行速度为270km/h,横风风速为25m/s。风沙对列车气动阻力的影响,如图6所示。由图6可知,列车在平地、路堤和桥梁上行驶时,头车受到的气动阻力最大,中间车最小,头车阻力约是中间车阻力的(4.1~5.8)倍,是尾车受到阻力的(1.2~2.3)倍。

图6 风沙对列车气动阻力的影响Fig.6 Influence of Wind and Sand on Aerodynamic Drag

在风沙环境中,头车的气动阻力继续增大,相比无沙环境增加了(10~12)%。列车在平直明线上以270km/h行驶,横风风速为25m/s。行驶过程中,中车和尾车受到的气动升力最大,中间车的气动升力约是头车升力的(3.7~8.6)倍,尾车升力约是头车升力(3.6~9.6)倍。中车和尾车升力受沙粒影响较为剧烈,有沙环境中车升力较无沙环境增加(7~16)%,有沙环境尾车升力较无沙环境增加(4~9)%,如图7所示。

图7 风沙对列车气动升力的影响Fig.7 Influence of Wind and Sand on the Aerodynamic Lift of Trains

3.3 倾覆力矩

倾覆力矩指引起列车自行式倾翻的力矩,矩心位于列车背风侧轮轨接触点所在直线,在此直线上任取一点即可,取点位置,如图8所示。

图8 倾覆力矩中心示意图Fig.8 Schematic Diagram of Overturning Moment Center

为了更深入地研究高速列车头车在横风作用下所受力矩倾覆,保持列车运行速度为270km/h 不变,以风速为自变量,头车所受的倾覆力矩为因变量,得到列车倾覆力矩随横风风速变化规律。

在无沙环境中,头车承受的最大的侧向力;尾车承受的侧向力最小,且车体侧压力分布与头车侧压力分布相反,从而使得头车和尾车的倾覆力矩方向相反。在有沙环境下,头车受到的侧力最大,且受到沙粒影响最显著,约是无沙环境的1.2倍。对比图9三种不同路况下的倾覆力矩,桥梁路况受到的倾覆力矩最大,且各节车厢受风沙影响最为严重,行车最不稳定,气动性能最差。

图9 列车倾覆力矩随横风风速变化规律Fig.9 The Variation Law of Train Overturning Moment with Crosswind Wind Speed

3.4 横风环境下列车外部流场和压力场

当列车以270km/h 的运行速度在平地、路堤和桥梁上行驶时,横风风速为25m/s,分别截取列车上x=3m和x=8m的截面,列车外流场的变化情况和外界压力变化情况,如图10所示。列车四周流场不同,致使列车表面压力和列车周围压力分布不同,且不同路况下流场变化完全不同。由压力云图可以看出,列车在三种路况下高速行驶,受到横风作用,列车迎风侧压力明线大于背风侧,且平地路况最大正压区最小,列车两侧压力差较小。桥梁路况最大正压区最大,列车两侧压力差相比较大。由流线图10可知,在x=3m的列车截面下,列车背风侧均不产生漩涡,在路堤倾角处和桥梁凹槽处有气流回流现象,产生漩涡。在x=8m截面下,气流在列车背风侧开始回流,形成一系列漩涡。桥梁路况迎风侧凹槽处产生气流回流,且在桥梁背风侧产生双回流现象,导致列车背风侧负压区较大,这是引发路堤和桥梁工况下列车的侧力和倾覆力矩都大于平地路况的主要原因。

图1 列车、路堤、桥梁模型Fig.1 Train,Embankment,Bridge Model

图10 不同路况列车外流场分布和压力分布规律Fig.10 Flow Field Distribution and Pressure Distribution Diagram of Trains Under Different Road Conditions

4 结论

应用数值模拟方法,分析不同风沙环境下高速列车气动特性和安全性能,得到以下结论:

(1)高速列车在相同速度行驶时的表面压力在有沙环境下大于无沙环境下。受到横向风影响时,列车最大正压区从车头鼻尖处向迎风侧偏移。有沙环境下,列车迎风侧的正压区显著扩大,严重影响了列车的安全行驶。(2)通过对比不同路况下列车气动阻力和升力数值大小,可知头车受到的气动阻力最大。沙粒对头车受到的气动阻力影响极为显著,较无沙环境阻力增加了(10~12)%。中车和尾车受到气动升力最大,有沙环境下中车的气动升力较无沙环境增加了(7~16)%,有沙环境下尾车的气动升力较无沙环境增加了(4~9)%。(3)高速列车在以270km/h的速度在三种路况平直行驶时,承受倾覆力矩最大部位为头车,受到的倾覆力矩最小部位为尾车,方向与头车的受力相反。对比不同路况下的倾覆力矩,桥梁路况下,列车受到的倾覆力矩最大,且各节车厢受风沙影响最为严重,气动性能最差。(4)列车在三种路况下行驶时,平地路况最大正压区最小,列车两侧压力差较小。桥梁路况最大正压区最大,列车两侧压力差相比较大。桥梁路况迎风侧凹槽处产生漩涡,且在桥梁背风侧产生双回流现象,致使桥梁路况外流场非常不稳定,严重影响行车安全。

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