Chinese-hat突变风下高速列车在桥上交会的安全性分析

郭亚如，杜礼明

(大连交通大学 机车车辆工程学院，辽宁 大连 116028)

随着高速铁路技术的快速发展，桥梁在列车运行线路中所占比例越来越大。因为桥梁高度影响，高速列车在高架桥上运行时受到侧向风场的影响要比平地工况大，尤其是列车在高架桥上交会时，这种不利影响更加突出。

目前，国内外已通过风洞试验、导入风场函数模型和模拟突变风风场3种形式来研究侧向风场对桥上列车的气动力影响。文献[1]按照1∶20的缩尺比设计了一套风洞模型，并通过鼓风机模拟侧向风场；文献[2-3]通过风洞试验得到不同车辆类型的气动特性，但是未将桥梁考虑进去；文献[4]在研究横风作用下高速列车的气动特性及运行安全性时，采用大气底层边界速度型风场模拟横风风场；文献[5]通过编写按正弦规律变化的UDF模拟车辆的非稳态侧向风场；文献[6]在分析非稳态横风对货运动车组车体-集装器系统横向振动特性的影响时，所采用的非稳态横风是基于Cooper理论构建的平均速度20 m/s的非稳态风谱。

针对列车交会，文献[7]设计了一套移动车辆模型试验系统，采用一车静止、一车运动的数值模型，研究了车速、风速、合成风向角、车辆所在轨道位置等对桥上交会列车气动力系数的影响；文献[8]研究了地铁与不同类型的高速列车的交会压力波；文献[9]研究了普通快速列车与动车的交会压力波。

上述研究采用的稳态横风和简单突变风(如大气底层边界速度型风场、阶跃阵风)均与自然风有较大差异，本文将采用更接近自然风的Chinese-hat突变风风场函数模型，通过数值方法研究突变风工况下桥上两车交会时列车的气动性和安全性，为高速列车在高架桥上安全运行提供参考。

1 计算模型和计算方法

1.1 计算模型

参照我国CRH3型动车组创建列车模型。为提高网格质量，忽略门把手、受电弓和转向架等结构，将列车简化为一个光滑几何体。列车全长76 400 mm，头车和尾车长度均为25 675 mm，中间车长24 775 mm，列车高3 890 mm、宽3 265 mm，列车底部与桥面的距离为360 mm。

参照我国京津城际铁路32 000 mm双线单箱整孔预应力混凝土桥梁的实际尺寸，忽略桥墩、截面倒角以及桥面附属结构等细节特征，只考虑桥面的几何轮廓建立桥梁的几何模型。车-桥模型总宽度为13 400 mm，高度为3 000 mm，距离流场底面高度为15 000 mm，线间距为4 800 mm，如图1所示。

图1 车-桥模型

1.2 计算域模型

为保证列车周围流场的充分流动以及交会时两车能够达到稳定状态，在兼顾计算效率的情况下，选取的整个流场区域为：长425 800 mm、宽220 000 mm、高70 000 mm，两列车尾车的初始位置距流场入口、出口均为50 000 mm，两头车在初始位置时相距173 000 mm。图2为计算域模型及列车初始位置图。

图2 计算域模型及列车初始位置图

在进行仿真计算时，时间步长设置为0.002 s，每一个时间步的最大迭代次数为20步，共迭代1 500步。

1.3 网格划分

在列车的近壁面区域采用标准壁面函数的方法将车身生成6层边界层，经计算得第1层网格的高度为0.5 mm，增长比为1.1，边界层厚度为3.9 mm。

采用混合网格对车-桥模型进行网格划分。因列车表面曲面较多、形状不规则，故对高速列车周围流场进行非结构网格划分。除此之外，其他的流场区域均采用结构网格划分。整体网格单元数为800×104左右。采用局部动态网格进行仿真计算，即将列车运行前方区域设置为网格压缩区；列车后方区域设置为网格拉伸区；列车周围的网格与列车同步移动，且与外部静止流场区域保持信息的传递与交换。

1.4 边界条件

将图2中的面ABGH设置为速度入口，横风风速设置为13.8 m/s，方向沿Z轴负向，突变风则选用UDF模拟施加的风荷载。将面ABCD、面CDEF和面EFGH设置为压力出口，流场的顶面ADEH和底面BCFG均设置为对称面。

1.5 突变风风场函数

Chinese-hat突变风模型函数由非稳态风函数和稳态风函数组成，且其值随时间变化。Chinese-hat突变风模型函数如图3所示。

图3 Chinese-hat突变风模型函数

由图3可以看出，突变风模型函数在0～0.5 s内突变风风速以二次函数形式增加，从0增大到13.8 m/s；在0.5～1.0 s内，风速大小为定值(13.8 m/s)；在1.0～2.0 s内，风速以三次函数形式先增大后减小，在1.5 s时风速达到最大值(23.49 m/s)，到2.0 s时风速又恢复至13.8 m/s；在2.0～3.0 s内，风速恒定为13.8 m/s。

2 不同风场下桥上交会列车周围流场分布

2.1 横风下列车表面压力及压力分析

图4为交会列车车体表面压力云图。图4中两车均以300 km/h的速度相向而行，侧向风场风速取突变风的平均风速，大小为13.8 m/s。

图4 交会列车车体表面压力云图

在交会过程中，因头车阻挡空气流通，头车鼻尖处堆积大量空气，导致该处流速变低，压力变大。堆积的空气被迫快速流向鼻尖两侧，导致鼻尖两侧压力变低，尤其是在车头与车身的过渡处压力达到最低。当迎风侧列车的头车依次与背风侧列车的头车、中间车和尾车交会时，背风侧列车头车、中间车和尾车的压力最大变化幅度分别为294 Pa、321 Pa和293 Pa。

由图4可以发现，尾车周围的大量空气会迅速聚集在尾车后方位置，导致空气流速降低，压力变大。所以当尾车经过时，另一列列车表面及周围的压力较大。以背风侧列车迎风面的压力为例，其头车、中间车和尾车的压力变化分别为260 Pa、200 Pa、234 Pa。

取背风侧列车头车、中间车和尾车的迎风面中心点为测点，测量背风侧列车迎风面压力，测量结果如图5所示。由图5可知，中间车的压力较高且变化幅度较大，故选择中间车为研究对象。

图5 背风侧列车迎风面压力

2.2 不同风场下列车周围压力对比

以迎风侧列车和背风侧列车的中间车为研究对象，分析其两侧压力变化。图6、图7分别为不同风场下迎风侧和背风侧列车两侧压力。由图6、图7可以看出，突变风下高速列车的压力远远大于横风。

图6 不同风场下迎风侧列车两侧压力

横风工况下，迎风侧列车迎风面压力在100～200 Pa之间浮动，迎风侧列车背风面压力在-100～100 Pa之间变化；突变风工况下，迎风侧列车两侧压力变化幅度相近，其均在-3 000～3 000 Pa范围内变化。可见，突变风下的迎风侧列车压力是横风下的15～30倍。

图7 不同风场下背风侧列车两侧压力

横风工况下，背风侧列车迎风面的压力在-150～250 Pa之间变化，而背风面的压力变化范围较小。结合迎风侧列车两侧压力来看，横风工况下，交会两车的交会面(迎风侧列车背风面和背风侧列车迎风面)压力变化幅度较大。

突变风下的背风侧列车两侧压力变化与迎风侧列车一致，可以看出，突变风下交会两车两侧的压力随风速的变化而变化。

3 突变风场下桥上交会列车的气动力系数

3.1 气动力系数定义

当桥上列车在侧向风场的作用下以300 km/h的速度运行时，列车会受到3个力(阻力Fx、升力Fy、侧向力Fz)和3个力矩(倾覆力矩Mx、偏转力矩My和俯仰力矩Mz)。本文将重点研究升力系数Cy、侧向力系数Cz和倾覆力矩系数CMx。计算公式如下：

式中：ρ——空气密度，取值1.232 kg/m3；

vw——车速；

H、B、L——分别为列车高度、宽度、长度。

3.2 迎风侧列车的气动力系数

以迎风侧列车的中间车为研究对象，分析背风侧列车的头车、中间车和尾车经过时，迎风侧列车的气动力系数变化。图8为不同风场下迎风侧列车气动力系数。

从图8可以看出，在1.20 s即两头车交会时，突变风下迎风侧列车的侧向力系数与横风下的侧向力系数差值达到最大值(2.194)；而在1.35 s即头车负压区与中间车重合时，此时突变风下迎风侧列车的侧向力系数达到极大值(-2.721)，与横风下的差值为1.832，且其倾覆力矩系数与横风下的系数差值达到最大值(0.120)；在1.80 s即两尾车完全重合时，受突变风风速和尾流共同作用，两风场下迎风侧列车的侧向力系数差值和升力系数差值较大，分别为1.218、0.305。

图8 不同风场下迎风侧列车气动力系数

综上所述，在1.35 s时突变风下迎风侧列车的运行安全性较低。经计算得出，其侧向力系数、升力系数和倾覆力矩系数分别是横风工况下的3.06倍、1.55倍和2.22倍。

3.3 背风侧列车的气动力系数

以背风侧列车中间车为研究对象，分析其在交会过程中气动力系数的变化。图9为不同风场下背风侧列车气动力系数。

突变风下两车在交会过程中，背风侧列车的侧向力系数与横风下的侧向力系数在1.20 s、1.35 s和1.80 s时产生较大差值，差值分别为1.926、2.048和1.748；在1.65 s和1.80 s时2种风场下升力系数的差值较大，分别达到0.467和0.430。2种风场下背风侧列车的倾覆力矩系数差值在1.20 s、1.65 s和1.80 s时较大，分别达到0.109、0.128和0.143。

图9 不同风场下背风侧列车气动力系数

综上所述，2种风场下背风侧列车的气动力系数在1.80 s时有较大差值，此时突变风下背风侧列车的侧向力系数、升力系数和倾覆力矩系数分别是横风下的0.32倍、2.52倍和7.37倍。

4 安全性分析

在车辆动力学软件SIMPACK中建立车辆动力学模型，将横风、突变风工况下迎风侧列车和背风侧列车整车的气动力和气动力矩输入到动力学模型中，通过轮轴横向力、脱轨系数和轮重减载率判断车辆运行安全性[10]。图10为2种风场下列车的安全性指标。由图10可以看出，相比两风场下背风侧列车的横向力和脱轨系数而言，突变风下迎风侧列车的横向力和脱轨系数均在1.50 s时与横风下的差距最大，相比横风下分别增大了2.17倍、2.10倍。2种风场下迎风侧列车轮重减载率的差值在1.72 s时达到最大值(0.177 kN)，增大了1.57倍。

图10 2种风场下列车的安全性指标

5 结论

(1) 突变风下两车等速交会时，两车周围的压力随突变风风速的变化而变化，且压力极值是横风下的15～30倍。

(2) 突变风对交会两车的气动力影响较大。当头车接近中间车时，迎风侧列车气动力系数分别是横风下的3.06倍、1.55倍和2.22倍。当尾车离开中间车时，背风侧列车的气动力系数分别是横风下的0.32倍、2.52倍和7.37倍。

(3) 突变风下两车等速交会时，迎风侧列车的安全性较低。在1.50 s和1.72 s时迎风侧列车的横向力、脱轨系数和轮重减载率分别比横风下增大了2.17倍、2.10倍和1.57倍。