不同路堤下携沙横风对高速列车气动特性的影响

2022-10-13谢繁荣金阿芳李虎热依汗古丽木沙

机床与液压 2022年18期

谢繁荣，金阿芳，李虎，热依汗古丽·木沙

(新疆大学机械工程学院，新疆乌鲁木齐830047)

0 前言

当高速列车经过新疆的百里风区等自然环境恶劣的地带时，经常会遭遇携沙强横风的侵袭，这将严重影响高速列车运行的平稳性和安全性。而且由于中国的地理环境比较复杂，所以列车经过一些山丘等地带时，不得不建造一些路堤，来保证列车的连贯性和平稳性。当高速列车经过路堤且受到横向风作用时，路堤会改变横向风对列车气动性能的影响，这就导致高速列车在经过有路堤的地段时，发生事故的概率会大大增加。比如1994年，日本的一辆列车经过有路堤的路段时遭遇强横风，发生了侧翻脱轨，导致了大量人员的伤亡。所以，研究高速列车在不同路堤下携沙横风对高速列车气动性能的影响具有重要的现实意义。关于这方面的课题，国内外的学者都展开了深入的研究：王中强对高速列车在平地路况和路堑路况下的气动特性进行了对比分析，总结出了几条高速列车在路堤路况下特有的动力学变化规律。罗建斌等研究了不同路堤高度对高速列车侧风气动性的影响，得出了在横风条件下路堤的结构尺寸会对高速列车的气动性能产生影响的结论。于梦阁等对随机风速下列车的气动特性、安全评估以及高速列车头型优化进行了研究，并对高速列车流场进行了分析。张业等人对比了不同路基下的高速列车受到强横风时气动特性的差异，对列车在不同路堤下的安全性研究具有一定参考意义。田红旗总结归纳了高速列车气动性的基本研究方法、理论以及实验，并著有《列车空气动力学》;DIEDRICHS等对高速列车在路堤上的横风稳定性进行了分析研究；LIU等对列车在变风条件下的安全性进行了研究，得到了风速变化条件下的临界倾覆风速。杨超等人采用Fluent软件，分析了在不同行驶速度以及不同风速下，高速列车在半堤半堑路况下的气动特性。

基于前面的研究，选取单线路堤、双线路堤和半堑路堤等不同类型的路堤，研究高速列车经过路堤且受到携沙强横风时列车一系列气动性能的变化，并建立了高速列车的简化模型，对列车组进行数值模拟和分析，探究影响列车气动性能的主要影响因素。

1 几何模型和数学模型

1.1 计算模型

为了避免计算误差，同时节约计算时间，提高计算效率，特对文中的列车仿真模拟进行了几个基本假设：

(1)选取的列车速度为200 km/h。因为当列车速度小于350 km/h的时候，马赫数小于0.3，属于不可压缩流动，即流体密度不随时间和空间变化。

(2)缩短列车的长度。因为各节列车的结构形状基本一样，受到的压力波和气动力效应也所差无几，所以对列车模型进行合理的长度缩短，并不会对列车周围的流场特性产生很大的影响，故采用3节列车仿真模型，头车、中车、尾车均为25 m。

(3)简化车体外形。现实中的高速列车的零部件很多，比如受电弓、转向架等零件的形状很复杂，如果对这些零件的细节特征都进行仿真模拟，会大大增加计算网格数量和计算时间，且并不会对最终的计算结果有很大的影响，所以将转向架、受电弓等细节部位忽略掉，并假设高速列车的表面是光滑的曲面，地面也是光滑的。

(4)为了方便计算，文中所有的力都设置为正值。

经过以上4条基本假设，简化后的列车整车尺寸为：长75 m，宽3.38 m，高3.7 m,如图1所示。

图1 列车三维模型

1.2 计算域及边界条件

根据文献[14]建立路堤的CAD二维模型，具体尺寸如图2所示。另外，为了探究不同路堤下携沙横风对高速列车气动性能的影响，选取28.6°、33.7°、47.5°、59.7°、69.9°共5种路堤倾角进行仿真模拟，具体数值如表1所示。

图2 路堤二维模型

表1 路堤倾角

计算域的边界条件如图3所示，整个计算域长175 m、高30 m。列车在运行中，受到侧风的影响，由相对运动可知，气流相对于列车向后运动，故定义面为速度入口1(inlet1)，定义面为压力出口1(outlet1)，定义面为入口2(inlet2)，定义为出口2(outlet2)，则入口1距离列车的坐标原点75 m，出口1距离坐标原点100 m,入口2距离路堤侧20 m，出口2距离路堤侧42.5 m，整车进行2∶1的缩放，经过缩放后的列车长度为37.5 m，设置地面(wall)为滑移壁面，上壁面设置对称界面。

图3 计算域三维图

1.3 计算网格

由于高速列车的结构比较复杂且零部件很多，若采用结构网格进行划分，工作量大且难以保证网格质量，故使用非结构网格进行划分，并将转向架等在横风条件下对列车气动性影响不大的部件简化忽略，这样在保证网格质量的同时，也降低了网格数量，间接地提高了计算效率。为保证能真实模拟列车行进过程中周围空气的流动，在靠近列车表面处添加边界层网格，在对列车进行合适的边界层划分后，列车的网格如图4所示。

图4 高速列车网格

1.4 计算方法

风沙环境下，沙尘浓度并不是很高(数值约为100 μg/m，沙尘相的体积分数低于10%)。运用Fluent软件中DPM模型描述风沙环境下的气固两相流，沙粒直径选0.1～1 mm,采用面入射的方式，把沙粒看做一个理想的状况，忽略沙粒的不规则形状，设置沙粒形状为规则的球形，沙粒随侧风一起运动。基于三维、定常、不可压缩Navier-Stokes方程和标准的-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。

连续性方程：

(1)

动量守恒方程：

(2)

动能守恒方程：

(3)

列车运行速度为200 km/h，为非定常的湍流流场，并近似认为是不可压缩流场，所以采用标准-两方程控制模型，其控制方程为

湍动能方程：

(4)

湍动能耗散方程：

(5)

(6)

式中：为流体密度；为流体速度沿方向分量；为静压力；为应力矢量；为方向重力分量；=+为有效黏性系数；=为由于阻力和能源引起的其他能源项；为熵；为温度；为分子传导率；为由于紊流传递而引起的传导率；为定义的任何体积热源；、为流体沿、方向的速度分量；、为横坐标；、1、2、3、、为系数；为由浮力产生的湍流动能；为由层流梯度而产生的湍流动能；为湍动能；为湍动能耗散率；、为哑标。

1.5 数值验证

为了验证数值模拟的合理性，来流速度与文献[15]的一致，速度分别为30、40、50、60 m/s进行对比。由图5可知：模拟值与实验值最大的误差小于15%，是模拟中列车头部几何差异造成的。所示以上分析设置的方法及网格是合理的。

图5 头车阻力

2 结果分析

2.1 横风环境下列车外部流场

图6分别比较了不同路堤倾角下，单线路堤、双线路堤和半堑路堤的列车流线图：随着路堤倾角的增大，在单线路堤上，高速列车的流线图整体呈现“上疏下密，上规则，下不规则”的趋势，即在上方远离列车的区域，流线稀疏且规则，在下方背风侧的近地面处，流线密集且无规则，除此之外，流线图在靠近列车的周围出现负压，在列车背风侧的近地面处，形成一个形状不规则的漩涡，且漩涡的大小与路堤倾角是正相关的关系；在双线路堤上，列车的流线图与单线路堤上的流线图基本一致，但是与单线路堤不同的是，虽然流线图中漩涡的大小仍然和路堤的倾角呈现正相关的关系，但在双线路堤中，漩涡的中心压力值明显比周围低，是整个流线图的负压最大值；在半堑路堤上，随着路堤倾角的增大，流线图形成漩涡的速度更快，在倾角为28.6°时，就已经形成了较大的漩涡，漩涡的中心依然是负压的最大值。

图6 列车的流线

2.2 侧力系数和升力系数

在携沙风和净风环境下，分别比较了列车在不同类型路堤上的侧力系数，如图7所示。在头车部分，同一类型的路堤，携沙风和净风环境的侧力系数的具体数值相差不大，尤其是在半堑路堤上，携沙风环境和净风环境的侧力系数基本一致，说明携沙风对半堑路堤下的高速列车的侧力系数影响很小；随着路堤倾角的增大，无论是携沙环境还是净风环境，单线路堤和双线路堤的侧力系数都有规律地减小。在列车的中车处，侧力系数整体随着路堤倾角的增大而减小，在路堤倾角为47.5°时，中车的侧力系数数值相差最大。在路堤倾角为69.9°时，携沙环境下的单线路堤的侧力系数接近于0。在列车的尾车处，除半堑路堤之外，单线路堤和双线路堤在携沙环境和净风环境下的侧力系数吻合程度不高，即在尾车处，携沙风环境对单线路堤和双线路堤的侧力系数影响较大，对半堑路堤的侧力系数影响很小。

图7 列车的侧力系数

在不同类型的路堤下，分别比较携沙风和净风环境下列车的升力系数，如图8所示。在头车处，当路堤倾角为33.7°时，双线路堤升力系数的变化率最大，在路堤倾角为47.5°时，单线路堤的升力系数变化率最大。在中车处，当路堤倾角小于33.7°时，单线路堤和双线路堤的升力系数随着路堤倾角的增大而减小，当路堤倾角大于33.7°时，单线路堤和双线路堤的升力系数随着路堤倾角的增大而增大，而半堑路堤的升力系数几乎不随路堤倾角的变化而变化。在尾车处的各个倾角下，分别取升力系数的最大值和最小值做商，得到升力的最大值分别是最小值的7.27、5.71、7.58、8.80、8.36倍，半堑路堤的升力系数接近于0，升力系数的变化率也接近于0，即无论携沙风还是净风环境下，中车和尾车处，半堑路堤的升力系数几乎不受路堤倾角的影响。

图8 列车的升力系数

2.3 倾覆力矩

倾覆力矩指列车受到的侧力对轮轨接触点求矩，矩心位于列车背风侧轮轨接触点所在直线，提取倾覆力矩时只需在该线上取一点即可，示意如图9所示，其中为升力，为侧力，为列车的重力，则为列车的倾覆力矩。

图9 各力分析简图

列车的倾覆力矩系数如图10所示。在列车的头车部分，无论是携沙风环境还是净风环境，在各个倾角下双线路堤的倾覆力矩系数最高，单线路堤的倾覆力矩次之，半堑路堤的倾覆力矩最小。在各个倾角下，分别取头车的最大值和最小值做商，得到倾覆力矩的最大值分别是最小值的3.41、3.81、4.56、2.78、2.74倍。在中车部分，除了净风环境下单线路堤的倾覆力矩系数在47.5°时略微增加，其他部分都是随着路堤倾角的增加倾覆力矩系数减小。在列车的尾车部分，单线路堤和双线路堤在携沙风环境下和净风环境下的倾覆力矩数值相差较大，即在尾车部分，携沙风对单线路堤和双线路堤的列车倾覆力矩系数的影响较大。