横风环境下明线运行列车气动特性分析*

马天放，赵 洁，张旭平

(1.大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028；2.大连交通大学 机车车辆工程学院，辽宁 大连 116028)

0 引言

列车运行安全性不仅需要在车速的持续增加下得到保证,也要在强横风环境下得到保证[1]。因此,早期进行列车空气动力学研究时,重点研究对车体形状改变或者优化,从而使得空气阻力减小[2]。此外,经济性要求、乘客的舒适性要求、环境性要求成为研究高速列车空气力学的主要问题[3]。“横风”给高速列车带来各种影响,列车气动阻力、升力以及侧向力均急剧上升,对列车运行过程中的平稳性造成恶劣影响,尤其侧向力过高,将会导致列车发生倾覆、越轨甚至伤亡事故[4],对安全运输和人员财产造成严重损失[5]。一旦列车行驶速度大于200 km/h,横风速度大于30 m/s,列车出现倾覆和越轨概率变大[6]。因此,深入研究横风环境下列车气动特性很有必要。

1 计算设置

1.1 物理模型

高速列车结构复杂且细长,直接对全车进行数值模拟及分析需要高性能计算机,而且消耗大量研究人员的工作成本。因此,本文选用3辆编组的某列车模型(如图1所示)为研究对象,三辆编组列车具体构成为头车(25.6 m)+中车(25.0 m)+尾车(25.6 m),整车编组为76.2 m,车体高度为3.92 m,车体宽度为3.2 m,列车模型忽略了车门、车窗、车门把以及受电弓等细小连接件,保留了简化的列车转向架和空调导流罩。

图1 列车模型

1.2 计算区域

在不影响车辆周围流体流动的前提下,选取了合适的外流场区域,并被放置在长方体的某个位置。为更好地模拟风洞和道路试验工况、消除边界效应的影响、使阻塞率在5%以下,确定计算区域如图2和图3所示,长方体区域长380 m、宽200 m、高60 m,列车头车鼻尖处距离入口100 m。

图2 列车横向截面示意图

图3 列车纵向截面示意图

1.3 边界条件与网格划分

(1) 入口:以计算域入口和迎风侧截面为速度入口。

(2) 出口:以计算域出口和背风侧截面为压力出口。

(3) 车体:采用静止无滑移壁面。

(4) 地面:采用静止无滑移壁面。

(5) 顶面:采用对称边界条件。

为保证真实模拟列车运行中周围空气流动,本文所划分列车非结构网格总数约为四百万,使用四面体网格填充划分计算域,网格分布如图4所示。

图4 空间域网格模型

1.4 数值计算方法验证

文中列车以300 km/h速度运行,马赫数不大于0.3,对流项采用二阶迎风格式离散,选取三维定常不可压缩雷诺时均N-S方程和黏性项中心差分格式,湍流方程为标准k-ε两方程进行数值求解。本文在列车车体设置监测点,模拟列车明线环境下无侧风运行,车速为216 km/h工况下,风洞试验[7]数据与Fluent数值模拟数据相比较,得到监控点压力系数对比曲线如图5所示。从图5中数据可以看出:利用Fluent得到的监测点压力系数与风洞试验结果吻合较好,整体误差不超过10%;个别监测点压力系数与风洞试验值误差较为明显。分析造成误差的主要原因可能是由于对模型的简化程度不同所导致的,另外数值计算过程中所选取的监测点与风洞试验中设置的监测点位置存在误差,也是引起两者数据存在误差的原因。图5可以说明Fluent软件对高速列车明线运行外流场的数值模拟结果可靠准确。

图5 监测点压力系数对比曲线

2 计算结果分析

列车空气动力学中,与列车前进方向呈90°夹角的侧向来风被定义为横风,横风对运行中的列车有较大影响,特别是在高车速、大横风条件下,列车的行驶稳定性和安全性遭受到很大的威胁。因此,本文对车速300 km/h,横风速度分别在13.8 m/s、17.1 m/s、20.7 m/s、24.4 m/s和28.4 m/s下明线运行的列车进行气动特性研究,其中包括对列车气动力大小、表面压力分布和周围流场分布的研究。

图6、图7和图8分别为车速一定时,列车在不同横风速度下气动升力、气动阻力和侧向力变化折线图。从图6中可知:列车头车气动升力随着横风速度的增大而增大,且增幅明显,头车在28.4 m/s风速下气动升力是在13.7 m/s风速下的4.2倍;中车和尾车气动升力则是随着风速的增大先增大后下降的趋势,在20.7 m/s风速下达到气动升力极值。从图7中可知:头车气动阻力随横风速度增大而降低,在28.4 m/s风速下比13.8 m/s风速下下降了38.8%;中车气动阻力与尾车气动阻力与横风速度成正比例递增,横风速度从13.7 m/s增长到28.4 m/s,中车和尾车气动阻力分别增长了62.1%和52.1%。从图8中可知:头车、中车和尾车的侧向力均随着横风速度的增大而增大,头车受到的侧向力最大,在28.4 m/s风速下比13.8 m/s风速下高出了157.1%。

图6 列车气动升力

在风速20.7 m/s工况下对列车周围流场进行分析,图9、图10分别为头车中部、中间车空调倒流罩处、尾车中部三个位置截面压力云图和外流场流线图。由图9可知:头车与中间车迎风侧都是正压力,背风侧多数是负压力,而正负压相差很大,头车断面上正压力区的明线比中间车与尾车的大,从而使头车所受侧向力达到最大值,增加了头车侧翻概率;尾车迎风侧与背风侧大部分区域处于负压状态,压差较低,所受侧向力最小。从图10中可以看出:在横风的环境中列车迎风侧没有漩涡产生,而背风侧产生漩涡,漩涡沿着车身方向向后发展、延伸、融合并产生新的漩涡,一般漩涡所在的位置负压也相对较大。

图9 风速20.7 m/s下各截面压力云图

图10 风速20.7 m/s下各截面流线图

3 结论

(1) 当车速保持不变时,随横风速度的增加,列车各车厢所受到的侧向力迅速增大,头车受到的侧向力始终最大,中车和尾车则相对较小。

(2) 车速相同时,伴随着风速的增大,头车所受气动阻力减小,中车和尾车气动阻力升高;当风速小于20.7 m/s时,中间车所受气动升力最大,当风速大于20.7 m/s时,头车所受到气动升力最大。

(3) 在横风环境下明线运行的列车,背风侧会不断产生漩涡,并沿着车身向后发展、延伸、融合。