曾永平，李永樂，張明金，宋莎嘉，蘇延文，唐平

高路堤上列車橫風荷載的分布研究

曾永平1, 2，李永樂1，張明金1，宋莎嘉1，蘇延文2，唐平1

(1. 西南交通大學 橋梁工程系，四川 成都 610031; 2. 中國中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031)

為研究橫風作用下高路堤上列車的氣動荷載分布規(guī)律，保證列車運行的安全性，基于計算流體動力學方法，通過FLUENT軟件對典型路堤上不同車輛的列車氣動力進行數(shù)值模擬仿真分析，并探討風速的影響，采用BANSYS軟件進行列車風致行車安全性的研究。通過區(qū)域無關(guān)性和網(wǎng)格無關(guān)性分析，驗證所建立的列車-高路堤三維數(shù)值模型的合理性。研究結(jié)果表明:各節(jié)車所受阻力隨風速增大而上升，中間車所受阻力大于頭車，且風速越大兩者之間差值越大。各節(jié)車所受升力差異較小，且隨風速增大而下降。當風速達到30 m/s時，車速若低于250 km/h，車輛行車安全性滿足要求；車速若高于300 km/h，車輛的橫向加速度超過限值。

高路堤；高速列車；橫風荷載；數(shù)值模擬；行車安全性

1999年秦沈客運專線的開工建設(shè)，標志著中國鐵路正式進入高速鐵路建設(shè)的新時代，高速運輸也就成為現(xiàn)代鐵路的發(fā)展方向[1?2]。高速鐵路的發(fā)展理念一直以“安全、可靠、舒適”為主，造就了現(xiàn)今高速鐵路系統(tǒng)高品質(zhì)和高可靠性的特點。它具備速度高、載客量大、安全性高和舒適性好等優(yōu)點，很大程度上滿足了人類對交通工具日益增長的需求[3?5]。隨著列車運行速度的提高，列車的氣動性能也會隨著列車所受到的升力和俯仰力矩的增加而惡化。在我國高速鐵路的建設(shè)中，由于地形的多樣性，往往需要設(shè)置高路堤以滿足列車線路標高要求，而且，與平地運行環(huán)境下也有較大差異。相比于在平地上行駛的列車，高路堤結(jié)構(gòu)對列車的氣動影響更為復(fù)雜，高路堤運行環(huán)境下，不同速度的列車橫風荷載分布是不同的[6?10]。Tomasini等[11]通過風洞試驗，開展了不同風向角下路堤上的列車氣動力測試。Fujii等[12]通過風洞試驗研究，研究單線鐵路不同路堤坡度對頭車、中間車氣動力的影響。Suzuki等[13]利用數(shù)值模擬的方式模擬高速列車在高路堤上行駛的過程。通過對列車的外流場特性的研究和分析，發(fā)現(xiàn)當列車在高路堤上運行時，列車本身受到的氣動力比在低路堤運行時的大很多，并且列車運行情況與大氣邊界層密切相關(guān)。Diedrichs等[14]提出列車在高路堤上運行時的容許最大風速的標準，認為該容許最大風速不可以超過當列車在平地上運行時的80%。Baker等[15]建立一個專門分析風洞實驗數(shù)據(jù)結(jié)果的框架，使得在風洞進行模擬的實驗結(jié)果與在線實車實驗的數(shù)據(jù)結(jié)果盡可能相接近，研究發(fā)現(xiàn)在路堤上行駛的高速列車氣動力的大小會受到路堤幾何形狀的影響。本文以高速鐵路典型高路堤線下結(jié)構(gòu)類型為研究背景，建立列車?高路堤三維數(shù)值模擬模型，研究高路堤上行駛的高速列車在不同運行風速下，其頭車、中車和尾車的橫風荷載的分布情況，并分析得到高路堤線路形式下列車的氣動性能的影響規(guī)律，最后對列車風致行車安全性進行分析。

1 工程背景

本文所有工況的列車模型均選取3編組CRH3列車，包含頭車、中間車和尾車。為方便網(wǎng)格劃分，對車輛模型進行適當簡化(包括車頂、車門、車床以及車底轉(zhuǎn)向架等)，但保持車輛外形及投影面積不變，以保證列車整體氣動特性。列車總長度為74 m，綠色為頭車，黃色為中間車，紅色為尾車。其中頭車、尾車的長為24.66 m，寬為3.25 m，高為3.44 m；中間車的長為24.68 m，寬為3.25 m，高為3.44 m，如圖1所示。選取的路堤為我國沿海某高速鐵路客運專線路堤斷面，路堤高度取為6 m，路堤坡度為1.5，如圖2所示。

圖1 列車示意圖

圖2 路堤示意圖

2 數(shù)值計算

2.1 計算模型

首先采用ICEM 軟件構(gòu)建流動區(qū)域的幾何形狀，劃分計算區(qū)域的網(wǎng)格，并輸出能導入到FLUENT的求解器網(wǎng)格格式，最后利用FLUENT軟件設(shè)定相關(guān)參數(shù)進行求解計算。

使用ICEM劃分網(wǎng)格前需要確定計算區(qū)域。本文中所有工況數(shù)值模型的計算區(qū)域均參照圖3取用，即計算區(qū)域?qū)挾?為130 m，高度2為160 m，計算區(qū)域長度3為取列車3倍車長222 m。這樣既消除了模型兩端的邊界效應(yīng)的影響又保證阻塞率小于5%，滿足數(shù)值風洞計算的要求。大氣邊界層考慮為均勻流，對模型進行定常分析。

在進行網(wǎng)格劃分時，從列車兩端到計算區(qū)域兩端采用放射性網(wǎng)格，考慮到列車外形較為復(fù)雜，在列車車身周圍的網(wǎng)格進行單獨劃分，并進行網(wǎng)格加密，另外考慮到地面附近空氣流動會產(chǎn)生突變，利用ICEM網(wǎng)格節(jié)點劃分的Hyperbolic命令，地面附近的網(wǎng)格進行了加密，整個模型最小網(wǎng)格尺寸約0.3 m。列車網(wǎng)格劃分示意圖見圖4。

(a) 計算區(qū)域正面示意圖；(b) 計算區(qū)域側(cè)面示意圖

圖4 列車網(wǎng)格劃分示意圖

參照上述的計算區(qū)域選取和網(wǎng)格劃分方式，模型網(wǎng)格數(shù)量為335萬，高路堤與列車模型網(wǎng)格示意圖如圖5所示。圖5中藍色部分邊界條件設(shè)為速度入口，黃色部分邊界條件設(shè)置為壓力出口，紅色部分邊界條件設(shè)置為對稱邊界。

除了計算區(qū)域和網(wǎng)格劃分外，在FLUENT中選取合理的湍流模型來模擬空氣流動也極為重要。其中，SST-湍流模型收斂性較好、計算精度較高，運用較為普遍且比較適合模擬近壁自由流。因此，本次選用SST-模型。其中，數(shù)值計算模型縮尺比為1/1，并選取壓力修正的SIMPLE算法，離散格式均選取精度較高的二階離散格式。

圖5 高路堤與列車模型網(wǎng)格示意圖

為了驗證計算區(qū)域的選取和網(wǎng)格劃分方式的合理性，從而進一步保證計算結(jié)果的可靠性，分別進行計算區(qū)域無關(guān)性和網(wǎng)格數(shù)量無關(guān)性的驗證。進行計算區(qū)域無關(guān)性驗證時，將原計算區(qū)域(如圖3)的長、寬和高均擴大1倍，即新的計算區(qū)域長444 m，寬260 m，高320 m。采用相同的網(wǎng)格劃分方式，數(shù)值計算參數(shù)均不變。進行網(wǎng)格數(shù)量無關(guān)性驗證時，保證計算區(qū)域大小不變，將網(wǎng)格數(shù)量增大1倍，即670萬，數(shù)值計算參數(shù)均不變。

3種工況計算結(jié)果見表1。對比結(jié)果可知，區(qū)域無關(guān)性和網(wǎng)格無關(guān)性檢驗與原模型計算結(jié)果吻合較好，表明本文中網(wǎng)格數(shù)量與計算區(qū)域的選取是合理的，故后續(xù)所有計算模型均采用相同的計算區(qū)域和網(wǎng)格劃分方法。

表1 區(qū)域無關(guān)性和網(wǎng)格無關(guān)性結(jié)果對比

2.2 計算工況

為了探究列車處于高路堤環(huán)境中的風荷載特性，模擬計算列車處于高路堤線路上，分別受到15，20，25，30以及40 m/s共5種橫風時頭車和中間車所受風荷載。

3 計算結(jié)果及分析

本文所選的列車模型為3編組CRH3列車，頭車和尾車外形一致，模型關(guān)于中間車完全軸對稱，故頭車和尾車所受風荷載基本一致，只是頭車和中間車外形有一定差異，所以高路堤模型只對比頭車和中間車的結(jié)果。表2為列車處于路堤環(huán)境中受到以上5種風速時頭車和中間車所受風荷載對比。

圖6為列車處于高路堤環(huán)境下受到5種不同風速時頭車和中間車所受阻力的對比，由圖6可見，同一風速條件下，頭車和中間車所受阻力有一定差異，中間車所受阻力大于頭車，且風速越大差異越大。圖7為風速25 m/s時，高路堤上列車車體中心處斷面的靜壓跡線圖，由圖7可見，中間車迎風側(cè)均為正壓，背風側(cè)均為負壓；而頭車迎風側(cè)在車頭處附近受到繞流的影響，存在一定的負壓區(qū)域，且車頭鼻尖處負壓極值達到近?1 000 Pa，故頭車迎風側(cè)壓力較中間車迎風側(cè)壓力有一定下降。另一方面，中間車為通長斷面，頭車車頭處為漸近縮小斷面，迎風側(cè)擋風面積相對于中間車有一定減小，故與中間車相比頭車迎風側(cè)正壓區(qū)域必定有一定減少。綜合以上2個方面原因，頭車所受阻力比中間車要小，且風速越大，兩者差值越大。

表2 列車處于高路堤上頭車和中間車風荷載

圖6 高路堤上列車阻力對比

圖8為列車處于高路堤環(huán)境下在5種不同風速的情況下頭車和中間車所受升力的對比，由圖8可見，頭車和中間車所受升力隨風速上升而下降，且頭車和中間車所受升力差異較小。這可能是因為頭車和中間車車底和車底的投影面積基本相同，頭車和尾車在車頂和車底處壓力分布差異較小，故頭車和尾車所受升力差異較小。圖9為高路堤上列車中間斷面的靜壓跡線云圖，圖10為高路堤上列車中間斷面速度跡線云圖。由圖8可見，來流風一部分經(jīng)過在列車迎風側(cè)頂部處分離，繞過列車在背風側(cè)形成漩渦，另一部分通過列車底部間隙流到背風側(cè)。列車底部間隙小，造成來流風速有一定增大，列車底部風壓減小。由于來流在迎風側(cè)分離，列車頂部風速較低，列車頂部風壓相對于底部要高得多?；谝陨戏治觯^車和尾車升力為負值，且風速越大，導致車頂與車底壓差增大，頭車和尾車所受升力值隨風速增大而下降。

圖7 高路堤上列車車體中心處靜壓跡線云圖

圖8 高路堤上列車升力對比

圖9 高路堤上中間車中間斷面靜壓跡線云圖

圖10 高路堤上中間車中間斷面風速跡線云圖

4 列車風致行車安全性研究

風?車?線耦合振動分析中，除了線路類型和軌道不平順外，對列車振動影響最大的因素為橫風的風速和列車的車速。探究不同風速和車速條件下，列車在不同類型線路上運行時的行車安全性。

橫風作用下，運動列車所受風荷載包括3個方面：平均風作用產(chǎn)生的靜風力、脈動風作用產(chǎn)生的抖振力以及列車運動產(chǎn)生的自激力。列車所受靜風力按以上所計算的列車風荷載數(shù)據(jù)作為參考，列車單位長度上抖振力參照考慮氣動導納修正的Scanlan 準定常氣動力求解，見式(1)。列車斷面較鈍，且列車在運行時橫向運動幅度較小，列車的氣動耦合效應(yīng)較弱，故計算時可以忽略列車的自 激力。

采用BANSYS進行計算分析，列車采用8編組列車：2×(動車+拖車+拖車+動車)。各節(jié)車的靜風力通過靜力三分力系數(shù)輸入BANSYS軟件，5種線路環(huán)境下動車和拖車的靜力三分力系數(shù)通過以上所求的風荷載通過式(2)計算而得。不同風速條件下，受到雷諾數(shù)效應(yīng)的影響，各節(jié)車的所受風荷載有一定差異，各節(jié)車的靜力三分力有所不同。

式中：為空氣密度；為橫風風速；C，C和C為體軸坐標系下列車三分力系數(shù)；，和分別為列車長度、高度和寬度。

分析4種不同風速(包括15，20，25以及30 m/s)環(huán)境中，列車以5種不同的車速(包括150，200，250，300以及350 km/h)運行時的工況。列車運行的工況設(shè)置見表3所示。

得到各工況下車輛各項動力響應(yīng)見表4。由表4可見，當風速低于25 m/s且車速低于350 km/h時，車輛各項響應(yīng)均低于規(guī)范限值。當風速達到30 m/s時，車速若低于250 km/h，車輛行車安全性也能滿足要求；車速若高于300 km/h，車輛的橫向加速度會超過限值，建議該條件下列車停運或降速運行。

表3 工況設(shè)置

表4 橫風環(huán)境下列車在高路堤上運行時車輛響應(yīng)

5 結(jié)論

1) 建立列車?高路堤三維數(shù)值模型，通過區(qū)域無關(guān)性和網(wǎng)格無關(guān)性分析，驗證了本模型的合 理性。

2) 列車處于高路堤環(huán)境中時，各節(jié)車所受阻力隨風速增大而上升，中間車所受阻力大于頭車，且風速越大兩者之間差值越大。

3) 各節(jié)車所受升力差異較小。風速越大，車頂與車底壓差增大，且頭車和尾車所受升力值隨風速增大而下降。

4) 當風速低于25 m/s且車速低于350 km/h時，車輛各項響應(yīng)均低于規(guī)范限值。當風速達到30 m/s時，車速若低于250 km/h，車輛行車安全性也能滿足要求；車速若高于300 km/h，車輛的橫向加速度超限，建議列車停運或降速運行。

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(編輯 陽麗霞)

Study on the distribution of wind load of the train on the high embankment

ZENG Yongping1, 2, LI Yongle1, ZHANG Mingjin1, SONG Shajia1, SU Yanwen2, TANG Ping1

(1. Department of Bridge Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. China Railway Eryuan Engineering Group Co., Ltd, Chengdu 610031, China)

In order to investigate the distributions of wind loads of vehicles on the high embankment and ensure the safety of operating vehicles, numerical simulations of wind loads of different vehicles on the typical high embankment were conducted with FLUENT software, based on computational fluid dynamics (CFD). The influences of wind speeds were discussed as well. And running safety of vehicle under cross wind was conducted using BANSYS software. The validity of the established three-dimensional vehicle-high embankment model were verified by zone and mesh independences analyses. The results show that: drag force of train increases as wind speed increases, drag force of middle train is greater than that of head train, and the greater the wind speed is, the greater the difference between these two types of trains. Difference of lift force between middle train and head train is small, and the difference decreases as the wind speed increases. When the wind speed is 30 m/s and the vehicle speed is smaller than 250 km/h, the safety of vehicle meets the demands, while the vehicle speed is larger than 300 km/h, the lateral acceleration exceeds the limit.

high embankment; high speed train; crosswind loads; numerical simulation; running safety

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2018.10.003

U270.11

A

1672 ? 7029(2018)10 ? 2471 ? 07

2017?08?17

國家重點研發(fā)計劃資助項目(2017YFB1201204)；國家自然科學基金資助項目(U1334201)

曾永平(1982?)，男，湖南邵東人，高級工程師，從事橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計研究；E?mail：12543706@qq.com