彭益華，何旭輝，敬海泉，謝能超

(1.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙，410075；2.高速鐵路建造技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙，410075)

風(fēng)荷載影響高速列車的橫向穩(wěn)定性，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)脫軌傾覆事故[1?2]。為保障高速列車在各種橫風(fēng)作用下的行車安全，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)高速列車在風(fēng)荷載作用下的氣動(dòng)性能進(jìn)行了大量研究[3?9]，然而，在沿海以及雨水充沛地區(qū)，強(qiáng)風(fēng)通常還伴隨降雨，與單純的風(fēng)作用相比，風(fēng)雨耦合作用對(duì)高速列車氣動(dòng)特性的影響更加復(fù)雜，因此，研究風(fēng)雨耦合作用下列車的氣動(dòng)特性具有重要意義。關(guān)于降雨對(duì)結(jié)構(gòu)氣動(dòng)特性影響的研究起始于降雨對(duì)航空飛機(jī)氣動(dòng)特性的研究[10?11]，在土木工程領(lǐng)域的研究主要集中于建筑結(jié)構(gòu)[12]，由于風(fēng)雨對(duì)結(jié)構(gòu)物的聯(lián)合作用本質(zhì)上是氣?液兩相流對(duì)固體的作用問題，近年來，一些學(xué)者基于氣?液兩相流理論對(duì)高速列車領(lǐng)域開展了數(shù)值模擬研究。目前，數(shù)值模擬方法主要有Euler-Lagrange 法和Euler-Euler法[13]。Euler-Lagrange 法將雨滴視為離散相顆粒，通過建立雨滴的Lagrange 運(yùn)動(dòng)方程來追蹤雨滴運(yùn)動(dòng)軌跡。Euler-Euler法將離散相雨滴視為連續(xù)流體來求解。這2種方法均采用Navier-Stokes方程描述空氣的流動(dòng)[14]。李軍產(chǎn)[15]通過Euler-Lagrange 數(shù)值模擬方法研究了風(fēng)雨耦合作用下高速運(yùn)動(dòng)客車中間段動(dòng)力特性，發(fā)現(xiàn)雨滴與高速列車發(fā)生碰撞，雨滴飛濺改變了車身表面的粗糙度和不平整性，從而導(dǎo)致車輛運(yùn)行時(shí)氣動(dòng)荷載發(fā)生變化。敬俊娥等[16]采用Euler-Lagrange 數(shù)值模擬方法研究了不同降雨強(qiáng)度和橫風(fēng)風(fēng)速下高速列車標(biāo)準(zhǔn)截面周圍的流場，發(fā)現(xiàn)雨滴在整個(gè)流場中的體積分?jǐn)?shù)及質(zhì)量分?jǐn)?shù)均較小，在強(qiáng)降雨與橫風(fēng)作用下，車輛所受的氣動(dòng)載荷(橫向力、升力和傾覆力矩)比強(qiáng)橫風(fēng)的單獨(dú)作用下有所增加。杜禮明等[17]應(yīng)用離散相模型(即Euler-Lagrange 法)研究了降雨環(huán)境下大氣底層邊界型風(fēng)場對(duì)高速列車氣動(dòng)特性的影響，發(fā)現(xiàn)雨滴顆粒的加入擾亂了列車周圍氣流的正常流動(dòng)，減輕了列車背風(fēng)側(cè)氣流漩渦的脫落，列車迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)的壓力差減小，降雨強(qiáng)度對(duì)列車氣動(dòng)特性影響不大。于夢(mèng)閣等[13?14]利用Euler-Lagrange 方法建立了強(qiáng)降雨環(huán)境下高速列車空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)降雨對(duì)高速列車頭車的阻力系數(shù)影響顯著，對(duì)升力系數(shù)的影響較小，當(dāng)風(fēng)偏角相同時(shí)，頭車迎風(fēng)側(cè)的正壓和背風(fēng)側(cè)的負(fù)壓隨降雨強(qiáng)度增大而增大。孫自豹等[18]運(yùn)用Euler-Lagrange 法對(duì)比了均勻雨相模型和Gamma 雨滴譜模型這2 種降雨環(huán)境對(duì)高速列車氣動(dòng)特性的影響，發(fā)現(xiàn)列車在均勻雨相降雨條件時(shí)的氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩比Gamma 雨滴譜降雨條件下的大。SHAO 等[19]采用Euler-Euler雙流體模型研究了風(fēng)雨聯(lián)合作用下列車的氣動(dòng)性能和運(yùn)行穩(wěn)定性，結(jié)果顯示降雨使列車的氣動(dòng)性能惡化，導(dǎo)致極限運(yùn)行車速降低10%～20%。岳煜斐等[20]采用Euler-Euler 雙流體模型模擬了挾雨風(fēng)對(duì)高速列車氣動(dòng)特性及運(yùn)行穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)側(cè)風(fēng)速度一定時(shí)，阻力系數(shù)、側(cè)向力系數(shù)與傾覆力矩系數(shù)隨降雨強(qiáng)度的增大而增大，在風(fēng)偏角較大時(shí)，阻力系數(shù)與側(cè)向力系數(shù)分別增大38.6%和9.2%?？梢姡鼛啄陙韲鴥?nèi)外學(xué)者對(duì)風(fēng)雨耦合作用下高速列車的氣動(dòng)特性進(jìn)行了研究，并取得了一定的研究成果，但尚處于起步階段，既有研究主要以數(shù)值模擬為主，尚未有風(fēng)雨耦合作用下高速列車的氣動(dòng)特性風(fēng)洞試驗(yàn)研究的相關(guān)報(bào)道。為此，本文作者通過在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室中搭建人工模擬降雨系統(tǒng)來模擬風(fēng)雨耦合作用環(huán)境，對(duì)CRH-2 型高速列車在風(fēng)雨耦合作用下的氣動(dòng)力進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試，分析降雨強(qiáng)度對(duì)高速列車氣動(dòng)特性的影響規(guī)律。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)概況

1.1 雨量相似準(zhǔn)則

為了在實(shí)驗(yàn)室模擬自然界的風(fēng)驅(qū)雨情況，必須根據(jù)相似理論來獲得實(shí)驗(yàn)室人工模擬風(fēng)驅(qū)雨相關(guān)參數(shù)。目前，基于相似理論的風(fēng)荷載的縮尺比計(jì)算已經(jīng)有很成熟的計(jì)算公式[21]，且人們開展了大量試驗(yàn)研究[22?23]，而對(duì)于雨荷載的縮尺比還處于探索階段。文獻(xiàn)[24]與[25]基于相似準(zhǔn)則，根據(jù)Froude數(shù)(Fr)一致條件即重力相似條件，得到了如下相似關(guān)系：

式中：n為單位體積空氣雨滴數(shù)目；d為雨滴直徑；下標(biāo)m代表模型，p代表原型。

在此次風(fēng)洞試驗(yàn)中，保證雨滴的物理形態(tài)、速度與自然界一致，即dm=dp，則根據(jù)相似準(zhǔn)則可得nm/np=1，即模型的單位體積空氣雨滴數(shù)目等于原型單位體積空氣雨滴數(shù)目，換言之，風(fēng)洞中模擬降雨量與實(shí)際降雨量一致。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

風(fēng)雨耦合作用風(fēng)洞試驗(yàn)在湖南大學(xué)風(fēng)工程試驗(yàn)研究中心HD-2邊界層風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。該風(fēng)洞為國內(nèi)首座單電機(jī)三試驗(yàn)段邊界層風(fēng)洞，本次試驗(yàn)布置在該實(shí)驗(yàn)室的開口試驗(yàn)段(第三試驗(yàn)段)，如圖1所示，該試驗(yàn)段長15.0 m，寬8.5 m，高2.0 m，試驗(yàn)段風(fēng)速0～12 m/s 連續(xù)可調(diào)。在試驗(yàn)過程中，采用澳大利亞TFI 公司Cobra 眼鏡蛇探針測(cè)試試驗(yàn)段的實(shí)際來流風(fēng)速。人工模擬降雨控制儀器如圖2所示，降雨裝置采用的是西安清遠(yuǎn)測(cè)控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的QYJY-501型人工模擬降雨器。該降雨器配備有3 種類型的噴頭(大、中、小)，可通過噴頭的開關(guān)組合和噴頭壓力控制降雨強(qiáng)度和降雨粒徑分布，利用雨量計(jì)、雨滴譜儀實(shí)時(shí)標(biāo)定和反饋降雨強(qiáng)度和降雨粒徑分布。人工模擬降雨器主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

圖1 風(fēng)驅(qū)雨試驗(yàn)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室與試驗(yàn)設(shè)備布置Fig.1 Wind tunnel laboratory and instruments for wind driven rain test

圖2 人工模擬降雨控制儀器Fig.2 Instruments for controlling artificial simulated rainfall

表1 降雨器主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical indicators of artificial rain

試驗(yàn)測(cè)力儀器為美國ATI-DELTA六分量天平，其各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)如表2所示。水平力的測(cè)試精度達(dá)1/16 N，豎向力的測(cè)試精度為1/8 N，3個(gè)方向彎矩的測(cè)試精度為1/264 N·m，滿足測(cè)試精度與量程要求。

表2 ATI六分量天平主要參數(shù)Table 2 Main parameters of ATI six-component balance

1.3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

由于列車三車編組模型(頭車+中車+尾車)能表征列車各典型部位車輛在流場中的狀態(tài)，模型簡單實(shí)用，在風(fēng)洞試驗(yàn)[9,26]和數(shù)值模擬[15-16]中被普遍采用。本次試驗(yàn)選用CRH-2 型高速列車三車編組模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)。模型縮尺比為1:25，頭車和尾車的模型長為102 cm，中車長為100 cm，模型寬為13.5 cm，高為14.8 cm，不考慮轉(zhuǎn)向架、受電弓、門窗等附屬結(jié)構(gòu)。模型在保障足夠強(qiáng)度與剛度的前提下采用優(yōu)質(zhì)木材嚴(yán)格按照實(shí)際氣動(dòng)外形的相似比例加工制作，并在表面噴涂與實(shí)際列車同樣的油漆，以確保雨水在模型表面的附著情況與真實(shí)列車的一樣。模型內(nèi)嵌天平支架系統(tǒng)，以方便測(cè)力天平的安裝。試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵约帮L(fēng)偏角β定義如圖3與圖4(b)所示。

圖3 列車測(cè)力模型及風(fēng)偏角定義Fig.3 Train model for force measurement and definition of yaw angle

同步測(cè)力試驗(yàn)的主要對(duì)象為頭車和中車模型，列車模型通過天平連接件懸浮于試驗(yàn)平臺(tái)上(列車距離軌道板2 mm[27])，天平底部固定在測(cè)試架上，測(cè)試架總高為0.5 m，以便消除附面層的影響，使模型處于均勻流場中，平臺(tái)四周倒角，盡量減小繞流對(duì)試驗(yàn)造成的干擾。列車模型的側(cè)偏、傾斜、俯仰角度誤差均控制在±3°以內(nèi)，相鄰兩車之間設(shè)置5 mm 的間隙[27]以防止前后車之間觸碰對(duì)天平測(cè)力造成干擾。路基軌道板平面保持水平，具體實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。模型與試驗(yàn)裝置引起的風(fēng)洞最大固體阻塞比為3.9%，阻塞效應(yīng)可以忽略不計(jì)[28]。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.4 Experimental setup

1.4 氣動(dòng)參數(shù)定義

列車氣動(dòng)力包含阻力Fx、升力Fz、側(cè)力Fy、傾覆力矩Mx、俯仰力矩My和側(cè)偏力矩Mz共6個(gè)分量。列車氣動(dòng)力參考坐標(biāo)系固定于車體，頭車與中車的坐標(biāo)原點(diǎn)分別位于各自形心在軌道頂水平面的投影處，x軸正向?yàn)檠剀圀w縱向指向車尾方向，y軸正向?yàn)檐圀w遠(yuǎn)離來流的橫向方向，z軸正向?yàn)樨Q向向上方向，坐標(biāo)定義見圖3與圖4。體軸坐標(biāo)系下的列車氣動(dòng)六分力系數(shù)定義如下[6]：

式中：CFx，CFy，CFz，CMx，CMy和CMz分別為列車氣動(dòng)阻力系數(shù)、側(cè)力系數(shù)、升力系數(shù)、傾覆力矩系數(shù)、俯仰力矩系數(shù)和側(cè)偏力矩系數(shù)；Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z，Mx，My和Mz分別為列車在上述坐標(biāo)系下的氣動(dòng)阻力、側(cè)力、升力、傾覆力矩、俯仰力矩和側(cè)偏力矩；A0為列車最大橫截面面積；A為列車側(cè)面投影面積；h為列車高度；ρ為空氣密度；v為空氣來流速度。

為便于描述降雨強(qiáng)度對(duì)列車氣動(dòng)力系數(shù)的影響，定義風(fēng)雨耦合作用下的氣動(dòng)力系數(shù)相對(duì)于無雨(即降雨強(qiáng)度I為0 mm/h)時(shí)的氣動(dòng)力系數(shù)變化值為氣動(dòng)力系數(shù)增量，即

式中：ΔC*為風(fēng)雨耦合作用下的列車氣動(dòng)力系數(shù)增量；CI*為各降雨強(qiáng)度下的列車氣動(dòng)力系數(shù)；C0*為無雨時(shí)的列車氣動(dòng)力系數(shù)；*代表Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z，Mx，My，Mz各分力，當(dāng)增量值為負(fù)時(shí)，表示風(fēng)雨耦合作用下的列車氣動(dòng)力系數(shù)小于無雨時(shí)的列車氣動(dòng)力系數(shù)。

1.5 試驗(yàn)方法與試驗(yàn)工況

降雨對(duì)結(jié)構(gòu)的作用主要包括雨滴的沖擊力、雨的質(zhì)量、流場改變以及水膜作用[29-30]。國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)降雨對(duì)拉索[31-33]、橋梁主梁[24,30]等構(gòu)件氣動(dòng)性能影響開展試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)即使降雨強(qiáng)度很大，雨滴引起的空氣密度變化依然很小，雨滴對(duì)結(jié)構(gòu)表面的沖擊力相對(duì)氣動(dòng)力較小，降雨導(dǎo)致的流場改變與模型表面水膜作用比雨的質(zhì)量、沖擊力對(duì)氣動(dòng)力的貢獻(xiàn)大得多[29-30]。風(fēng)雨聯(lián)合作用下高速列車氣動(dòng)特性的數(shù)值模擬研究結(jié)果[15-20]也得到了類似結(jié)論。由此可見，降雨引起的流場改變與水膜作用是導(dǎo)致列車氣動(dòng)力變化的主導(dǎo)因素，因此，將宏觀表征降雨特性的降雨強(qiáng)度作為參數(shù)，對(duì)降雨條件下處于不同風(fēng)偏角的高速列車氣動(dòng)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究。

測(cè)試工況包括4 種降雨強(qiáng)度工況(I分別為0，30，60 和90 mm/h）和6 個(gè)風(fēng)偏角工況(β分別為0°，10°，20°，30°，60°和90°）。由于在列車實(shí)際運(yùn)營中，列車高速行駛而產(chǎn)生較大的沿列車行駛反方向的相對(duì)風(fēng)速，與自然界風(fēng)速合成后，風(fēng)偏角大多處于0°～30°的小角度范圍內(nèi)，因此，在0°～30°風(fēng)偏角范圍內(nèi)設(shè)計(jì)較密的測(cè)試工況，風(fēng)速為10 m/s；降雨強(qiáng)度分別為0，30，60 和90 mm/h；風(fēng)偏角分別為0°，10°，20°，30°，60°和90°。來流風(fēng)速v擬定為10 m/s，對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)約為105。試驗(yàn)前，結(jié)合雨滴譜儀與雨量計(jì)通過調(diào)整大、中、小3個(gè)降雨噴頭的壓力將降雨強(qiáng)度、雨滴粒徑分布調(diào)整至試驗(yàn)要求。測(cè)試時(shí)，待風(fēng)速與降雨穩(wěn)定后，同步測(cè)試頭車與中車所受氣動(dòng)力。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 降雨對(duì)阻力系數(shù)的影響

圖5(a)和圖5(b)所示分別為不同降雨強(qiáng)度和風(fēng)偏角時(shí)頭車與中車的阻力系數(shù)與風(fēng)偏角β 的關(guān)系，圖5(c)和圖5(d)所示分別為頭車與中車的阻力系數(shù)在不同降雨強(qiáng)度時(shí)相對(duì)于無雨時(shí)(即降雨強(qiáng)度為0 mm/h)的增量與風(fēng)偏角β的關(guān)系，圖5(e)和圖5(f)所示分別為頭車與中車的阻力系數(shù)增量與降雨強(qiáng)度的關(guān)系。從圖5可見：在無雨情況下，頭車的阻力系數(shù)隨風(fēng)偏角的增大整體呈現(xiàn)先減小后反方向增大最后減小的趨勢(shì)，這一變化規(guī)律與文獻(xiàn)[6]中的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果吻合；對(duì)于列車中車，當(dāng)風(fēng)偏角為0°～30°時(shí)，中車的阻力系數(shù)先略有減小后增大，在風(fēng)偏角為30°時(shí)達(dá)到最大；當(dāng)風(fēng)偏角為30°～90°時(shí)，中車阻力系數(shù)隨風(fēng)偏角的增大而減小。從圖5(c)和圖5(d)可以看出：降雨對(duì)頭車和中車的阻力系數(shù)影響顯著，頭車和中車的阻力系數(shù)增量隨降雨強(qiáng)度的增大而增大，與文獻(xiàn)[13-14]中的數(shù)值模擬結(jié)果一致，也與降雨條件下飛機(jī)[11]以及橋梁[24,30]的氣動(dòng)阻力系數(shù)變化規(guī)律一致。在不同風(fēng)偏角時(shí)降雨的影響程度不同，在風(fēng)偏角為0°～90°時(shí)，頭車阻力系數(shù)增量隨風(fēng)偏角呈現(xiàn)先增大后減小，然后增大最后減小的“M”形狀，頭車阻力系數(shù)在風(fēng)偏角為60°時(shí)隨各降雨強(qiáng)度的增量最大，當(dāng)降雨強(qiáng)度為90 mm/h 時(shí)，增大0.166(增大幅度為39.9%)；而中車阻力系數(shù)增量隨風(fēng)偏角基本上呈先增大后減小規(guī)律，中車阻力系數(shù)在風(fēng)偏角為20°時(shí)隨各降雨強(qiáng)度的增量最大，當(dāng)降雨強(qiáng)度為90 mm/h時(shí)，增大0.206。從圖5(e)和圖5(f)也可看出：在相同風(fēng)偏角下，中車阻力系數(shù)在各風(fēng)偏角時(shí)隨降雨強(qiáng)度的增大沒有出現(xiàn)明顯的一致變化規(guī)律，而頭車阻力系數(shù)除90°風(fēng)偏角外(此時(shí)阻力系數(shù)絕對(duì)值接近于0)，在其余各風(fēng)偏角下，降雨強(qiáng)度為30 mm/h時(shí)的頭車阻力系數(shù)增長率高于60 mm/h與90 mm/h時(shí)的增長率，這與文獻(xiàn)[15，18]中的數(shù)值模擬結(jié)果基本一致；降雨強(qiáng)度對(duì)頭車與中車阻力系數(shù)的影響不呈線性關(guān)系，但降雨條件下的列車氣動(dòng)阻力系數(shù)增量比數(shù)值模擬結(jié)果更大，這可能是風(fēng)雨試驗(yàn)引起的水膜及列車周圍流場改變與數(shù)值模擬存在差異所致。降雨與列車碰撞，雨滴飛濺，改變了車身表面的粗糙度和不平整性，在一定程度上抑制了列車周圍空氣繞流，使氣體流速減慢，導(dǎo)致列車氣動(dòng)力發(fā)生變化。但隨著降雨強(qiáng)度增加，水膜作用與列車周圍流場的改變對(duì)氣動(dòng)力變化的影響越來越小。

圖5 列車的阻力系數(shù)及其在降雨強(qiáng)度I下的增量Fig.5 Drag coefficients of train and their increments under rainfall

2.2 降雨對(duì)側(cè)力系數(shù)的影響

圖6(a)和圖6(b)所示分別為在不同降雨強(qiáng)度和風(fēng)偏角時(shí)頭車與中車的側(cè)力系數(shù)與風(fēng)偏角β的關(guān)系，圖6(c)和圖6(d)所示分別為頭車與中車的側(cè)力系數(shù)在不同降雨強(qiáng)度時(shí)相對(duì)于無雨時(shí)的增量與風(fēng)偏角β的關(guān)系。從圖6可見：在無雨情況下，當(dāng)風(fēng)偏角在0°～90°之間變化時(shí)，頭車的側(cè)向力系數(shù)隨風(fēng)偏角先增大后減小，頭車側(cè)向力系數(shù)隨風(fēng)偏角的變化規(guī)律與文獻(xiàn)[6]中的結(jié)論一致，風(fēng)偏角為60°時(shí)達(dá)到最大值，為0.836；當(dāng)風(fēng)偏角在0°～90°之間變化時(shí)，中車的側(cè)向力系數(shù)呈現(xiàn)單調(diào)遞增趨勢(shì)，在90°時(shí)達(dá)到最大值，為0.739。從圖6(c)和圖6(d)可以看出：降雨對(duì)頭車和中車的側(cè)力系數(shù)影響較小，與文獻(xiàn)[20]中的數(shù)值模擬結(jié)果一致；頭車側(cè)力系數(shù)增量隨風(fēng)偏角的變化與中車呈現(xiàn)基本一致的規(guī)律，即降雨條件下在風(fēng)偏角為0°～30°及90°時(shí)，頭車與中車側(cè)力系數(shù)增量變化較??；在風(fēng)偏角較小時(shí)，降雨使列車側(cè)向力系數(shù)略有增加，與文獻(xiàn)[14，16，20]中數(shù)值模擬結(jié)果規(guī)律一致；在風(fēng)偏角為60°時(shí)，與小風(fēng)偏角時(shí)不同，側(cè)力系數(shù)有所減小。由于目前已有數(shù)值模擬研究所取計(jì)算條件大多處在小風(fēng)偏角范圍，降雨對(duì)大風(fēng)偏角時(shí)的列車側(cè)力系數(shù)的影響應(yīng)引起注意。降雨對(duì)中車側(cè)力系數(shù)影響比頭車的影響稍大，當(dāng)降雨強(qiáng)度為90 mm/h時(shí)，頭車側(cè)力系數(shù)減小了0.048(減小幅度為5.7%)，而中車側(cè)力系數(shù)減小了0.083(減小幅度為13.4%)。降雨對(duì)列車氣動(dòng)力的影響主要由水膜作用與列車周圍流場的改變而引起[29-30]，在風(fēng)偏角不同時(shí)，列車周圍的流體流動(dòng)呈三維特性，既有繞列車橫向的流動(dòng)，也有沿列車縱向的流動(dòng)；當(dāng)風(fēng)偏角為60°時(shí)，列車表面水膜與雨滴飛濺對(duì)車身表面的粗糙度與周圍流場的改變最大，所引起的氣動(dòng)力特性變化最大。

圖6 列車的側(cè)力系數(shù)及其在降雨強(qiáng)度I下的增量Fig.6 Lateral force coefficients of train and their increments under rainfall

2.3 降雨對(duì)升力系數(shù)的影響

圖7(a)和圖7(b)所示分別為不同降雨強(qiáng)度和風(fēng)偏角時(shí)頭車與中車的升力系數(shù)與風(fēng)偏角β的關(guān)系，圖7(c)和圖7(d)所示分別為頭車與中車的升力系數(shù)在不同降雨強(qiáng)度時(shí)相對(duì)于無雨時(shí)的增量與風(fēng)偏角β的關(guān)系。從圖7可見：在無雨情況下，當(dāng)風(fēng)偏角在0°～90°之間變化時(shí)，頭車和中車的升力系數(shù)均先增大再減小，與文獻(xiàn)[6]中的結(jié)果一致；當(dāng)風(fēng)偏角為60°時(shí)達(dá)到最大值，頭車升力系數(shù)為0.807，中車升力系數(shù)為0.581。從圖7(c)和圖(d)可以看出：降雨降低了頭車與中車的升力系數(shù)，這與降雨條件下飛機(jī)[11]以及橋梁[24,30]的氣動(dòng)升力系數(shù)變化規(guī)律一致；頭車在風(fēng)偏角為0°～30°時(shí)，降雨對(duì)升力系數(shù)影響較小，在風(fēng)偏角為60°時(shí)，升力系數(shù)明顯下降，當(dāng)降雨強(qiáng)度為90 mm/h 時(shí)，升力系數(shù)降低了0.150(降低幅度為18.6%)；而中車在風(fēng)偏角為0°～20°時(shí)，降雨引起的升力系數(shù)下降較??；在風(fēng)偏角為30°～60°時(shí)，降雨引起升力系數(shù)明顯下降，在風(fēng)偏角為60°時(shí)，升力系數(shù)下降得最多；在降雨強(qiáng)度為90 mm/h 時(shí)，升力系數(shù)下降0.109(降低幅度為18.7%)。根據(jù)文獻(xiàn)[18]中數(shù)值模擬結(jié)果，列車升力主要來源于列車頂部的負(fù)壓區(qū)，該負(fù)壓區(qū)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于列車底部的負(fù)壓區(qū)；而在降雨條件下，列車表面水膜導(dǎo)致列車頂部負(fù)壓區(qū)減小幅度比列車底部的大，列車升力減少。

圖7 列車的升力系數(shù)及其在降雨強(qiáng)度I下的增量Fig.7 Lift coefficients of train and their increments under rainfall

2.4 降雨對(duì)傾覆力矩系數(shù)的影響

圖8(a)和圖8(b)所示分別為不同降雨強(qiáng)度和風(fēng)偏角時(shí)頭車與中車的傾覆力矩系數(shù)與風(fēng)偏角β的關(guān)系，圖8(c)和圖8(d)所示分別為頭車與中車的傾覆力矩系數(shù)在不同降雨強(qiáng)度時(shí)相對(duì)于無雨時(shí)的增量與風(fēng)偏角β的關(guān)系。從圖8可見：在無雨情況下，當(dāng)風(fēng)偏角在0°～90°之間變化時(shí)，頭車的傾覆力矩系數(shù)隨風(fēng)偏角先增大再減小，風(fēng)偏角為60°時(shí)達(dá)到最大值，其變化規(guī)律與文獻(xiàn)[6]中的一致；中車的傾覆力矩系數(shù)則隨風(fēng)偏角的增大而增大，當(dāng)風(fēng)偏角為90°時(shí)達(dá)到最大值。從圖8(c)和圖8(d)可以看出：降雨對(duì)頭車與中車的傾覆力矩系數(shù)影響較小，與文獻(xiàn)[20]中的數(shù)值模擬結(jié)果一致，對(duì)頭車的影響大于對(duì)中車的影響；當(dāng)風(fēng)偏角為0°～60°時(shí)，降雨使傾覆力矩系數(shù)略有減小；當(dāng)風(fēng)偏角為90°時(shí)，降雨使傾覆力矩系數(shù)略有增大。側(cè)傾力矩主要由側(cè)向力引起[17]。列車側(cè)向力受降雨強(qiáng)度的影響不大，導(dǎo)致側(cè)傾力矩也受降雨強(qiáng)度影響較小。

圖8 列車的傾覆力矩系數(shù)及其在降雨強(qiáng)度I下的增量Fig.8 Rolling moment coefficients of train and their increments under rainfall

2.5 降雨對(duì)俯仰力矩系數(shù)的影響

圖9(a)和圖9(b)所示分別為不同降雨強(qiáng)度和風(fēng)偏角時(shí)頭車與中車的俯仰力矩系數(shù)與風(fēng)偏角β的關(guān)系，圖9(c)和圖9(d)所示分別為頭車與中車的俯仰力矩系數(shù)在不同降雨強(qiáng)度時(shí)相對(duì)于無雨時(shí)的增量與風(fēng)偏角β的關(guān)系。從圖9可見：在無雨情況下，頭車的俯仰力矩系數(shù)隨風(fēng)偏角增大先增大再減小，變化規(guī)律與文獻(xiàn)[6]中的一致；當(dāng)風(fēng)偏角為0°～30°和90°時(shí)，俯仰力矩系數(shù)均接近0；當(dāng)風(fēng)偏角為60°時(shí)，頭車的俯仰力矩系數(shù)達(dá)到最大，為0.704；當(dāng)風(fēng)偏角在0°～90°之間變化時(shí)，中車的俯仰力矩系數(shù)先增加再減小；當(dāng)風(fēng)偏角為60°時(shí)，中車的俯仰力矩系數(shù)達(dá)到最大(0.266)。從圖9(c)和圖9(d)可以看出：降雨降低了頭車與中車的俯仰力矩系數(shù)，與文獻(xiàn)[20]中的數(shù)值模擬結(jié)果一致；俯仰力矩系數(shù)在風(fēng)偏角為60°時(shí)降低最明顯；降雨強(qiáng)度越大，降低的幅度越大，在降雨強(qiáng)度為90 mm/h時(shí)，頭車俯仰力矩系數(shù)降低了0.243(降低幅度為34.5%)，中車降低了0.064(降低幅度為24.2%)。俯仰力矩主要由列車升力引起，降雨減小了列車升力，導(dǎo)致列車俯仰力矩也減小。

圖9 列車的俯仰力矩系數(shù)及其在降雨強(qiáng)度I下的增量Fig.9 Pitching moment coefficients of train and their increments under rainfall

2.6 降雨對(duì)側(cè)偏力矩系數(shù)的影響

圖10(a)和圖10(b)所示分別為在不同降雨強(qiáng)度和風(fēng)偏角時(shí)頭車與中車的側(cè)偏力矩系數(shù)與風(fēng)偏角β的關(guān)系，圖10(c)和圖10(d)所示分別為頭車與中車的側(cè)偏力矩系數(shù)在不同降雨強(qiáng)度時(shí)相對(duì)于無雨時(shí)的增量與風(fēng)偏角β的關(guān)系。從圖10可見：在無雨情況下，當(dāng)風(fēng)偏角在0°～90°之間變化時(shí)，頭車的側(cè)偏力矩系數(shù)先增大再減小，變化規(guī)律與文獻(xiàn)[6]中的一致；當(dāng)風(fēng)偏角為60°時(shí)，頭車的側(cè)偏力矩系數(shù)最大，為0.357；中車的側(cè)偏力矩系數(shù)總體上先增大后減小，但系數(shù)絕對(duì)值很小，接近于0。從圖10(c)和(d)可以看出：降雨增大了頭車與中車的側(cè)偏力矩系數(shù)，當(dāng)風(fēng)偏角為0°～30°以及90°時(shí)，側(cè)偏力矩系數(shù)增量較小，在小風(fēng)偏角時(shí)，其變化規(guī)律與文獻(xiàn)[17]中的數(shù)值模擬結(jié)果一致；在風(fēng)偏角為60°時(shí)，側(cè)偏力矩系數(shù)明顯增大，降雨強(qiáng)度越大，側(cè)偏力矩系數(shù)增大得越多；在90 mm/h時(shí)頭車側(cè)偏力矩系數(shù)增大0.063(增大幅度為17.7%)，中車側(cè)偏力矩系數(shù)增大0.038。側(cè)偏力矩主要由列車阻力與側(cè)向引起，降雨增大了列車阻力，在小偏角時(shí)側(cè)向力略增大，當(dāng)風(fēng)偏角為60°時(shí)，降雨減小了列車側(cè)向力。在降雨條件下，列車側(cè)偏力矩隨風(fēng)偏角的變化規(guī)律說明列車側(cè)向力比阻力對(duì)側(cè)偏力矩的貢獻(xiàn)更大。

圖10 列車的側(cè)偏力矩系數(shù)及其在降雨強(qiáng)度I的增量Fig.10 Yawing moment coefficients of train and their increments under rainfall

3 結(jié)論

1)降雨顯著增大列車頭車和中車的阻力系數(shù)，降雨強(qiáng)度越大，增加的幅度越大，但不是呈線性關(guān)系變化；頭車阻力系數(shù)在風(fēng)偏角為60°時(shí)受降雨影響最大，當(dāng)降雨強(qiáng)度為90 mm/h 時(shí)，增大39.9%；中車阻力系數(shù)在風(fēng)偏角為20°時(shí)受降雨影響最大。

2)降雨降低頭車和中車側(cè)向力系數(shù)，在風(fēng)偏角為60°時(shí)，側(cè)力系數(shù)受降雨影響最大；在降雨強(qiáng)度為90 mm/h 時(shí)，頭車側(cè)力系數(shù)降低5.7%，中車側(cè)力系數(shù)降低13.4%。

3)降雨降低了列車頭車和中車的升力系數(shù)，在風(fēng)偏角為60°時(shí)，升力系數(shù)受降雨影響最大，在降雨強(qiáng)度為90 mm/h 時(shí)，頭車頭車升力系數(shù)降低18.6%；中車頭車升力系數(shù)降低18.7%。

4)降雨對(duì)列車頭車和中車的傾覆力矩系數(shù)影響較小。

5)降雨降低了頭車與中車的俯仰力矩系數(shù)，當(dāng)風(fēng)偏角為60°時(shí)，俯仰力矩系數(shù)降低幅度最大，當(dāng)降雨強(qiáng)度為90 mm/h時(shí)，頭車俯仰力矩系數(shù)降低34.5%，中車俯仰力矩系數(shù)降低24.2%。

6)降雨增大了列車頭車和中車側(cè)偏力矩系數(shù)，在風(fēng)偏角為60°時(shí)增大得最多，當(dāng)降雨強(qiáng)度為90 mm/h時(shí)，頭車側(cè)偏力矩系數(shù)增加17.7%。