謝 紅 太

(1.蘭州交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司 鐵道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，江蘇 南京 210014 )

0 引 言

半個(gè)多世紀(jì)以來，高速列車實(shí)現(xiàn)了從1964年的時(shí)速220 km到2017年的中國商業(yè)列車運(yùn)營時(shí)速達(dá)350 km的迅速提升，隨著更高速度等級(jí)的列車相繼問世，高速列車空氣動(dòng)力學(xué)問題顯得愈為重要[1-3]．列車空氣動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象與列車運(yùn)行速度和運(yùn)行環(huán)境有著緊密聯(lián)系，具有復(fù)雜多變的氣動(dòng)特性，尤其在空氣運(yùn)行環(huán)境較差的地段及應(yīng)對(duì)突發(fā)惡劣天氣變化的情況下更為突出．如列車高速運(yùn)行過程中的氣動(dòng)阻力問題及列車在強(qiáng)側(cè)風(fēng)下的橫向、縱向、垂向受力不穩(wěn)定性問題等[4-7]．

相關(guān)研究表明[1，8-9]高速列車風(fēng)阻制動(dòng)普遍采用于車頂或車體兩側(cè)安裝制動(dòng)風(fēng)翼板的方式，在列車大于一定速度運(yùn)行時(shí)啟用制動(dòng)．風(fēng)阻制動(dòng)是一種全新的制動(dòng)方式，制動(dòng)時(shí)，用車頂展開的風(fēng)翼板增加空氣阻力來產(chǎn)生制動(dòng)力，該制動(dòng)方式產(chǎn)生的空氣動(dòng)力阻力與速度平方成正比，速度越高則風(fēng)阻制動(dòng)力越大，在高速運(yùn)行時(shí)制動(dòng)性能越明顯，同時(shí)可做到無電制動(dòng)安全要求，且充分利用空氣動(dòng)力這種清潔、自然的能源，具有節(jié)能環(huán)保的意義．其缺點(diǎn)是在車體的端部安裝風(fēng)阻制動(dòng)裝置，需對(duì)車體進(jìn)行改造，削弱了車體強(qiáng)度；制動(dòng)風(fēng)翼在展開工作后，會(huì)改變列車周圍的流場(chǎng)，對(duì)列車過隧道、小曲率半徑線路運(yùn)行、會(huì)車或者橫風(fēng)下運(yùn)行時(shí)都會(huì)產(chǎn)生一定的影響．

隨著對(duì)高速列車風(fēng)阻制動(dòng)系統(tǒng)的進(jìn)一步深入研究，逐漸在高速列車制動(dòng)風(fēng)翼板形狀選擇、外形尺寸選擇、車頂及車側(cè)的安放布置、風(fēng)翼板迎風(fēng)角度確定、氣動(dòng)阻力有效性分析、噪聲影響、列車行車安全影響、環(huán)境影響、鐵路限界安全性評(píng)價(jià)及舒適性評(píng)價(jià)等方面有了一定可參考數(shù)據(jù)．本文將重點(diǎn)針對(duì)30 m/s強(qiáng)側(cè)風(fēng)作用下帶制動(dòng)風(fēng)翼板高速列車氣動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行初步分析研究．

1 計(jì)算模型

1.1 控制方程組

列車氣動(dòng)問題可歸結(jié)為流體運(yùn)動(dòng)問題，而任何一個(gè)流場(chǎng)流動(dòng)問題均可用非穩(wěn)態(tài)的N-S方程描述[10-12]．

連續(xù)性方程：

(1)

動(dòng)量守恒方程：

(2)

能量守恒方程：

(3)

在對(duì)高速列車進(jìn)行CFD數(shù)值模擬分析計(jì)算時(shí)采用三維定常不可壓黏性流場(chǎng)，其中外流場(chǎng)的湍流運(yùn)動(dòng)采用k-ε湍流方程模型[13]，即湍動(dòng)能方程和湍動(dòng)能耗散率方程，如式(4)、(5)所示．

湍動(dòng)能方程：

(4)

湍動(dòng)能耗散率方程：

(5)

(6)

式(1)～(6)中：ρ為流體的密度；p為靜壓力；τij為應(yīng)力；ρgi是i方向的重力分量；μ=μt+μl，為有效黏性系數(shù)；Fi=ρfi，是由阻力和能源引起的其他能源項(xiàng)；h為熵；T為溫度；kt是由紊流傳遞而引起的傳導(dǎo)率；Sh為定義的任何體積熱源；ui、uj為流體沿i、j方向的速度分量；xi、xj為橫坐標(biāo)；Cμ、Cε1、Cε2、Cε3、σk、σε為系數(shù)，取值文獻(xiàn)[14]；Gk是由浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；Gb是由層流速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；k為湍動(dòng)能；ε為湍動(dòng)能耗散率；i、j為啞標(biāo)．

1.2 帶風(fēng)翼板列車計(jì)算模型

結(jié)合本研究團(tuán)隊(duì)目前研究技術(shù)成果及現(xiàn)有高速列車風(fēng)阻制動(dòng)方面研究資料[7，15-17]，初步得出：

(1)首排風(fēng)阻制動(dòng)板的位置距離頭車車身與司機(jī)室流線形連接處越往后，風(fēng)翼板產(chǎn)生的制動(dòng)力越低，其中在200～500 mm，制動(dòng)力大小基本不變；但在風(fēng)翼板迎風(fēng)面表面所受壓力均勻性、高速運(yùn)行時(shí)制動(dòng)平穩(wěn)性及風(fēng)翼板安裝組件使用可靠性等隨著距離連接處越往后越好，列車點(diǎn)頭運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象也可得到輕微緩解．同時(shí)制動(dòng)板的開合角度為75°時(shí)最優(yōu)．

(2)列車頭車車頂最大等間距布置多組制動(dòng)風(fēng)翼板時(shí)，隨著風(fēng)翼板布置組數(shù)的增多，制動(dòng)風(fēng)翼板間氣動(dòng)干擾效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，風(fēng)翼板迎風(fēng)面受壓呈現(xiàn)第1組遠(yuǎn)大于后續(xù)各組，同時(shí)后續(xù)各組壓力峰值基本保持一致，略有波動(dòng)的現(xiàn)象．

(3)當(dāng)以最大間距布置風(fēng)翼板組數(shù)大于2時(shí)，隨著組數(shù)的增多所產(chǎn)生的空氣制動(dòng)力緩慢增加，阻力系數(shù)大于0.29，所產(chǎn)生的垂向升力基本維持穩(wěn)定，升力系數(shù)約為2.1×10-3．

1.2.1 高速列車及風(fēng)翼板計(jì)算模型建立

(1)風(fēng)翼板形狀尺寸參數(shù)設(shè)置

針對(duì)現(xiàn)有對(duì)高速列車前排制動(dòng)風(fēng)翼板位置、迎風(fēng)角度及縱向布置排數(shù)選擇等方面的研究技術(shù)成果，本文模型計(jì)算風(fēng)翼板采用寬×高(l0×h′)的長方形結(jié)構(gòu)[12]，其中制動(dòng)風(fēng)翼板縱向投影面積S0=l0×h=0.956 m2，厚度為40 mm，于車頂面呈迎風(fēng)角γ=75°，橫向?qū)ΨQ布置，如圖1所示．

圖1 高速列車制動(dòng)風(fēng)翼板結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.1 Structural parameters of brake wind wing panels for high-speed train

(2)風(fēng)翼板縱向位置設(shè)置

結(jié)合現(xiàn)有研究技術(shù)成果，為保證高速列車頭車流線形設(shè)計(jì)以及考慮制動(dòng)風(fēng)翼板的安放空間需求，本文選取距離頭車車身與司機(jī)室流線形連接處D0點(diǎn)往后500 mm，單排設(shè)置．

(3)流體計(jì)算三維模型創(chuàng)建

利用CATIA軟件依次完成國內(nèi)某型高速列車頭車司機(jī)室、車身及風(fēng)翼板三維結(jié)構(gòu)，為了能夠較為準(zhǔn)確直觀地模擬高速列車在空氣中的運(yùn)行情況，本文在氣動(dòng)阻力分析時(shí)，整車計(jì)算幾何模型采用3輛編組1∶1實(shí)車模型，即頭車、中間車及尾車連掛，模擬計(jì)算時(shí)簡化車底、車側(cè)門窗、車頂受電設(shè)備、車端連接處等結(jié)構(gòu)，采用實(shí)體相接．

1.2.2 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格劃分 高速列車在側(cè)風(fēng)情況下速度矢量關(guān)系如圖2所示，其中vt為列車速度，vw為風(fēng)速，v為合成速度，β為風(fēng)向角，θ為偏航角．滿足如下關(guān)系式：

圖2 高速列車有效側(cè)風(fēng)Fig.2 High-speed train effective crosswind

(7)

分別根據(jù)研究方案計(jì)算調(diào)整不同風(fēng)向角β對(duì)應(yīng)的偏航角θ及合成速度v，建立計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型，其中計(jì)算外流場(chǎng)模型詳見文獻(xiàn)[18-20]，如圖3所示，取高速列車全長為L，長方體外流場(chǎng)模型長×寬×高=4L×2L×L，高速列車計(jì)算模型位于外流場(chǎng)模型中部，以列車模型中心點(diǎn)為參考點(diǎn)，其中中心點(diǎn)距離流場(chǎng)入口面1.5L，距離出口面2.5L，列車底部距流場(chǎng)下壁面設(shè)0.3 m．

圖3 帶制動(dòng)風(fēng)翼板高速列車模型計(jì)算網(wǎng)格劃分Fig.3 Calculation grid division of high-speed train model with brake wind wing panel

網(wǎng)格劃分采用全局網(wǎng)格與局部網(wǎng)格相配合疊加的處理模式，全局初始網(wǎng)格級(jí)別設(shè)為4，列車及周圍10 m、制動(dòng)風(fēng)翼板范圍內(nèi)采用局部網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格級(jí)別分別設(shè)為5和7逐級(jí)加密的方式，并采用自動(dòng)高級(jí)局部細(xì)化相結(jié)合．

1.2.3 邊界條件及目標(biāo)參數(shù)設(shè)定 計(jì)算外流場(chǎng)給定垂直于入口截面的來流速度，充分發(fā)展流動(dòng)，熱動(dòng)力參數(shù)：p=101 325 Pa，T=293.2 K．出口邊界條件設(shè)為壓力出口，車體表面及制動(dòng)風(fēng)翼板為無滑移壁面邊界條件，外流場(chǎng)上表面和側(cè)面設(shè)為無滑移光滑壁面邊界條件．采用式(1)～(6)所述三維定常不可壓黏性流場(chǎng)N-S及k-ε雙方程湍流模型進(jìn)行數(shù)值求解．

2 側(cè)風(fēng)作用下簡化列車模型周圍的流動(dòng)

列車在強(qiáng)側(cè)風(fēng)中運(yùn)行時(shí)，尾跡流動(dòng)中的回流導(dǎo)致在迎風(fēng)側(cè)形成高壓滯止區(qū)，在背風(fēng)側(cè)形成低壓區(qū)，且流體高速流過列車頂部時(shí)，在列車上側(cè)形成低壓區(qū)，這些高壓區(qū)和低壓區(qū)形成的壓差是列車承受氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩的主要原因．同時(shí)列車頭部、制動(dòng)風(fēng)翼板區(qū)域、轉(zhuǎn)向架區(qū)域復(fù)雜流動(dòng)、車身的湍流邊界層和車尾的旋渦是產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲的重要來源．因此清晰明確帶制動(dòng)風(fēng)翼板高速列車在側(cè)風(fēng)作用下周圍的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)是非常有必要的．

2.1 列車及風(fēng)翼板表面時(shí)均壓力分布

列車表面壓力分布一般采用壓力系數(shù)Cp表示：

(8)

式中：p為測(cè)試點(diǎn)壓力，Pa；ρ為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下空氣密度，kg/m3；p∞為計(jì)算系統(tǒng)環(huán)境氣壓，該計(jì)算模擬系統(tǒng)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，Pa；v為合成速度，m/s．

列車速度vt=350 km/h，風(fēng)速vw=30 m/s，風(fēng)向角β=30°，60°，90°，120°，150°時(shí)帶首排制動(dòng)風(fēng)翼板高速列車頭車和尾車縱向?qū)ΨQ面上流場(chǎng)壓力分布如圖4所示．

從圖4可知，350 km/h高速列車在不同風(fēng)向角的強(qiáng)側(cè)風(fēng)影響下，列車外圍流場(chǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，隨著風(fēng)向角β在30°～150°內(nèi)逐漸增大，頭車首排制動(dòng)風(fēng)翼板前后形成的高壓區(qū)和低壓區(qū)、頭車司機(jī)室上方形成的低壓區(qū)、尾車司機(jī)室與車身連接處形成的低壓區(qū)及車頂形成的低壓區(qū)影響范圍呈先擴(kuò)大后逐漸縮小的變化趨勢(shì)．同時(shí)隨著風(fēng)向角β的逐漸增大，列車頭車和尾車鼻尖處形成的高壓區(qū)域影響范圍逐漸減弱．

圖4 列車縱向?qū)ΨQ面上流場(chǎng)壓力分布Fig.4 Flow field pressure distribution on the longitudinal symmetry plane of the train

分別提取如圖5所示帶制動(dòng)風(fēng)翼板列車縱向?qū)ΨQ面上部外流場(chǎng)與列車截面接觸線，以頭車排障板下底部點(diǎn)為長度位置計(jì)算原點(diǎn)，尾車排障板下底部點(diǎn)為長度位置終點(diǎn)．其中首排制動(dòng)風(fēng)翼板在列車縱向?qū)ΨQ面上安裝設(shè)計(jì)中心位置為x=11.146 m處，前后與車頂表面接觸點(diǎn)位置分別為x=10.536 m及x=11.833 m處．

圖5 列車縱向?qū)ΨQ面輪廓線提取示意圖Fig.5 Schematic diagram of extracting the contour line of the longitudinal symmetry plane of the train

分別計(jì)算列車速度vt=350 km/h，風(fēng)速vw=30 m/s，風(fēng)向角β=0°，10°，20°，…，170°，180°時(shí)帶首排制動(dòng)風(fēng)翼板高速列車縱向?qū)ΨQ面接觸線上車身表面壓力分布如圖6所示．隨著風(fēng)向角β在0°～180°內(nèi)逐漸增大，列車頭車鼻尖滯止點(diǎn)、風(fēng)翼板前后側(cè)及尾車司機(jī)室處壓力峰值逐漸減?。瑫r(shí)隨著風(fēng)向角增大列車車頂部負(fù)壓逐漸加強(qiáng)，約β=110°時(shí)達(dá)到最大負(fù)壓狀態(tài)，隨后回落減弱．

(a)β=0°～100°

為了更直觀清晰地分析帶制動(dòng)風(fēng)翼板高速列車沿長度方向每一個(gè)橫截面上壓力分布情況，分別提取如圖7所示的測(cè)試斷面．列車頭車司機(jī)室與車身過渡連接處、車身與對(duì)應(yīng)車尾過渡連接處分別記為D0、D1，縱向距離為l，測(cè)試截面距離D0點(diǎn)的距離記為x，沿列車長度方向從前至后依次提取x/l=0，0.1，0.2，…，1.0，1.1，1.2及x/l=0.014，0.043，0.071處橫截面．其中制動(dòng)風(fēng)處于距離D0點(diǎn)500 mm處，x/l=0.007．

圖7 列車縱向位置斷面提取示意圖Fig.7 Schematic diagram of extracting longitudinal section of train

在提取的每一個(gè)橫截面上如圖8所示以車底中心點(diǎn)為原點(diǎn)逆時(shí)針方向建立車體外輪廓線長度位置點(diǎn)處列車表面壓力變化曲線．

圖8 列車橫斷面輪廓線提取示意圖Fig.8 Schematic diagram of train cross-sectional contour line extraction

分別計(jì)算列車速度vt=350 km/h，風(fēng)速vw=30 m/s，風(fēng)向角β=30°，60°，90°，120°，150°時(shí)帶首排制動(dòng)風(fēng)翼板高速列車橫向各測(cè)試截面輪廓線上車身表面壓力分布情況如圖9所示．

(a)β=30°

如圖9所示，列車在側(cè)風(fēng)影響下橫向截面外輪廓線主要呈現(xiàn)出車頂側(cè)不穩(wěn)定低壓區(qū)、車底側(cè)穩(wěn)定低壓區(qū)、背風(fēng)側(cè)波動(dòng)低壓區(qū)及迎風(fēng)側(cè)穩(wěn)定高壓區(qū)4個(gè)壓力分布區(qū)間．在列車長度方向上列車制動(dòng)風(fēng)翼板前后分別形成較大正壓區(qū)和負(fù)壓區(qū)，波動(dòng)變化明顯．

分別計(jì)算列車速度vt=350 km/h，風(fēng)速vw=30 m/s，風(fēng)向角β=30°，60°，90°，120°，150°時(shí)首排制動(dòng)風(fēng)翼板迎風(fēng)面表面壓力分布情況，如圖10所示．隨著風(fēng)向角的增大風(fēng)翼板表面最大高壓區(qū)從風(fēng)翼板中心位置逐漸向車體迎風(fēng)側(cè)偏移并減弱，表面整體受壓由高壓差逐漸趨于均衡．

(a)β=30°

風(fēng)翼板迎風(fēng)面所受最大壓力pmax、最小壓力pmin及平均壓力pave隨風(fēng)向角變化情況如圖11所示，其中最大壓力隨風(fēng)向角增大而逐漸減小，相反，最小壓力隨風(fēng)向角增大而逐漸增大，局部出現(xiàn)部分波動(dòng)變化．所受平均壓力隨著風(fēng)向角的增大而逐漸平穩(wěn)減小，其中β=30°～110°時(shí)減小趨勢(shì)較為明顯，β=0°～30°及β=110°～180°時(shí)減小趨勢(shì)明顯趨緩．

圖11 不同風(fēng)向角制動(dòng)風(fēng)翼板表面壓力曲線Fig.11 Pressure curves on the surface of brake wind wing panel corresponding to different wind direction angles

2.2 列車及風(fēng)翼板周圍流動(dòng)結(jié)構(gòu)

分別計(jì)算列車速度vt=350 km/h，風(fēng)速vw=30 m/s，風(fēng)向角β=90°時(shí)列車x/l=0，0.1，0.2，…，1.0，1.1，1.2處橫截面上流線，如圖12所示．根據(jù)不同截面流線圖可知在側(cè)風(fēng)影響下列車背風(fēng)側(cè)形成2個(gè)比較明顯的渦系，其中靠近地面的渦系位置比較穩(wěn)定，始終局限在背風(fēng)側(cè)下部拐角位置，而遠(yuǎn)離地面的渦系，越向下游發(fā)展強(qiáng)度越大，影響范圍也越廣．最先起始于列車頭部的旋渦Vc1附著在列車背風(fēng)側(cè)上表面且旋渦尺寸逐漸增大，約x/l=0.4處逐漸脫落．旋渦Vc2在列車頭部背風(fēng)側(cè)下側(cè)生成，并迅速于x/l=0.6處開始脫離車身表面，同時(shí)在列車背風(fēng)側(cè)下游逐漸分離形成旋渦Vc3，快速向下游尾跡傳輸，于約x/l=1.0處迅速衰減脫落．約x/l=0.7處列車背風(fēng)側(cè)下部分離形成1個(gè)強(qiáng)旋渦Vc4，在列車長度方向上尺寸逐漸增大，于約x/l=1.1處逐漸衰減脫落，同時(shí)在列車尾部鼻尖區(qū)域由于流體脫落形成脫離旋渦Vc5．

x/l=0

結(jié)合圖4列車縱向?qū)ΨQ面上流場(chǎng)壓力分布，高速運(yùn)行時(shí)列車頭車首排制動(dòng)風(fēng)翼板前后形成了巨大高壓區(qū)和低壓區(qū)，前部高壓區(qū)促使列車前部司機(jī)室上方的負(fù)壓區(qū)前移，且隨著側(cè)風(fēng)風(fēng)向角在0°～180°增大而逐漸減弱．圖13反映出在風(fēng)翼板前側(cè)x/l=0處橫向截面上，隨著風(fēng)向的變化，流線基本保持從迎風(fēng)側(cè)向背風(fēng)側(cè)平緩過渡，無明顯較大旋渦產(chǎn)生．在風(fēng)翼板后側(cè)x/l=0.014處橫向截面上，由于流體分離產(chǎn)生1個(gè)較小旋渦，且隨著風(fēng)向角逐漸增大從迎風(fēng)側(cè)向背風(fēng)側(cè)逐漸移動(dòng)，影響范圍逐漸減?。陲L(fēng)翼板后側(cè)x/l>0.1后風(fēng)翼板對(duì)整個(gè)列車外圍流場(chǎng)結(jié)構(gòu)影響逐漸減弱．

圖13 制動(dòng)風(fēng)翼板前后列車橫截面流線圖Fig.13 Streamline diagram of the train cross-section at the front and rear sides of the brake wind wing panel

綜上流場(chǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)比分析，帶制動(dòng)風(fēng)翼板高速列車在側(cè)風(fēng)影響下周圍時(shí)均流動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖14所示．

圖14 高速列車周圍時(shí)均流動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.14 Time-averaged flow structure diagram around high-speed train

3 結(jié) 論

(1)強(qiáng)側(cè)風(fēng)影響下，列車外圍流場(chǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，隨著風(fēng)向角在0°～180°內(nèi)逐漸增大，頭車首排制動(dòng)風(fēng)翼板前后形成的高壓區(qū)和低壓區(qū)、頭車司機(jī)室上方形成的低壓區(qū)、尾車司機(jī)室與車身連接處形成的低壓區(qū)及車頂形成的低壓區(qū)影響范圍呈先擴(kuò)大后逐漸縮小的變化趨勢(shì)；同時(shí)隨著風(fēng)向角的逐漸增大，列車頭車和尾車鼻尖處形成的高壓區(qū)域影響范圍逐漸變小、減弱．

(2)強(qiáng)側(cè)風(fēng)影響下，風(fēng)翼板迎風(fēng)面所受最大壓力隨風(fēng)向角增大而逐漸減??；相反，最小壓力隨風(fēng)向角增大而逐漸增大，局部出現(xiàn)部分波動(dòng)變化．所受平均壓力隨著風(fēng)向角的增大而逐漸平穩(wěn)減?。?/p>

(3)強(qiáng)側(cè)風(fēng)影響下，風(fēng)翼板迎風(fēng)面聲學(xué)能量等級(jí)隨著風(fēng)向角逐漸增大，最大、最小及平均值均逐漸減小，其中最大聲學(xué)能量等級(jí)局部波動(dòng)變化較為明顯．