DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.06.049

强风局部地貌下高速列车非定常气动性能

牛纪强，周丹，李志伟

(中南大学 交通运输工程学院 轨道交通安全教育部重点实验室，湖南 长沙，410075)

摘要：基于三维、非定常、可压缩雷诺时均N-S方程和标准κ-ε双方程湍流模型，采用滑移网格方法，对列车通过隧道进入风区后，风-车-桥-地形耦合作用下高速列车气动性能进行模拟。模拟线路周围的复杂地形地貌，针对8节编组的和谐号高速列车以350 km/h速度在强侧风复杂地貌下的运行进行研究。研究结果表明：地形显著改变沿线风速分布情况，并通过改变风速来影响列车气动性能；列车在驶出隧道突入风区时气动力急剧增加。此后，列车沿风区线路运行时，所受侧向力变化明显，其中头车侧向力变化最小，尾车最大；与侧向力相比列车升力变化不明显，头车升力变化最大，尾车升力变化最小。通过对沿线风速的监测，可知地形对沿线风速改变显著。

关键词：高速列车；隧道；桥；地形地貌；风速；气动性能

中图分类号：U270.11             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2015)06-2359-07

Unsteady aerodynamic performance of high-speed train on local geomorphology under strong wind

NIU Jiqiang, ZHOU Dan, LI Zhiwei

(Key Laboratory of Traffic Safety on Track, Ministry of Education,

School of Traffic & Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Abstract: Based on the three-dimensional unsteady compressible Reynolds-averaged N-S equation and the standard κ-ε dual equation turbulence model, the operation of high-speed train was simulated coupling with the wind-train-bridge-terrain by using sliding mesh method. The model of terrain around the railway line was constructed according to real situation. The running of 8-car EMU at the speed of 350 km/h under the strong wind was researched. The results indicate that the distribution of wind velocity along the railway is changed significantly with the change of terrain, and the aerodynamic performance of train is affected by the mutative wind velocity. The aerodynamic of train increases sharply when the train is pulled out of the tunnel into the wind zone. Thereafter, when the train is running on the railway in the wind zone，the lateral force of train changes significantly. The change of truck lateral force is the least, and the tail car is the largest. The change of lift force is not significant compared to lateral force. The change of truck lift force is the largest, and the tail car is the least. The change of terrain affects wind velocity along the railway significantly according to monitoring wind velocity.

Key words: high-speed train; tunnel; bridge; terrain; wind speed; aerodynamic performance

恶劣风是导致列车脱轨的主要气象灾害之一，轻则导致路网中断，重则致使列车倾覆，社会影响极大；高速列车速度高、自重轻，抗倾覆能力低，安全问题更为突出。对于一些特殊的风环境，如特大桥梁、高架桥、路堤、丘陵及山区的风口区域，列车的绕流流场改变更为突出，气动力显著增大，导致列车脱轨、翻车的可能性大大增加^[1]。研究表明车辆受到的横向气动力随着车速和风速的增大而增大，当列车从隧道突入到强横风环境中时，即车辆在突变载荷作用下更容易发生倾覆事故^[2]。大风导致的铁路行车事故在世界各国时有发生，如日本1986年山阴正线余部桥事故；1994年2月JR北海道根室正线和道南线事故；1997年6月JR西日本湖西线事故，1998年3月JR九舟祝肥线事故等^[3-4]。国内外学者对列车在强风环境下的运行安全进行了大量研究^[5-13]。由于风-车-桥-地形耦合作用下列车气动性能模拟工作量巨大，对计算机要求很高，建模有一定困难。目前，很少有涉及强风环境下耦合局部地貌对高速列车气动性能影响的文献。本文作者采用滑移网格方法，模拟8节编组的高速列车通过隧道进入风区的运行过程。并对高速列车运行在强侧风复杂地貌下的气动性能进行研究。

1  数学模型

横风作用下列车外部流场的分析目前国内外比较通用的是合成风方法，即将列车视为静止，将横风风速与列车前进速度进行矢量合成(即合成风)。本文采用的滑移网格技术可以模拟列车在轨面上的运动，实现了列车速度和横风的完全分离，是一种更直接和更真实的数值模拟方法^[14]。

列车以350 km/h速度通过隧道进入风区时，其位置时刻在变化，属于瞬态问题；虽然马赫数小于0.3，但是考虑到列车通过隧道时，空气受到隧道壁面和列车表面的限制，隧道内空气会受到强烈挤压，需考虑空气的可压缩性；列车流场雷诺数一般大于10⁶，流场处于湍流状态，因此，整个流场采用瞬态、黏性、可压缩流的Navier-Stokes方程和κ-ε两方程湍流模型描述，方程如下^[15]。

连续性方程：

             (1)

X方向动量方程：

 (2)

Y方向动量方程：

 (3)

Z方向动量方程：

 (4)

湍流动能κ方程：

       (5)

湍流动能耗散率ε方程：

   (6)

上述方程均忽略了空气的质量力。式中：V为速度矢量；u，v和w为各坐标方向的速度分量；ρ为空气密度；μ_eff和P_eff分别为有效黏性系数和有效压力，其值与湍流动能κ和湍流动能耗散ε有关。上述6个方程含有6个未知量：u，v，w，P，κ和ε方程组封闭，可以进行数值求解。

2  计算模型及区域

2.1  计算模型

采用8车编组的和谐号高速列车为计算模型，同时对车辆进行简化，没有模拟转向架及车体表面的一些细小部件。整个计算区域采用结构网格进行划分。为了准确模拟车辆周围涡流的形成及脱落和附面层效应，对车身表面附近的单元做了加密处理，空间体单元约3 000万个。车身表面离散网格图如图1所示。计算的时间步长为1×10^-5 s，利用国际主流商用CFD软件—Fluent，在中南大学高性能计算平台采用128个CPU进行并行计算模拟，计算时长约300 h。

图1  车体表面网格

Fig. 1  Grid of train

2.2  计算区域

为模拟线路周围大环境对列车气动性能的影响，选取线路周围8×10⁵ m²左右的地形区域作为数值模拟计算区域，真实地模拟了地形地貌对高速列车气动性能的影响。为保证流场充分发展，避免边界条件对流场结构的影响，计算区域长、宽、高分别为1 000，800和300 m，列车初始位置位于距隧道出口100 m处的隧道内。计算区域如图2所示。

图2  计算区域

Fig. 2  Computational domain

3  计算结果与分析

3.1  数值计算结果与风洞试验数据对比

为验证本文所采用计算方法的正确性，在中国空气动力研究与发展中心低速所8 m×6 m大型低速风洞进行风洞实验。高速列车模型如图3所示，列车为3车编组的高速列车，模型为1:8钢骨架木质模型。来流风速为v=60 m/s，试验中侧滑角β分别为-15.14°，-10.22°，0，5.15°，10.22°，15.14°和19.72°。

图3  高速列车模型

Fig. 3  Model of EMU

为将数值计算结果与风洞实验数据进行对比，建立与风洞实验相同的列车模型。由于数值模拟采用滑移网格方法，得到各节车的气动分力是时域下的计算结果。因此，根据(式中：x_i为各时刻下气动力系数，n为样本总数)计算得到气动力系数均方根。

图4所示为相应的3车编组高速列车平地上运行时气动力系数计算结果的均方根与风洞试验结果随侧滑角变化曲线。各系数定义如下。

侧向力系数：

                 (7)

升力系数：

                 (8)

倾覆力矩系数：

                (9)

其中：；ρ为密度，取1.225 kg/m³；v为来流速度；S为参考面积，取S=0.175 m²；C为侧向力；L为升力；M为倾覆力矩；b为横向参考长度，b=0.195 m，倾覆力矩的取矩点为背风侧0.8倍的半轨距^[15]；C_y为侧向力系数；C_z为升力系数。

图4  气动和实验结果与计算结果比较

Fig. 4  Comparison between experimental results and calculation results for aerodynamic force

从图4可以看出：侧向力及升力系数均随侧滑角的增加而增加；计算所得侧向力系数与实验结果规律一致，两者吻合度较好，最大偏差不超过10%，满足工程应用的要求。

3.2  测点风速计算结果及分析

图5所示为测点布置示意图。桥上沿线路方向距隧道出口每隔10 m处布置1个测点，共计70个测点。计算中，给定车速为350 km/h，给定边界初始风速为25 m/s。

图5  测点布置图

Fig. 5  Measuring points on bridge

图6所示为线路上无列车运行时，沿线风速变化曲线。沿桥长度方向从隧道口开始各测点所测风速可以看出：桥上各监测点的风速并不是一样的，最大风速比为1.39，最小风速比为1.11，分别对应最大风速34.83 m/s，最小风速27.67 m/s。因此，沿路周围风速分布受地形地貌的影响显著。

图6  沿线风速变化曲线

Fig. 6  Curves of wind velocity along railway

结合地形图分析可知：气流经过山地丘陵地区时，该地区复杂的地形、地貌显著改变了近地流动风的风速、风压和湍流结构，使得这些地区的风流场呈现与平坦地区较明显的差异。

图7所示为压力云图。由图7可知：迎风面将产生较大的正风压；在背风面将发生流场分离甚至出现涡流。结合图2和图6，距隧道出口450 m处测点来流方向对应山谷口中间处，由此可知，山谷地形的狭道效应使山谷内风速明显增加。

图7  压力云图

Fig. 7  Pressure contour

3.3  列车通过测点压力变化

图8所示为横风速度25 m/s，列车以350 km/h速度在线路上运行时，各测点的压力幅值及压力差。图9所示为沿桥方向各监测点的压力变化时程曲线。

如图9中的计算结果可以看出：在强侧风情况下，当列车通过线路上测点时，测点压力变化幅值较大。这是由于高速行驶的列车使列车周围的空气(流场)受到强烈扰动，尤其是列车头部或尾部通过测点瞬间，将引起测点处的空气压力发生突变，形成一种瞬态压力冲击，当车体与测点之间间距较小时将引起剧烈的压力波动。计算采用的高速列车车体较宽(车体宽为3.38 m)，测点距外侧线路中心线仅2.5 m，列车高速通过测点时引起的压力波动非常显著。由于线路周围地形复杂，导致各测点风速变化，进而导致各测点的压力幅值差变化较明显。

图8  测点压力幅值差的变化

Fig. 8  Variations of amplitude difference for pressure

图9  测点压力的变化

Fig. 9  Variations of pressure for point

3.4  列车气动力结果分析

3.4.1  侧向力

图10所示为风速25 m/s下，高速列车以350 km/h车速在线路上运行时，列车所受侧向力沿桥长度方向的变化。从图10中列车在线路上运行时所受侧向力变化可以看出：列车驶出隧道进入风区后，受到的侧向力会急剧增加，受地形地貌的影响，高速列车各节车所受的侧向力差距十分明显。图11所示为列车头车和尾车出隧道压力分布云图。高速列车强风区线路上运行时，头车所受侧向力最大，尾车所受侧向力最小，中间6节车所受侧向力值介于头车和尾车之间，相差不明显，且从头车到尾车所受侧向力呈减小趋势。列车在运行过程中，尾车所受侧向力方向发生变化。

表1所示为列车出隧道进入风区后所受侧向力计算结果。表1中：F_max为列车运行过程中所受最大侧向力；F_min为列车出隧道后所受最小侧向力；α为F_max相比F_min增大率。从表1可知：列车在强风区线路上运行过程中，头车所受侧向力变化最小，为30%；尾车变化最大，为182%，且方向发生变化；中间车6节车变化基本一致，在50%左右。与无地形只有桥的情况相比，地貌对列车侧向力影响显著。尾车受列车尾流的影响，尾车侧向力波动很大。因此，地形风对尾车所受侧向力影响较大，容易导致列车尾部在运行中摆动较大。

表1  车辆侧向力的计算结果

Table 1  Calculation results for lateral force of car

图10  车辆侧向力的变化

Fig. 10  Variations of lateral force for car

图11  列车出隧道

Fig. 11  Train running out of tunnel

3.4.2  升力

图12所示为风速25 m/s时，高速列车以350 km/h车速在线路上运行，列车所受升力沿桥长度方向变化曲线。从图12可以看出：列车驶出隧道进入风区后，受到的升力会急剧增加，尤其头车从受负升力突变成受正升力。比较图6和图12可知：各节车所受升力变化曲线与风速变化曲线相吻合。

表2所示为列车各节车出隧道进入风区后所受升力计算结果。从表2可以看出：高速列车在风区线路上运行过程中，各节车所受升力，相差不明显。头车所受升力变化最大，为77%；尾车变化最小，为29%；中间6节车除3号车变化稍大外，其他各节车升力变化基本一致。由此可知：地形风对头车升力影响最大，对其他车影响很小，尤其对尾车影响最小。

表2  车辆升力的计算结果

Table 2  Calculation results for lift force of car

图12  车辆升力的变化曲线

Fig. 12  Curves of lift force for car

3.4.3  倾覆力矩

图13所示为风速25 m/s时，高速列车以350 km/h车速在线路上运行，列车倾覆力矩沿桥长度方向变化曲线。图13与图10相比，倾覆力矩与侧向力变化规律基本一致。因此可知，侧向力对列车倾覆力矩的贡献大于升力。

表3所示为列车各节车出隧道突入风区后所受倾覆力矩计算结果。从表中可以看出高速列车在线路上运行过程中，各节车最大倾覆力矩中，头车最大，尾车最小，中间6节车的倾覆力矩相差不明显。

表3  车辆倾覆力矩的计算结果

Table 3  Calculation results for moment of car

图13  车辆倾覆力矩的变化曲线

Fig. 13  Curves of moment for car

4  结论

1) 地形显著改变了沿线风速分布情况，在各监测点中，最大风速为34.83 m/s，最小风速为27.69 m/s。因此在选取测风站合理位置时要考虑周围地形对风的加速和阻滞效应的影响。

2) 高速列车驶出隧道进入风区时，列车所受气动力瞬间急剧增加，并且头车变化最大。

3) 列车在风区高速行驶过程中，列车所受气动力会因受到地形风的影响而出现明显波动。

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(编辑  陈爱华)

收稿日期：2014-06-13；修回日期：2014-08-20

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51105384)；湖南省研究生科研创新项目(Project (51105384) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project supported by Hunan Provincial Innovation Foundation For Postgraduate)

通信作者：牛纪强，博士研究生，从事列车空气动力学研究；E-mail：jiqiang_niu@163.com