强侧风下客车在不同路况运行的气动性能比较
周 丹，田红旗，杨明智，鲁寨军
(中南大学 轨道交通安全教育部重点实验室，湖南 长沙，410075)
摘 要：
摘 要：基于三维、非定常N-S方程，采用动网格技术对青藏线客运列车在强侧风作用下运行进行模拟，得到客车分别在桥梁、路堤、路堑及平地上运行所受到的气动力及力矩。将客车在路堤上运行的数值模拟结果与风洞 实验进行对比。研究结果表明：侧向力、升力和倾覆力矩数值模拟结果与风洞实验结果均吻合较好；车速一定时，随着侧风速度的增大，列车在桥梁、路堤、平地上运行所受气动力和倾覆力矩均急剧增加，而在路堑上运行所受气动力及力矩增加缓慢；当侧风速度一定的情况下，客车在高桥上运行所受到的气动力及力矩最大，因此，强侧风下列车在高桥上运行较容易发生倾覆事故；在路堑上所受到的气动力相对最小。
关键词：
中图分类号：U270.1 文献标识码：A 文章编号：1672-7207(2008)03-0554-06
Comparison of aerodynamic performance of passenger train traveling on adifferent railway conditions up strong cross-wind
ZHOU Dan, TIAN Hong-qi, YANG Ming-zhi, LU Zhai-jun
(Key Laboratory on Track Traffic Safety of Ministry of Education, Central South University, Changsha 410075, China)
Abstract: To simulate numerically the train traveling on bridge, embankment, cut, and flat under the conditions of cross-wind, the three-dimensional Navier-Stokes equations were solved using dynamic mesh technique. When train traveled on embankment, the simulation results were compared with wind tunnel test results. The results show that side force, lift and overturning moment obtained by simulation and by wind tunnel test are consistent. When train travels with certain speed, the aerodynamic force and overturning moment acting on passenger car running on bridge, embankment and flat will increase greatly as cross-wind becomes larger while those increase less when the train runs on cut. Under the condition of strong cross-wind, aerodynamic force and overturning moment acting on train traveling on bridge are the largest. So the train traveling on bridge tends to overturn compared with that traveling on other three kinds of railway conditions. Aerodynamic force and moment acting on train traveling on cut are the least.
Key words: strong cross-wind; aerodynamic forces; Qinghai-Tibet railway; passenger train; wind tunnel test; numerical simulation
在强侧风作用下，列车气动性能恶化，严重影响列车的横向稳定性，因此，容易造成列车脱轨、倾覆事故[1-3]。同时，在路堤、特大桥梁、丘陵及山区的风口地段，列车绕流流场明显改变，导致气动力显著增加，列车脱轨、倾覆的可能性大大增加[4-6]。由侧风所导致的列车事故在世界各国时有发生，大风给铁路运输安全、人民生命财产造成严重威胁[7-9]。
根据青藏高原气象实测资料分析，青藏铁路五道梁至安多段正好位于高原大风中心区域，其平均年大风日数在100 d以上，目前有记录的极端最大风速达38 m/s[10]。强侧风作用下列车外部流场的分析目前国内外比较通用的是采用合成风法[11]，即将列车视为静止，外界自然风速度和列车运行速度的反向进行矢量合成。在此，本文作者采用动网格技术可以模拟列车在轨面上的运动，因而，可以将列车运行方向和侧风风速完全分离开来，是一种更直接和更真实的数值模拟方法。采用该方法对青藏线客运列车车辆在4种不同路况下(路堤、桥梁、平地和路堑)运行的气动性能进行了研究，为研建青藏线大风预警系统、合理设定大风环境下运行速度限值奠定基础。
1 数学模型
青藏铁路是世界上海拔最高、线路最长的高原冻土铁路，线路位于海拔4.000 km以上地段960 km，占线路总长84%，最高点海拔5.072 km[12]。故本文计算空气密度取海拔4.500 km时的空气密度0.776 kg/m3，黏性系数为1.644×10-5 kg/(m·s)[13]。其中，对流项及k和ε均采用的是二阶迎风格式离散，并用SIMPLEC算法对客运列车在强侧风作用下运行进行求解。
连续性方程：
湍流动能k方程：
湍流动能耗散率ε方程：
方程组6个方程含有6个未知量：u，v，w，p，k和ε，方程组封闭，可对它进行数值求解。
2 计算模型、计算区域和边界条件
2.1 计算模型及计算区域
计算模型取3车编组，即机车加2节客车，车辆之间以风挡连接。为了较真实的计算客车所受的气动载荷，并且避免网格数过多，对客车转向架部分进行了模拟，但忽略了基础制动装置等细小设备。图1所示为列车在桥上运行的计算模型。计算区域的划分采用非结构化网格，客车的计算网格如图2所示。
图1 计算区域及坐标定义
Fig.1 Calculation zone and definition of coordination
图2 客车表面网格
Fig.2 Mesh of car surface
2.2 数值边界条件
2.2.1 速度入口条件
由于自然风服从指数分布规律[14]，侧风入口ABCD分别按指数分布来流给定Y向速度分布，即Y向给定的流速为沿Z坐标变化的指数风：
2.2.2 移动壁面边界条件
列车表面按列车运行速度分别给定X方向的速度。
2.2.3 无滑移的壁面边界条件
地面、路堤、桥梁或路堑满足无滑移的壁面边界条件。
2.2.4 压力出口条件
其他边界设置为压力出口条件，静压为零。
3 计算结果
3.1 数值计算结果与风洞试验的对比
风洞试验在长×宽×高为15 m×8 m×6 m的大型低速风洞进行，列车为3车编组(机车＋2节客车)，路堤高度为5 m，桥梁高度为35 m，模型为1?15钢骨架木质模型。来流风速为v ＝60 m/s，侧滑角分别为0?，30?，45?，60?，75?和90?。
为验证本文所采用计算方法的正确性，对客车在路堤上运行进行了风洞试验。图3所示为在同样来流条件下，相同外形的客车在路堤上所受侧向力、升力及倾覆力矩的数值计算结果与风洞试验结果对比。
1—试验侧向力；2—计算侧向力；3—试验升力；4—计算升力；5—试验倾覆力矩；6—计算倾覆力矩
图3 试验结果与计算结果比较
Fig.3 Comparison between experimental results and calculation results for aerodynamic force and moment
从图3可以看出，计算所得到的侧向力、升力和倾覆力矩和实验结果规律一致，吻合比较好，说明本文采用的数值计算模型和计算方法是合理的。
3.2 强侧风作用下客车不同路况气动性能比较
本文计算选取青藏线的典型路况：桥梁高度35 m，路堤高度5 m，路堑深3 m。根据文献[1, 15]，取车辆运行速度为120 km/h；侧风风速分别为15，25，35和40 m/s 4档。图4所示为客车在桥上、路堤上、路堑及平地上运行截面压力云图及流线图。
(a) 路堤压力云图；(b) 路堤流线图；(c) 桥压力云图；(d) 桥流线图；
(e) 路堑压力云图；(f) 路堑流线图；(g) 平地压力云图；(h) 平地流线图
图4 客车在不同路况下运行的压力云图和流线图
Fig.4 Pressure contour and flow line of section of passenger car on different railway conditions
从客车压力云图可以看出，在强侧风作用下，列车在不同路况运行：车体迎风面为正压，背风面为负压，指向相同，即大风作用于列车的侧向力为车辆两侧压力的叠加，使列车受到较大的侧向力，是导致车辆倾覆的重要因素；车体顶部和底部均为负压，指向相反，但车体顶部能自由膨胀，负压较大，而底部膨胀受到地面限制，负压较小，使车辆在大风作用下受到较大的正升力(上吸力)，是导致车辆倾覆的另一因素。
图5~7所示为客车在桥、路堤、平地和路堑4种路况上运行时，气动力及倾覆力矩随风速变化的计算结果。
1—桥；2—路堤；3—路堑；4—平地
图5 客车侧向力随风速变化
Fig.5 Variation of side force acting on car with speed of wind
1—桥；2—路堤；3—路堑；4—平地
图6 客车升力随风速变化
Fig.6 Variation of lift acting on car with speed of wind
1—桥；2—路堤；3—路堑；4—平地
图7 客车倾覆力矩随风速变化
Fig.7 Variation of overturning moment acting on car with speed of wind
从图5~7可以看出，随着环境风速度的增大，列车在4种不同路况下运行，车体迎风面的正压与背风面的负压均加大，车辆受到的侧向力增加；车体顶部负压增加快，底部负压增加慢，压差加大，车辆受到的升力增加。当风速由15 m/s增加到40 m/s，客车在桥梁、路堤、平地上运行时，气动力及倾覆力矩均增加了5倍左右；而在路堑上运行时，客车所受气动力及力矩仅增大了2.5倍左右。因此，客车在路堑上运行受环境风的影响相对较小。
强侧风条件下，比较客车在路堤、桥梁、路堑和平地4种路况上运行，客车在桥上所受侧向力、升力及倾覆力矩均最大；路堤上次之，路堑上最小。这是由于列车在桥梁和路基上运行时，其流动机理有所不同：列车在桥梁上运行时，虽然桥梁下方空气可以自由流动，但桥梁的高度远大于其他3种路况的高度，由于自然风服从指数规律，作用于桥上的风速相对较大，导致列车在桥上所受气动力也较大。在路堤上运行时，由于存在路堤边坡，将改变来流的方向，相当于气流增加了1个攻角，使得升力显著增加；而且沿边坡流动的气流到达坡顶时，经过较大的膨胀，速度将明显增加，使列车迎风面的压力增大，侧向力也随之加大。列车运行于路堑中，大风受到线路两侧边坡的阻挡，其对列车的影响要小很多，有利于行车安全。
4 结 论
a. 在强侧风作用下，青藏线客车在桥、路堤、平地和路堑4种不同路况上运行时，车体迎风面均受正压，背风面为负压，指向相同，即大风作用于列车的侧向力为车辆两侧压力的叠加，使列车受到较大的侧向力，是导致车辆倾覆的重要因素；车体顶部和底部均为负压，指向相反，由于顶部负压大于底部，使车辆在大风作用下受到较大的正升力。
b. 随着侧风速度的增大，在桥、路堤、平地上运行的车辆受到的侧向力、升力及倾覆力矩均急剧增加；在路堑上运行的车辆气动力及力矩缓慢增加。
c. 客车在路堤、桥梁、路堑和平地4种路况上运行，客车在桥上所受侧向力、升力及倾覆力矩均最大，故在强侧风下客车在高桥上运行较容易发生倾覆事故；路堤上次之，路堑上最小。
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收稿日期：2007-06-22；修回日期：2007-09-06
基金项目：铁道部科技研究开发计划项目(2005G055)
通信作者：周 丹(1980-)，女，湖北武汉人，博士研究生，从事列车空气动力学方面研究；电话：13874807246；E-mail: lzj-zj@163.com
