高速运行动车组对防电板的气动作用及稳定性影响
李燕飞，梁习锋
(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N-S方程和k-ε双方程湍流模型，应用FLUENT软件对动车组以250 km/h速度运行时防电板的气动力进行数值计算，并通过ANSYS软件对防电板在气动力作用下的稳定性进行分析。实验结果表明：动车组高速运行所产生的气流对防电板的作用力主要是气动升力；当防电板高度相同时，流线型较差的CRH1动车组对防电板气动作用较大，如当防电板高度为7.5 m，CRH1和CRH2动车组均以250 km/h速度运行时，前种工况防电板所受升力比后者大47.8%；当车型相同时，高度为7.5 m的防电板所受气动力大于高度为7.8 m的防电板所受气动力，如CRH1动车组通过时，前者升力比后者大17.8%；气动力作用下防电板最大位移为0.068 mm，稳定性较强。
关键词：防电板；动车组；气动力；数值计算；稳定性分析
中图分类号：U270.11 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2009)06-1587-06
Aerodynamic function and stability influence of high-speed moving EMUs on insulated boards
LI Yan-fei, LIANG Xi-feng
(Key Laboratory of Traffic Safety on Track, Ministry of Education, School of Traffic and Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)
Abstract: Based on three dimensional unsteady N-S equations and the k-ε turbulence model, the software FLUENT was adopted to carry out numerical simulation calculation for aerodynamic force of insulated boards when electrical multiple unit (EMU) passed by at 250 km/h, and the software ANSYS was used to analyse the steady performance. The results show that airflow function induced by moving EMUs to insulted board is mainly lift force. To the same altitude insulated board, the function is bigger from worse streamlines EMU, as CRH1 passes by at 250 km/h, the lift force that 7.5 m-height insulated board receives is 47.8% bigger than the one as CRH2 passes by at the same speed; while the same EMU passes by, aerodynamic function to 7.5 m-height insulated guard is bigger than that to 7.8 m-height one, as CRH1 passes by at 250 km/h, the former is 17.8% bigger than the latter. Due to airflow function, the maximum displacement of insulated boards is 0.068 mm, so the stability is well.
Key words: insulated board; electrical multiple unit; aerodynamic force; numerical calculation; stability analysis
根据铁路电气化发展对接触网上方安全作业的要求，我国在铁路电气化区段采用了整体式防电板。该防电板适用于电气化铁路带电接触网上方建筑物施工及维修时使用，以保证施工人员的人身安全。同时，该防电板安装、拆除轻便且不需要停电，在施工期间对运输无干扰，可提高施工进度和工作效率，具有显著的经济效益[1]。2007年4月，我国铁路实施第6次大范围提速，动车组在我国主干电气化线路上投入运行。高速行驶的列车引发防电板周围空气的强烈扰动，对防电板产生瞬态压力冲击，使防电板表面空气压力发生突变。该瞬态压力冲击是否会成为防电板气动稳定性的不利因素，从而影响到作业人员的人身安全，这些问题都亟待研究。在此，本文作者采用国际上通用的大型流场计算软件Fluent和有限元分析软件ANSYS，对动车组(CRH1和CRH2)以250 km/h速度运行时，线路正上方和邻线上方的防电板(距轨面高度分别为7.5 和7.8 m)进行气动力计算和稳定性分析，以便为动车组高速运行条件下的防电板设计与运用提供科学依据。
1 控制方程
描述列车与防电板之间的相对运动时，列车和防电板的周围空气流动要同时遵守物理守恒定律和附加的湍流输运方程。物理守恒定律在本文中通过质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程来体现；对于湍流输运方程，Fluent提供了多种湍流模型，本文作者选取工程上应用较广的k-ε双方程模型进行非定常计算。所用控制方程由连续性方程、动量方程(x，y和z 3个方向的方程)、能量方程和湍流模型方程(k和ε 2个方程)以及状态方程等8个方程组成，具体形式见文献[2-4]。
2 计算工况、计算模型、计算区域、计算网格及边界条件
2.1 计算工况
为研究防电板受到的气动力与列车外形以及防电板高度的关系，本文分别对CRH1和CRH2 2种动车组以250 km/h速度通过线路正上方和邻线上方的防电板(防电板高度有7.5 m和7.8 m 2种)时，防电板受到的气动力进行数值计算，并对防电板在气动力作用下各方向的位移进行分析计算。
2.2 计算模型
本文计算采用的防电板模型是整体式防电板，它是由弧形绝缘板与骨架所组成的整体结构，骨架上设有与吊杆连接的连接孔，通过吊杆骨架与悬挂工作台连接[1]，从而保障悬挂工作台上方作业人员的人身安全。防电板的结构和2种动车组的头形分别如图1和图2所示。防电板的架设方式见文献[4]。
图1 防电板结构图
Fig.1 Structure of insulated board
图2 动车组头部外形图
Fig.2 Head profile of EMUs
2.3 计算区域
考虑到气流的绕流和流场的充分发展，计算区域的高度和宽度方向的尺寸应远大于车体截面相应的尺寸。在长度方向，为便于入口、出口边界条件的给定， 入口截面应当远离车体，以避免受到列车绕流的影响，从而保证速度分布均匀；计算区域下游边界也应尽可能远离列车尾部，以避免出口截面受到列车尾流的影响[5-6]。坐标原点在动车组头部轨面高度位置上，升力正方向与z坐标轴正方向一致。计算模型的横截面阻塞比为0.13%。计算区域见图3。
图3 计算区域图
Fig.3 Diagram of calculation region
2.4 计算网格
本研究采用滑移网格技术模拟动车组运行经过防电板的过程。滑移网格技术的基本原理是对包含2个相对运动物体(动车组与防电板)的整个流场，采用分区网格生成办法，将整个流场分为2个计算区域。2个计算分区分别包含动车组和防电板，分区之间通过交界面来连接。随着列车不断向前运动，列车周围的网格也随列车以恒定的速度向前运动。运动网格与静止网格之间的流场信息交换需要通过交界面插值得到[7-8]。
采用非结构网格对计算区域进行离散，物面为三角形网格，空间采用四面体网格，空间体单元约160万。横截面网格见图4。
图4 横截面局部网格图
Fig.4 Part grid in cross section
2.5 边界条件
区域1沿x正向给定列车运行速度，y和z向速度分量为0；区域1上表面BDFH(见图3)和区域2下表面IKMO为数据交换面；对流域前、后两端面(即ABCD，EFGH，IJKL和MNOP)给定压力出口边界条件，取静压为0；流域两侧面以及上、下表面均按光滑壁面处理，给定无滑移边界条件，即vwall=0。
3 计算结果
高速行驶的动车组产生的气流引起防电板表面空气压力发生突变，使其受到一瞬态气动力的作用。表1和表2所示分别为动车组以250 km/h速度运行时，线路正上方和邻线上方的防电板所受气动力的数值计算结果。当防电板位于列车运行线路正上方时，由于对称性，防电板所受横向力为0。
表1 线路正上方防电板气动力计算结果
Table 1 Calculation results of aerodynamic force for insulated board over line
表2 邻线上方防电板气动力计算结果
Table 2 Calculation results of aerodynamic force for insulated board over neighbor line
由表1和表2可知，高速运行的动车组对防电板的作用力主要表现为气动升力；线路正上方的防电板所受升力和纵向力均比邻线防电板的大，升力尤为明显，前者是后者的2倍以上；在同一线路上，流线型较差的CRH1动车组对防电板的气动作用大于CRH2动车组对防电板的气动作用，如表1中当防电板高度为7.5 m，CRH1和CRH2动车组均以250 km/h速度运行时，前种工况防电板所受正、负升力的幅值比后者分别大35.4%和47.8%。当动车组车型相同时，高度为7.5 m的防电板所受气动力大于高度为7.8 m的防电板，如表1所示。CRH1以250 km/h速度运行时，高度为7.5 m的防电板所受正、负升力的幅值比高度为7.8 m的防电板分别大16.0%和17.8%。
图5和图6所示分别为CRH1和CRH2动车组以250 km/h速度运行时，线路正上方7.5 m和7.8 m高度位置的防电板所受升力随时间的变化。由图5和图6可知，在不同工况下，防电板所受升力的变化规律相同：在动车组经过防电板过程中，防电板所受升力随时间变化的历程曲线会出现2次波峰和2次波谷；当动车组头部经过防电板时，升力先后出现1个波峰值和1个波谷值；当尾部经过防电板时，升力变化与头部的相反，先出现波谷值然后出现波峰值。头波的波峰与尾波的波谷两者数值的绝对值大致相等，对应的头波波谷与尾波波峰的绝对值也大致相等。这是头车与尾车的车型一致、方向相反的缘故。
(a) 防电板位置高度7.5 m；(b) 防电板位置高度7.8 m
图5 CRH1动车组以250 km/h速度运行时防电板所受升力随时间的变化
Fig.5 Variations of lift force for insulated board with time at CRH1 running speed of 250 km/h
(a) 防电板位置高度7.5 m；(b) 防电板位置高度7.8 m
图6 CRH2动车组以250 km/h速度运行时防电板所受升力随时间的变化
Fig.6 Variations of lift force for insulated board with time at CRH2 running speed of 250 km/h
图7(a)~(d)所示分别为CRH1动车组以250 km/h速度通过线路正上方7.5 m高度防电板时，防电板升力曲线4次峰值所对应的防电板与列车相对位置及防电板纵向剖面压力分布等值线图(4次峰值对应的时刻分别为0.715，0.795，1.800和1.890 s)。由图7可知，当动车组头部鼻尖位置靠近防电板时，由于防电板周围空气受到运行列车头部的挤压，其压力分布表现为正压，并且防电板底面的空气压力大于顶面压力，从而防电板受到一个向上的正升力作用(见图7(a))；当头部司机室与车身过渡位置通过防电板时, 由于气流的绕流作用，此处空气流速增加，空气压力转为负压，且防电板底面的负压较顶面大，因而防电板受到一个向下的负升力作用(见图7(b))；当列车尾部通过防电板时，由于尾车与头车形状相同、方向相反，因而防电板的受力情况与列车头部通过防电板时的相反(见图7(c)和(d))。
t/s: (a), (b) 0.715; (c), (d) 0.795; (e), (f) 1.800; (g), (h) 1.890
图7 防电板与动车组的相对位置以及防电板纵向剖面压力云图
Fig.7 Relative position between insulated board and EMUs, as well as corresponding pressure distribution on lengthways section of insulated board
为研究动车组高速运行所产生的气流对防电板稳定性的影响，本研究应用ANSYS软件对防电板在气动力作用下各方向的偏移量进行了分析计算。由于防电板通过卡座直接悬挂于预制梁的下方，因而约束设在吊杆顶端。假设防电板和施工人员的总质量为150 kg，取防电板各项气动力的最大值进行计算。图8所示为邻线上方防电板受到气动力最大时的位移分布云图，表3所示为防电板在各方向上位移的计算结果。
图8 邻线上方防电板位移分布云图
Fig.8 Displacement distribution of insulated board over neighbor line
表3 防电板位移计算结果
Table 3 Displacement calculation results of insulated board 位移/mm
从图8和表3可知，当动车组以250 km/h速度经过防电板时，防电板在气动力作用下各方向产生的最大位移仅为0.068 mm，对防电板稳定性影响非常小。这表明从动车组高速运行引发的气流对放电板的气动作用来说，目前防电板的设计与安装方案是可行的。
4 结 论
a. 动车组高速运行所产生的气流对防电板的作用力主要是气动升力。
b. 当动车组头部经过防电板时，升力先后出现1个波峰值和1个波谷值；尾部经过防电板时，升力变化情况与头部的变化情况相反。最大正升力和最大负升力分别出现在列车头部和尾部司机室与车身过渡位置靠近防电板时，如CRH1动车组以250 km/h速度通过防电板时，防电板受到的最大正升力和负升力分别为170和180 N。
c. 对于同一高度的防电板，流线型较差的动车组对防电板气动作用较大，如当防电板高度为7.5 m，CRH1和CRH2动车组均以250 km/h速度运行时，前种工况防电板所受升力比后者大47.8%。
d. 对于同一车型的动车组，高度为7.5 m的防电板所受气动力大于高度为7.8 m的防电板所受气动力，如CRH1动车组以250 km/h速度通过时，前者比后者大17.8%。
e. 动车组以250 km/h运行速度经过铁路沿线的防电板时，防电板产生的最大位移仅为0.068 mm，目前防电板的设计与安装方案可行。
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收稿日期：2008-11-15；修回日期：2009-03-10
基金项目：铁道部科技发展计划项目(2007J002)
通信作者：李燕飞(1981-)，女，浙江龙游人，博士研究生，从事列车空气动力学研究；电话：13107486861；E-mail: zhongnanyanfei@yahoo.com.cn
