DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.01.042
动车组横风环境下的交会气动效应
刘峰，姚松，张洁，张娜
(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：采用三维、可压缩、非定常N-S方程的数值计算方法，对8辆编组的动车组在20 m/s横风下以250 km/h速度交会时列车表面瞬变压力和车体所受气动力及力矩进行分析，并采用间接验证方法，将风洞实验、动模型实验得到的结果分别与数值模拟结果进行对比。研究结果表明：间接验证方法下所得气动效应实验结果和数值模拟结果变化规律一致，压力幅值相对误差在5%以内；动车组横风下交会时，车体头、尾处测点压力差别较大，中部位于同侧测点压力差异较小，同一高度、不同纵向测点的压力变化波形及幅值基本一致，车体顶部测点压力始终为负；对于车体所受横向气动力及倾覆力矩，头车比中间车和尾车的大，背风车比迎风车的大；随着横风风速的增加，列车所受横向气动力及倾覆力矩峰值也迅速增加，严重威胁着动车组的安全运行。
关键词：动车组；横风；交会；风洞实验；动模型实验；气动效应
中图分类号：U271.91；U25 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2016)01-0307-07
Aerodynamic effect of EMU passing by each other under crosswind
LIU Feng, YAO Song, ZHANG Jie, ZHANG Na
(Key Laboratory of Traffic Safety on Track of Ministry of Education,
School of Traffic & Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)
Abstract: Based on unsteady N-S equation of three-dimensional and compressible viscous fluid, the transient pressure on the car surface, aerodynamic pressure and its moment were analyzed on the condition that the EMU (electric multiple units) consisting of 8 carriages interact with each other at the speed of 250 km/h under a crosswind speed of 20 m/s. The results show that by contrasting the results of wind tunnel test and moving model experiment with numerical simulation using indirect verification method, the change law of aerodynamic effect shows agreeable accordance with an error under 5%. When passing by each other under crosswind, the pressure difference of measuring points on body and tail is obvious, the measuring points on the same side of middle part shows little difference, the waveform and amplitude of pressure variation on the measure points of different longitude directions with one height are the same generally, and the measurement point on the top of body presents negative pressure. The lateral force and overturning moment of the head car are greater than those of the middle and the tail, and the later force and overturning moment of the leeward vehicle are greater than those of the upward one. With the increase of crosswind speed, the aerodynamic lateral force and overturning moment increase by the power law, which threatens the safe running of EMU greatly.
Key words: EMU (electric multiple units); crosswind; train-crossing; wind tunnel test; moving model experiment; aerodynamic effect
动车组高速交会时，交会侧的空气压力发生突变，产生瞬态压力冲击，会对车体钢结构、侧窗和车体横向稳定性带来不利影响[1-3]。交会过程中若遭遇较大的横风，可使交会压力波幅值增加，列车将承受更大的横向冲击载荷[4-5]。我国地形及气象条件比较复杂，不少行车区段已处于强风区，而随着高速铁路的不断发展，强风区内动车组交会不可避免[6]：因此，研究动车组横风下交会时的气动效应具有很强的现实意义。对于横风效应和列车交会问题，国内外学者开展了诸多数值模拟研究[7-14]，但将二者进行耦合分析即同时考虑列车横风环境下发生交会的研究较少。为此，本文作者以国内处于风区中的某客运专线高速铁路为研究对象，采用数值模拟方法对动车组在横风下以250 km/h速度交会时的车体表面测点压力、车体所受横向气动力及倾覆力矩变化进行分析，为动车组在风区内交会安全性提供气动依据。另外，对于列车横风下交会这种复杂工况，采用的数值模拟方法很难通过实验手段进行直接验证。据文献[15]，在对物理假说进行验证时，对于受实验水平的限制暂时达不到要求的情况，可以采用间接验证的方法。基于这一思路，采用风洞模型实验和动模型实验，将动车组单列横风下运行、2列无风下交会运行的动车数值计算结果与实验结果分别进行对比，以间接验证本文所采用数值计算方法的可行性。
1 数值计算模型及计算方法
依照所选列车及线路的实际几何特征，建立列车横风交会数值计算模型。交会列车选用国内高铁线路上较常见的2款动车组，为了与实际运营尽量一致，列车模型均采用8辆编组，即头车、6节中间车和尾车，2款动车组全长分别为201.4 m和205.2 m。根据“铁路200~250 km/h既有线技术管理办法”，动车组在环境风速不大于20 m/s时可以正常速度运行，本文选择动车组交会速度为250 km/h，环境风速为20 m/s，风向角为90°。交会开始前2车头相距100 m，线间距为5 m。靠近横风入口的列车为迎风车，离横风入口较远的列车为背风车。采用混合网格对计算区域进行离散，即在几何外形复杂的列车周围区域采用非结构网格，其他区域采用结构化网格。同时加密列车周围网格密度，远离车体网格采用稀疏网格，密网格和稀疏网格之间以一定的增长因子均匀过渡。计算区域和计算网格分别如图1和图2所示。
图1 计算区域
Fig. 1 Computational zone
图2 计算网格
Fig. 2 Computational mesh
基于三维、非定常、可压缩、黏性流场对动车组横风下交会进行流场数值分析，采用工程上应用广泛的k-ε湍流模型，时间步长为0.005 s，详细流场控制方程及湍流模型见文献[16]。为了得到稳定初始流场，先让列车静止，加载横风，待风场充分发展后再启用滑移网格使列车运动。采用分区对接滑移网格技术，即在有相对运动的不同网格间设置公共滑移界面，从而实现彼此的数据交换。为了对车体表面瞬变压力进行分析，在动车组表面布置多个测点。迎风车与背风车布点方式一致，单列车共66个；头车和尾车测点布置位置相同，且数量相对较多；车体中部压力变化较小，所以，只在每节中间车的同一截面布置5个测点。具体布点方式如图3所示。
图3 动车组模型测点布置图
Fig. 3 Points arrangement of EMU model
2 横风下交会空气动力效应分析
2.1 动车组表面压力变化
当动车组无风交会、车体表面测点压力在对方头车鼻尖到达时，会产生1个正、负脉冲，即头波；在最大负脉冲出现后开始等幅波动，直到对方尾车鼻尖通过时，则会产生1个负、正脉冲，即尾波。由于本文选用动车组编组较长，故尾波幅度远小于头波幅度[17]。
当动车组交会发生在横风下时，流场则会同时具有横风特性和交会特性。一方面，横风会改变动车组表面尤其是头尾区域原有的压力分布，致使交会压力波也发生相应改变。以迎风车车头为例，横风作用会使车头表面正压区朝逆风向偏移，负压区朝顺风向偏移，因此，当背风车车身测点与其发生交会时，单由交会所产生的头波正脉冲被削减，负脉冲被加强。另一方面，2列动车组在横风下交会时，由于彼此之间具有挡风作用，使的车体表面压力幅值会产生进一步改变。图4所示为动车组横风下交会时车体表面的压力分布。
图4 动车组横风下交会车体表面压力云图
Fig. 4 Pressure contour of EMU in passing each other under crosswind
图5和图6所示分别为迎风车、背风车车身中部测点(21号测点)的压力变化曲线。从图5和图6可以看出：由于横风和交会压力波的双重作用，动车组横风交会时车体表面测点压力与无风交会时有明显不同；对于迎风车车体交会侧测点，与无风交会相比，压力头波正波幅值较大，负波幅值较小；而压力尾波正波幅值较小，负波幅值较大；头、尾波之间的区间段压力波动差别不大；对于背风车车体交会侧测点，幅值较大的为头波负波和尾波正波；非交会侧压力主要受横风影响，有风与无风时，测点压力幅值有一定的变化，而交会头波和尾波带来的幅值变化较小。
图5 迎风车车身中部测点压力变化曲线
Fig. 5 Curves of pressure for measuring points in the middle of upwind vehicle
图6 背风车车身中部测点压力变化曲线
Fig. 6 Curves of pressure for measuring points in the middle of leeward vehicle
2.2 动车组压力变化幅值
图7所示为动车组头车对称面上不同位置测点(见图3)的压力变化曲线。从图7可以看出：在同一时刻，头车鼻尖与车身过渡处压力相差4.00 kPa左右；动车组横风下交会时，除车体交会侧与非交会侧压力幅值差异较大外，头、尾车由于曲率变化较大，其测点压力幅值差异也比较大。以迎风车车体表面测点压力为例，交会过程中车体表面最大正压发生在车头鼻尖附近(1号测点)，为3.55 kPa，最大负压及最大压力峰峰值(最大值-最小值)发生在车头鼻尖偏交会侧附近(4号测点)，分别为-1.76 kPa和2.37 kPa。尾车测点压力幅值相对较小，鼻尖压力(66号测点)最大值及峰峰值分别为0.30 kPa和0.54 kPa。
动车组中部几何结构相对简单，位于车体同侧的测点压力变化较小。图8所示为车体中部同一断面不同测点压力变化曲线。从图8可以看出：对于动车组同侧的测点，随着车体垂向高度不同，测点压力变化不大，压力幅值及压力峰峰值仅相差0.05 kPa左右；车体顶部测点压力始终为负值，其最大正压及峰峰值分别为-0.16 kPa和0.41 kPa。沿车身不同纵向位置的测点，由于发生交会时刻不同，使得其压力变化也有所不同。图9所示为车体交会侧不同纵向位置测点压力变化曲线。从图9可以看出：除了相位有所不同外，各测点压力变化波形及幅值基本一致。背风车的各测点压力变化波形及幅值与迎风车的类似。
图7 车头不同位置测点压力变化曲线
Fig. 7 Curves of pressure for measuring points of different locations on head surface
图8 车体中部同一截面不同测点压力变化曲线
Fig. 8 Curves of pressure for different measuring points in the same section of the middle of EMU
图9 车体中部不同纵向位置测点压力变化曲线
Fig. 9 Curves of pressure for measuring points of different longitudinal locations on the middle part of train
2.3 动车组所受气动力及力矩
图10~13所示分别为动车组横风下交会时，车体所受横向气动力及倾覆力矩变化曲线。由于中间车所受力及力矩变化幅值相差较小，因此，只选择第4节车进行分析。从图10~13可以看出：受交会压力波的排斥、吸引作用，迎风车所受横向气动力及倾覆力矩在交会开始时先减小后增大，而在交会结束时先增大后减小；而背风车在交会开始时先增大后减小，在交会结束时先减小后增大；与中间车和尾车相比，头车所受横向气动力及倾覆力矩较大；当头车在另一列车区段内行驶时，由于对方动车组的挡风作用，其所受横向气动力及倾覆力矩较非交会时有所减小。
图10 迎风车所受横向气动力变化曲线
Fig. 10 Curves of lateral force acting on upwind vehicle
图11 背风车所受横向气动力变化曲线
Fig. 11 Curves of lateral force acting on leeward vehicle
图12 迎风车所受倾覆力矩变化曲线
Fig. 12 Curves of overturning moment acting on upwind vehicle
图13 背风车所受倾覆力矩变化曲线
Fig. 13 Curves of lateral force overturning moment acting on leeward vehicle
综合比较各节车辆所受气动载荷，背风车头车所受横向气动力及倾覆力矩相对最大，这是由于交会初始时产生的压力头波正脉冲与横风作用产生了叠加。表1所示为不同横风风速下，动车组以250 km/h交会，背风车头车所受横向气动力及倾覆力矩峰值。从表1可以看出：随着横风风速增加，车体所受横向气动力及倾覆力矩峰值也迅速增加，当风速为40 m/s时，背风车头车所受横向气动力正峰值达到213.1 kN，倾覆力矩正峰值达到356.2 kN·m，严重影响了动车组的安全运行稳定性。
表1 不同横风风速下背风车头车所受横向气动力及倾覆力矩峰值
Table 1 Lateral force and overturning moment acting on head car of leeward vehicle under crosswind with different speeds
3 模型实验间接验证
3.1 风洞实验
风洞实验在长×宽×高为15 m×8 m×6 m的大型低速风洞进行[18]。选择3辆编组(头车+中车+尾车)的迎风车动车组为研究对象。模型缩比为1:15，合成风速为60 m/s，侧滑角分别为0°，30°，60°，70°，80°和90°。正式实验前，通过调整风速，确保实验雷诺数满足自模拟区域，即气动力系数、力矩系数不再随来流速度的变化而改变。对于单车的数值模拟部分，模型缩比为1:15，合成速度为60 m/s，马赫数Ma小于0.3，可认为是不可压缩流动问题，但为了保证与模拟双车交会时计算方法的统一性，按照可压缩问题进行处理。图14所示为在相同来流条件下，相同外形的动车组在平地上所受横向气动力及倾覆力矩的数值计算结果与风洞实验结果对比。从图14可以看出：数值计算所得横向气动力和倾覆力矩与实验结果变化规律一致，除90°侧滑角外，其他工况计算结果与实验结果相对误差在5%以内。计算横风交会工况的侧滑角并没有涉及90°等大角度，这说明本文模拟横风所使用的计算方法是合理的。
图14 风洞实验结果与计算结果比较
Fig. 14 Comparison between wind tunnel test results and calculated results
3.2 动模型实验
采用中南大学轨道交通安全教育部重点实验室的列车气动性能动模型实验装置，验证本文对于动车组无风交会时气动效应模拟的有效性。该实验装置可以真实再现动车组高速交会时的空气三维非定常流动现象，是模拟列车交会气动问题的专用大模型实验设备[19]。实验所用2列动车组模型与数值计算模型完全一致，编组同为8辆，模型缩比均为1:31。根据流动相似原理，动模型实验中模拟雷诺数是重要的相似准则，而当实验雷诺数大于临界雷诺数3.6×105(由实验测得)时，气动特性就不再随雷诺数变化而改变[19]。本次动模型实验列车速度为250 km/h，特征长度取模型车高0.119 m，在大气压为1×105 Pa下，20 ℃时的空气运动黏性系数为15.0×10-6 m2/s，得出实验雷诺数为5.5×105，大于临界雷诺数，说明本次的实验结果满足相似性要求。
两动车组在无风下以250 km/h速度交会时，数值计算与动模型实验中位于相同位置的测点压力变化进行对比。图15所示为动车组中部交会侧测点(21号测点)随时间的压力变化曲线对比。从图15可以看出：通过数值计算与动模型实验得到的车体表面压力曲线变化规律基本一致，幅值相对误差在5%以内，说明本文采用的数值计算方法可以较好地模拟动车组交会时所引发的空气动力效应问题。需注意的是：在用模型实验间接验证数值计算方法的可行性时，只针对模型缩比影响进行分析，对于列车模型编组差异带来的影响将有待进一步研究。
图15 动模型实验结果与计算结果比较
Fig. 15 Comparison between moving model experiment results and calculation results
4 结论
1) 风洞实验、动模型实验得到的结果分别与数值模拟进行对比，所得到气动效应变化规律基本一致，动车组表面测点压力幅值相对误差在5%以内，从而间接证明了本文采用的数值计算方法能够较好地模拟动车组横风下交会时所诱发的空气动力效应问题。
2) 动车组在20 m/s横风下以250 km/h交会时，车体表面最大正压发生在车头鼻尖附近，最大负压及最大压力峰峰值发生在车头鼻尖偏交会侧附近，且在车体头、尾部不同位置测点压力差别较大，头车鼻尖处压力比车身过渡处大4.00 kPa左右；车体顶部测点压力始终为负值；车体中部处于同侧的不同测点压力差别较小，不同高度侧点压力幅值相差0.05 kPa左右，同一高度不同纵向测点压力变化波形及幅值基本一致。
3) 迎风车所受横向气动力及倾覆力矩在交会开始时先减小后增大，而在交会结束时先增大后减小，背风车与之相反；与迎风车相比，背风车所受横向气动力及倾覆力矩较大；与中间车和尾车相比，头车所受横向气动力及倾覆力矩较大；随着横风风速增大，车体所受横向气动力及倾覆力矩峰值也迅速增大，严重威胁着动车组的安全运行。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2015-01-10；修回日期：2015-03-25
基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(11372360, U1134203, 51205418)；中南大学自由探索基金资助项目(2014zzts038)；中国铁路总公司科技研究开发计划项目(2014T001-A)；湖南省杰出青年基金资助项目(14JJ103) (Projects(11372360, U1134203, 51205418) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2014zzts038) supported by the Exploration and Innovation Funds for Graduate Students of Central South University; Project(2014T001-A) supported by Science and Technology Research and Development Program of China Railway Corporation; Project(14JJ103) supported by Outstanding Youth Fund of Hunan Province)
通信作者：姚松，副教授，从事轨道交通安全研究；E-mail: song_yao@csu.edu.cn
