风屏障对桥上高速列车气动性能影响的数值研究_项超群

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中 国 铁 道 科 学 第 ３ ５卷
题的数值求解需要消耗大量的计算机资源 ， 尤其是 非定常求解的动网格算法在每一时间步内需要进行 反复迭代 ， 其计算效率很低 。 因此考虑列车速度对 气动力影响时 ， 已有研究多采用静网格合成风的方 法 ， 即将列车运行速度的反向矢量与侧风进行矢量 合成 ， 将合成得到的矢量作为边界条件 ， 而列车外 壁作为流场中的壁面其速度设置 为 ０。 在 没 有 风 屏 障阻 挡 时 可 以 近 似 认 为 此 假 设 是 成 立 的 ， 文 献 ］ 通过动静 网 格 模 型 的 对 比 分 析 ， 发 现 静 网 格 ［ ３ １ 算法和动网格算 法 计 算 结 果 相 差 不 大 ， 文 献 ［ ４］ １ 通过试验也证明了此假设基本可靠 。 侧风作用下运 行列车受到的气动力可以看成由两部分组成 ， 即列 车风和自然界的侧风 。 当桥上设置风屏障后 ， 风屏 障对外界侧风有阻挡作用 ， 而由于列车风产生于主 梁和两侧风屏 障 组 成 的 Ｕ 型 槽 内 ， 因 此 风 屏 障 不 阻挡其作用 ， 但采用一般的合成风计算时 ， 风屏障 阻挡了合成风速矢量 ， 因此在有风屏障情况下合成 风的计算方法有待进一步验证 。 风屏障对列车周围 流场分布的影响研究一般基于合成风方法 ， 采用动 网格算法的研究还不多见 。 静网格合成风方法和能模拟列车真实运动的动 网格算法计算机理不同 ， 为了从流场特性方面研究 二者 的 区 别 ， 本 文 基 于 大 型 流 体 计 算 通 用 软 件 Ｌ Ｕ Ｅ ＮＴ 对简支箱 梁 桥 上 不 同 风 屏 障 高 度 下 列 车 Ｆ 的外流场进行数值模拟 ， 得出列车气动力系数随风 屏障高度的变化规律 ， 并对采用动网格和静网格算 法得到的静压分布和速度分布进行对比研究 。
图 １ 桥梁横截面 （ 单位 ：ｍ）
单位 ：ｍ） 图 ２ 列车横截面 （
１ 计算模型及相关参数设置
１ ． １ 几何模型 风屏障一般设计为纵横相间的栏杆或多孔板。 已有研究表明风屏障的孔隙形式对气动力参数的影 响不显著 ， 在本文的研究中将风屏障简化为沿着桥 梁轴线方向的矩形长条 ， 忽略竖向栏杆的影响 。 在 高速铁路中 ，３ ２ ｍ 简 支 箱 梁 桥 占 有 很 大 比 重， 本 文以此为背景 ， 并对桥面轨道板等细部构造进行简 化 。 桥墩对列车的气动力影响很小 ， 为了使静网格 和动网格计算结果具有可比性 ， 在桥梁模型中忽略 桥墩的影响 。 设有风屏障简支梁桥 的 横 截 面 如 图 １ 所示 。 列车是一个长细比很大的几何体 ， 但其中间 车辆几何外形相同 ， 因此在数值模拟中常采用 １ 节 头车 、１ 节拖车和 １ 节尾车的 ３ 节 车 模 型 。 列 车 表 面有车灯 ， 门把手 ， 受电弓等构造物 ， 要在数值模
强侧风环境下 ， 高速运行的列车会受到复杂的 空气动力作用 ， 且列车速度越高受到侧向风力的影
］ ２ １ － 。 高速 铁 路 中 ， 桥 梁 比 重 较 大 。 列 车 响越明显 ［
个参数的影响且流场可视化功能便于分析列车周围
５］ ６］ 。 董香婷 ［ 对侧风下路基上的列车 外 的气流流动 ［
，２ Ｓ ｅ ｔ ｅ ｍ ｂ ｅ ｒ ０ １ ４ ｐ
ｏ ｌ ． ３ ５ Ｎ ｏ ． ５ Ｖ
风屏障对桥上高速列车气动性能影响的数值研究
２ ３ ， 陈 涛１， ， 张 佳文１ 项 超 群１， 郭文 华１，
（ １ ０ ０ ０ ４； １． 中南大学 土木工程学院 ， 湖南 长沙 ４ ２． 中南大学 高速铁路建造技术国家工程实验室 ， 湖南 长沙 ４ １ ０ ０ ０ ４； ） ３． 郑州市市政工程勘察设计研究院 ， 河南 郑州 ４ ５ ０ ０ ５ ２ 摘 要 ： 采用能真实模拟列车运动的动网格算 法 计 算 不 同 风 屏 障 高 度 下 桥 上 列 车 的 气 动 力 系 数 ， 研 究 列 车 周围流场静压分布和速度分布 ， 并与传统静 网 格 计 算 结 果 进 行 对 比 分 析 。 研 究 表 明 ： 高 速 列 车 的 侧 力 系 数 、 升 力系数和侧偏力矩系数均随风屏障高度的增 加 而 减 小 ； 头 车 的 侧 力 系 数 、 升 力 系 数 、 侧 偏 力 矩 系 数 在 风 屏 障 高 ４ ． ０ｍ 时分别比没有设置风屏障时减小 ４ ６％ ，５ １％ 和 ５ １％ ； 风屏障使车体迎 风 侧 正 压 减 小 ５ ０％ ， 车 顶 负 压 减 小 ０％ ； 未设置风屏障时 ， 按静网格算法计算所得 的 列 车 气 动 力 系 数 和 静 压 分 布 与 动 网 格 算 法 吻 合 较 好 ， 但 设 置 １ 风屏障后这 ２ 种算法的计算结果差异较大 ， 用静网格 算 法 计 算 无 风 屏 障 时 的 头 车 侧 力 系 数 比 用 动 网 格 算 法 计 算 的小 ４％ ， 而当风屏障高 ４ ． ０ｍ 时小 ４ １％ ， 可见有风屏障时用动网格算法计算列车气动性能更合理 。 关键词 ： 动网格算法 ； 风屏障 ； 气动性能 ； 高速列车 ； 列车风 ４ ４ ３ ． ５；Ｕ ２ ６ ０ ． １ １ ６ 文献标识码 ：Ａ 中图分类号 ：Ｕ ：１ ／ ． ４ ｏ ｉ ０ ． ３ ９ ６ ９ ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １ ６ ３ ２ ． ２ ０ １ ４ ． ０ ５ ． １ ６ ｄ － ｊ
－１ ，车速为 ３ 设侧风风 速 为 ２ ０ ｍ·ｓ ０ ０ｋ ｍ·ｈ－１ ，
ＣＭｘ ， 侧偏力 矩 系 数 ＣＭｙ 和 侧 倾 力 矩 系 数 ＣＭｚ 则 由 以下公式得出
／ （ ｖ Ｆ Ｈ Ｌ） Ｃ ｘ ＝２ ｘ ρ ２ ／ （ ｖＢ Ｆ Ｌ） Ｃ ｙ ＝２ ｙ ρ
２
（ ） １ （ ） ２ （ ） ３ （ ） ４ （ ） ５ （ ） ６
４］ 。 率 ， 保证行车安全 ［
车在设有挡风墙结构 Ｔ 型 梁 上 的 气 动 三 分 力 系 数 ， 并用动网 格 算 法 分 析 了 车 速 对 气 动 力 的 影 响 。 唐
９］ １ １ ０］ １］ 、 梅群 锋 ［ 、 权 晓 亮［ 等 分 别 建 立 列 车—箱 煜［
梁二维数值模型 ， 综合考虑风洞试验结果选定某一 风屏障形式 ， 针对选取的风屏障 ， 基于三维数值模 型采用合成风方法研究了列车气动力系数与运行速 度的关系 ， 并对列车周围流场特性进行了分析 。 陈
； 修订日期 ：２ ０ ３ ０ ２ ０ １ ３ ４ ０ ０ １ ４ ７ ５ 收稿日期 ：２ － － － －
格和静网格中六分力系数随风偏角的变化规律 ， 并 建议将静网格计算结果乘以放大系数 。 由于流体问
； 铁道部科技研究开发重大项目 （ ） ０ ０ ８ Ｇ ０ ３ １ ２ ５ １ ０ ７ ８ ３ ５ ６ 基金项目 ： 国家自然科学基金资助项目 （ －Ｑ） ， 男 ， 湖南桃江人 ， 工程师 ， 博士研究生 。 ９ ８ ５—） １ 作者简介 ： 项超群 （
第３ 第５期 中 国 铁 道 科 学 ５卷 ， ２ ０ １ ４ 年 ９ 月 ＣＨ Ｉ ＮＡ Ｒ Ａ Ｉ ＬＷＡＹ Ｓ Ｃ Ｉ Ｅ Ｎ Ｃ Ｅ
）０ 文章编号 ：１ ０ ０ １ ６ ３ ２（ ２ ０ １ ４ ５ １ １ ３ ８ ４ ０ ０ － － －
第 ５ 期 风屏障对桥上高速列车气动性能影响的数值研究
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形的复杂性 ， 本文研究中采用非结构化网格 ， 采用 的计算域如图 ４ 所示 。 在静网格模型中 ， 采用合成 风的计算 方 法 ， 将 Ａ Ｂ Ｃ Ｄ 面和 Ｂ Ｃ Ｇ Ｆ 面设为速度 －１ ， 入口 ， 车速和 风 速 的 合 成 速 度 为 ８ ５ ． ６ ６ ７ ｍ·ｓ 合成风速在 ｘ 轴的方 向 余 弦 为 ０ ． ２ ３ ３ ５， 在 ｚ 轴 为 ． ９ ７ ２ ４， 湍流强度设为 ０ ． ５％ ， Ａ ＥＨＤ 面和 Ｅ Ｆ －０ － ＧＨ 面设置为压力出口 。 在动网格计算中 ， 由于 列 车可以真实运动 ， 因此 只 设 Ａ Ｂ Ｃ Ｄ 面 为 速 度 入 口，
／ （ ｖ Ｆ Ｌ Ｈ） Ｃ ｚ ＝２ ｚ ρ ２ （ ｖ Ｍｘ／ Ｈ２ Ｌ） ＣＭｘ ＝ ２ ρ
２
／ （ ｖ Ｍｙ Ｂ Ｌ） ＣＭｙ ＝ ２ ρ ２ ２ ／ （ ｖＨ ＭＺ ρ Ｌ） ＣＭｚ ＝ ２
２ ２
Ｅ Ｆ ＧＨ 面设置 为 压 力 出 口 。 列 车 、 桥 梁 以 及 流 场 上下面均设置为无滑移静止壁面 。
。行
车管理措施通常采取在特定风速下限制列车的运行 速度 ， 这必将对运营产生重大影响 ， 尤其在我国部 分区域大风持续时间长 、 发生频率高 ， 限制列车的 速度将大大降低铁路的使用效率 。 目前采用较多的 可靠工程措施是在桥上设置风屏障 ， 它能有效提高 列车的倾 覆 临 界 风 速 和 临 界 车 速 ， 提 高 桥 梁 利 用
图 ３ 列车 — 桥梁系统气动力计算模型
１ ． ２ 湍流模型 由于列车运行问题中 马 赫 数 小 于 ０ ． ３， 按 不 可 压缩流动问题处理所引起的误差很小 ， 故研究中不
５］ １以目前还没有一种方法能够全面 、 准确地对 所有湍流现 象 进 行 模 拟 。Ｆ Ｌ Ｕ Ｅ ＮＴ 提 供 多 种 湍 流 模型 ， 其 中 Ｒ Ｋ— ＮＧ ε湍流模型是基于重整化群 技术的一种湍流模型 ， 其对原本十分复杂的流场实 现粗分辨率的描述 ， 因此能较好地模拟钝体绕流问 题 ， 并且硬件要求相对较低 ， 计算量相对较小 ， 本 文计算中均采用 Ｒ Ｋ— ＮＧ ε 湍流模型 。 ． ３ 计算域及边界条件 １ 计算流体力学的本质是对控制方程在定义区域 上进行网格离散 ， 由于列车 — 桥梁气动系统几何外
２］ １ 研究了 桥 上 设 置 风 屏 障 情 况 下 ， 列 车 在 动 网 涛［
列车在强风作用下脱轨及倾覆的机理十分复 杂 ， 涉及多个科学技术领域 ， 其中首先需要解决的 问题即为侧风对列车的气动力 。 获取列车气动力的 方法主要有风洞试验和数值模拟 ， 风洞试验一般具 有周期长 、 费用高 、 测试设备复杂 、 可视化困难等 缺点 ； 而数值模拟具有很好的重复性 ， 便于考察各
拟中完全地再现真实列车比较困难 ， 在模拟中将列 车表面做光滑处理 ， 忽略转向架和车底设备对流场 的影响 。 本文采用的高速列车均匀段横截面尺寸如 图 ２ 所示 。 列 车 运 行 在 迎 风 侧 线 路 时 所 受 气 动 力 更大 ， 风屏障设置对其影响更明显 ， 研究中只考虑 了列车处于该线路的情况 。 列车 — 桥梁气动系统三 维计算模型如图 ３ 所示 。
没有风屏障时动网格和静网格计算结果吻合良好511第5期风屏障对桥上高速列车气动性能影响的数值研究图5列车气动力系数随风屏障高度的变化随着风屏障高度的增加2种计算方法得到的气动力系数差异有不断增大的趋势如头车侧力系数无风屏障时静网格计算结果比动网格计算结果仅小4而当风屏障高40m时比动网格计算结果小41
流场进行分析 ， 研究了风屏障对列车车身横截面方 向的流迹线图和车厢迎风面 、 背风面 、 车顶和车底 压力分布的影响 ， 计算中只设置了来流风速 ， 列车
７］ 采用 的速度设置为 ０， 采用 静 网 格 算 法 。 黄 泰 鑫 ［
在桥上运行时由于其离地较高 ， 承受的侧风风速通 常比在路基上大 ， 发生失稳而脱轨和倾覆事故的可 能性增大 ， 侧风下列车的安全性问题越来越受到重 视 。 解决侧风下行车安全问题主要有两种途径 ， 即 制定合理的行车管理措施和可靠的工程措施
［ ３］
二维数值模型 ， 计算了横风作用下桥上敞车 、 双层 客车和高 速 客 车 在 不 同 挡 风 墙 高 度 下 的 气 动 力 系 数 ， 分析了流场速 度 矢 量 图 和 流 场 压 力 等 值 线 图 ， 由于二维模型不能考虑列车的速度 ， 故计算中均采
８］ 采用静网格算法计算了列 用静网格算法 。 郑继平 ［