横风作用下高速机车的气动性能

Abstract： Based on 3D steady and incompressible N － S equation and k － ε turbulent model，the aerodynamic performance of trains running under different situations was simulated by finite volume method． The influence of locomotive speed，wind speed and embankment height on the aerodynamic performance of high － speed locomotive was analyzed． The results show that the aerodynamic forces increase with the increase of embankment height， train speed，crosswind speed and crosswind angle． Because the range of train speed in this paper is small，its influence of high － speed locomotive on the aerodynamic performance is less than the other factors． Key words： locomotive； crosswind； aerodynamic performance； numerical simulation
铁道科学与工程学报
2012 年 4 月
为消除地板附面层的影响， 如图 1 所示， 地面 ABCD 给定滑移边界条件， 法向速度为 0 ， 切向速度 方向相反； 在截面 AEHD 以 与车速速度大小相同， 及面 ABFE 、 面 DCGH 顶面 EFGH 设为速度进口， 按 即 X 向给定流速，Y 均匀来流给定 X 向速度分布， 和 Z 向速度分量均为 0 ； 出口截面 BFGC 为压力出 静压为 0 ； 车体表面为无滑移壁面边界条件 。 口，
第9卷 第2期 2012 年 4 月
铁道科学与工程学报 JOURNAL OF RAILWAY SCIENCE AND ENGINEERING
Vol. 9 No. 2 Apr． 2012
横风作用下高速机车的气动性能
任
1． 2 1． 2 1． 2 1， 2 鑫 ， 梁习锋 ， 杨明智 ， 李军产
*
（ 1． 中南大学 轨道交通安全教育部重点实验室 ， 湖南 长沙 410075 ； 2． 中南大学 交通运输工程学院， 湖南 长沙 410075 ）
+ 中图分类号：U216． 41 3
文献标志码：A
文章编号：1672 － 7029 （ 2012 ） 02 － 0084 － 05
Aerodynamic performance of high － speed locomotive under crosswind
2 REN Xin1． 2 ， LIANG Xifeng1． 2 ， YANG Mingzhi1． 2 ， LI Junchan1，
200
升力 /kN 倾覆力矩 / （ kN·m） 侧向力 /kN
图4
气动力随横风风速变化曲线
－ 268 618 － 318 398 － 359 555 － 409 904 119 829 46 623 143 130 62 741 161 484 70 272 186 309 79 528
Fig． 4 Curves of aerodynamic forces with crosswind speed
摘 要：采用三维定常、 不可压 N － S 方程和 k － ε 双方程湍流模型， 利用有限体积法对不同路况下运行的列车进行数值模
拟计算， 分析车速、 风速及路堤高度对机车气动性能的影响 。 研究结果表明： 路堤高度的升高、 车速的变大、 横风风速的增 大、 横风风向角的变大都会使得高速机车的气动力变大 ， 但由于本文中车速相差不大 ， 因此， 车速的变化对高速机车气动力 的影响相对其余几种因素较小 。 关键词： 机车； 横风； 气动性能； 数值模拟
220
升力 /kN 倾覆力矩 / （ kN·m）
－ 279 007 － 328 286 － 369 239 － 421 872
由表 1 可知， 在其他条件不变的情况下， 以车 速为 200 km / h 的气动性能为例， 当路堤高度从0 m 增加到 8 m 时， 高速机车的主要气动性能指标： 侧 向力增大了 57． 1% ， 升力增大了 71． 6% ， 倾覆力矩 的绝对值增大了 52． 6% 。 3． 2 车速对气动性能的影响 研究列车风与环境风耦合作用下， 机车速度对 机车在路堤上运行气动性能影响。 确定风速为 35 m / s， 风向角为 90° ， 路堤高度为 8 m， 列车车速从 180 km / h 增大到 220 km / h。图 3 所示为各气动力 随车速的变化曲线。
桥、 路堤等路段， 列车的绕流流场改变更为突出， 气 动力增大， 导 致 列 车 脱 轨、 翻车的可能性大大增 加
［7 － 9 ］
。在我国， 亚欧大陆桥重要通道的兰新线，
穿越新疆大风戈壁地区， 自然条件十分恶劣， 其百 里风区瞬时最大风速达 64 m / s， 约为 12 级风速的
*
收稿日期：2012 － 01 － 10 基金项目：中南大学前沿研究计划中南大学博士后基金资助项目 （ 2010QZ20D020 ） 作者简介：任 鑫（ 1988 － ） ， 男， 湖南长沙人， 硕士研究生， 从事列车空气动力学研究
（ 1． Key Laboratory of Traffic Safety on Track，Ministry of Education， Central South University， Changsha 410075 ， China； 2． School of Traffic ＆ Transportation Engineering，Central South University，Changsha 410075 ，China）
第2 期
任
鑫， 等： 横风作用下高速机车的气动性能
85
面的研究比较少。 随着我国对高速客运与货运的 要求不断提高， 对牵引力更大、 气动性能更优的高 速机车气动性能的研究显得十分重要
［13 ］
不同车头形状对车体的影响， 因此， 取列车车体长 度足够长。 （ 2 ） 在自然环境下， 机车所受到的强侧风是随 时间和空间变化的， 但研究机车的横向稳定性时， 通常只关注其受到的最大横向力和倾覆力矩 ， 因 此， 计算时， 在速度入口加入均匀来流， 其值为最大 横风风速
湍流动能耗散率 ε 方程： div（ ρVk －
（ 单位： m）
图1
Βιβλιοθήκη Baidu计算区域
上述方程均忽略了空气的质量力 。式中： V 为 v 和 w 为各坐标方向的速度分量； ρ 为 速度矢量； u， 空气密度； μ e 和 P e 分别为有效黏性系数和有效压 力； 其值与湍流动能 k 和湍流动能耗散率 ε 有关。 v， w， P， k 上述方程组 6 个方程含有 6 个未知量： u， 和ε， 方程组封闭， 可对它进行数值求解。其中 常 系 数 C 1 = 1 ． 44 ； C 2 = 1 ． 92 ； σ ε = 1 ． 3 ； σ k = 1． 0。
在强横风作用下， 列车受到了较大的气动横向 力和升力， 有可能导致列车脱轨倾覆， 直接影响着 列车的安全
［1 － 6 ］
［10 ］ 2 倍， 是世界铁路风速之最 。 自通车以来， 屡次
发生列车被吹翻的重大事故
［11 － 12 ］
。 大风季节， 由
。对于一些特殊的风环境， 如高架
于风力过大， 迫使列车经常停轮， 大批旅客被滞留， 给旅客出行带来极大不便， 严重制约了西部经济的 发展。机车是铁路运输的牵引动力， 是铁路列车最 关键的设备， 过去由于机车牵引速度不大， 国内外 专家都把主要精力集中于速度更快的车辆和动车 关于机车特别是高速机车气动性能方 组的研究中，
表1 机车在不同车速、 不同路堤高度下的气动力 Table 1 Force of aerodynamic of different speed with embankment height
机车车速 / （ km·h
－1
从图 3 可以看出： 当横风速度及风向角一定 时， 机车运行速度的变化对机车受到的气动力 （ 指 侧向力、 升力和倾覆力矩） 影响相对较小； 当横风速 度为 35 m / s， 风向角为 90° ， 机车速度从 180 km / h 到 220 km / h 时， 机车的侧向力增加了 5． 4% ， 升力 增加了 15． 5% ， 倾覆力矩增加了 6． 0% 。 3 ． 3 横风风速对气动性能的影响 研究列车风与环境风耦合作用下， 横风风速对 机车在路堤上运行气动性能影响。 横风速度从 15 m / s 到 35 m / s， 机 车 速 度 为 200 km / h， 风向角为 90° ， 路堤高度为 8 m。图 4 所示为气动力随横风风 速变化曲线。
Fig． 1 Computational zone
2
2． 1
数值计算模型
模型的简化 （ 1 ） 列车是近地运行的庞大细长物体， 为在相
图2
（ 单位： m）
机车头部网格
比较不同横断面车体气动性能， 即排除 同条件下，
Fig． 2 Mesh of locomotive head
86 2． 3 边界条件
（ 3 ） 空气为不可压缩流体。 强侧风速度一般 不会大于 64 m / s， 马赫数小于 0． 3 ， 因此， 可视为不 可压缩流动。 2． 2 几何模型 计算区域长度方向尺寸的选取原则是使计算 区域下游边界尽可能远离列车尾部 ， 以避免出口截 便于出口边界条件的给 面受到列车尾流的影响， 定， 宽度应避免阻塞效应影响。具体尺寸如图 1 所 示。 采用非结构化网格进行离散。 车体表面单元 为三角形网格， 体单元为非结构四面体网格， 网格 数约为 200 万， 物面网格如图 2 所示。
）
气动力 0 侧向力 /kN 112 133 40 800
路堤高度 /m 3 135 065 56 404 5 153 479 62 669 8 176 814 68 885
180
升力 /kN 倾覆力矩 / （ kN·m） 侧向力 /kN
－ 260 213 － 309 446 － 349 704 － 397 838 115 653 43 395 139 090 59 156 157 614 66 414 181 645 74 461
［14 ］
。
1
数值计算理论基础
采用稳态、三维不可压 N － S 方程和工程上
。
常用的 k － ε 双方程湍流模型，运用大型流体数值 计算软件 FLUENT 对强侧风作用下高速机车车体 的气动性能进行模拟分析。 在计算时进行以下假 设： （ 1 ） 忽略空气密度的变化， 认为流体为不可压缩； （ 2 ） 假设流动中无热量交换， 不考虑能量守恒 方程。 连续性方程： divV = 0 。 X 方向动量方程： div（ ρVu － μ e gradu） = － Y 方向动量方程： div（ ρVv － μ e gradv） = － Z 方动量方程： div（ ρVw － μ e gradw ） = － 湍流动能 k 方程： div（ ρVk － μe gradk） = G － ρε σk μe ε gradε） = （ C1 G － C2 ρε） k σε P e V + div（ μ e ） z z P e V + div（ μ e ） y y P e V + div（ μ e ） x x
图3 气动力随车速变化曲线 Fig． 3 Curves of aerodynamic force with train speed
3
3． 1
数值模拟计算结果与分析
路堤高度对气动性能的影响 本文应用工程中典型路况： 平地（ 路堤 0 m） ， 路
堤 3 m， 路堤 5 m， 路堤 8 m。考虑比较危险的工况， 给机车加载风向角为 90°， 速度为 35 m / s 的风速。 表 1 所示为不同车速下主要气动性能指标（ 侧向力、 升力和倾覆力矩） 在不同路堤高度下的值。