强横风下青藏线棚车气动性能研究

Aerodynamic forces acting on a box car running on Qinghai- Tibet railway under strong cross- wind
YANG Ming zhi, YUAN Xian xu, ZHOU Dan, LU Zhai jun
( Key Laboratory of Track Traff ic Safety, Central South University, Changsha 410075, China)
1- 侧向力系数 ; 2- 升力系数 ; 3- 倾覆力系数
图5
横风风 速为 35 m/ s 时 气动 力系 数随 桥梁高度的变化 Fig. 5 Relationship between aerodynamic coeffi cient and bridge s height at wind- speed of 35 m/ s
摘 要 : 采用非结构网格 , 对强横风下青藏线桥梁上运行的棚车气 动性能 进行数 值模拟 , 并对 部分数 值模拟 的结果 进行风
洞实验验证 。计算结 果表明 : 实验结果和数值模拟的结果较 吻合 ; 在指数 风条件 下 , 棚 车的气 动力随 桥梁高 度和横 风速度 的增加而迅速增加 ; 而列车的减速运行 , 将使棚车所受到的气动力和倾覆力矩降低 , 有助于棚车安全通过风区桥梁 。 关键词 : 数值模拟 ; 风洞实验 ; 非结构网格 ; 棚车 ; 桥梁 中图分类号 :U 270. 11 文献标识码 : A 文章编号 : 1672- 7029( 2008) 02- 0075- 04
图 1 棚车物面网格 Fig. 1 Surface gr id of box car
3
3. 1
计算结果分析
2
网格生成
非结构网格的生成方法主要有 3 类: Delaunay [ 5] 三角 化 方 法 ; 阵 面 推 进 法 ( Advancing Front [ 6- 7] Method) , 修正的四分树 / 八分树方法( Modified
Abstract: The aerodynamic performance of the box car running on an bridge of Qinghai - Tibet railw ay line under strong cross- wind was simulated using unstructured mesh technique. The simulation results show that the results of wind tunnel test agree with those calculated. The aerodynamic forces can rapidly increase with the increase of the bridge s height and wind- speed. When the train runs slowly, the aerodynamic forces acting on the box car decreas es, which is helpful to the train passing safely the bridge of wind zone. Key words: numerical simulation; wind tunnel test; unstructured mesh; the box car; bridge
j j
=
+ j
pj
+ ( ! ) pj
( rj - rpj ) 。
( 4)
式中 : 和 按 u n 的正负分别通过 P 0 点或通过 P j 点插值而得到的 j 界面的值; P 0 点和 Pj 点分别为 j 界面两侧单元的中心; rp 0 , rpj 和 rj 分别表示 P 0 , P j 及界面中心的矢径。 不可压缩流体流场的数值采用 SIMPLEC 方法 [3 求解 - 4] 。 列车为细长物体, 其边界层大多为湍流 边界层 , 因此, 必须模拟湍流, 本文采用 k - ∀ 双方 程的湍流模型。 1. 2 边界条件 车辆表面为无滑移边界条件。 地面和桥面采用 移动固壁边界条件, 给定 x 向速度与棚车运行速度 相同 , 方向相反。 入口采用速度入口, 给定 x 向和 y 向速度; x 向 速度与棚车运行速度相同 , 但方向相反 ; z 向速度 为 0; y 向速度为横风速度, 根据青藏线的地理形 状, 可以假定横风速度满足指数分布: vz = ( Z ) 0 . 16 。 ( 5) v z0 Z0 式中: Z 0 一般取 10. 0 m, vz 0 为 10. 0 m 处的横风速度。 出口设置在离列车较远的位置 , 出口边界条件 采用充分发展流假定 , 即 = 0, 为流动参数 u , n v, w , p , , K , ∀ , T 等物理量 ; n 为法向。
第5 卷 第2 期 2008 年 4 月
铁道科学与工程学报 JOURNAL OF RAILWAY SCIENCE AND ENGINEERING
Vol 5 No 2 Apr. 2008
强横风下青藏线棚车气动性能研究
杨明智, 袁先旭 , 周 丹, 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)
Quadtree/ Octree Method) [ 8] 。 本 文 的 网 格 采 用 Delaunay 三角化方法中的 Bowyer 的算法生成。 该算 法以节点的逐点加入方式进行, 具体如下: 假设已对 n 个节点实现 Delaunay 三角形化, 现 增加 1 个节点, 此时必须对原三角形化进行修改。 为此 , 首先在原三角化中找出外接球中含新增节点 的四面体单元 , 这些单元破坏了 Delaunay 性质 , 应 删除。 这些被删除单元形成空穴, 将空穴的角点与 新增节点相连就形成新的四面体 , 完成了新的三角 形化。 如此再增加 1 个节点, 再修改三角形化 , 不断 重复 , 直至完成最终的三角形化为止。 在进行 Delaunay 三角化之前 , 必须准备好一 个空间点集的分布 , 而点集分布质量直接关系到最 终网格的质量。 首先用类似如阵面推进的方法, 在列车物面的 法向形成几排点, 然后 , 用四分树 / 八分树方法的 方法 , 将空间分为若干立方体单元, 根据单元内部 所含有的点的数量 , 再细分单元, 最终单元的节点、 初始物面点和物面法向点构成所需要的点集。 这种 的方法有明显的优点: 一是简单, 容易执行 ; 二是利 用四分树 / 八分树的方法, 空间分布比较合理 ; 三 是采用类似如 阵面推进的方法 , 在物面法向 的布 点, 避免了 Delaunay 法的固有缺陷 : 即可能出现边 界穿透, 使网格生成失败。 网格生成的试验证明这 一原则对防止三维问题的边界穿透是有效的。 图 1 所示为上述方法生成的棚车物面网格。 整 个流场网格单元为 300 万左右。
图 4 倾覆力矩系数计算与试验比较 Fig. 4 Comparison of overturning moment coefficient between computation and experiment
3. 2 棚车在桥梁上的气动特性 本文选取桥梁 高度分别为 5, 10, 20, 35 和 52 m 。车辆运行速度为 120 km/ h, 10 m 处横风风速分 别为 25 m/ s 和 35 m/ s( 指数风 ) , 计算结果如图 5 和图 6 所示。
数值计算结果与风洞试验的对比 为验证本文所采用计算方法的正确性 , 首先在 中国空气动力研究与发展中心低速所 8 m ∃ 6 m 大 型低速风洞进行风洞实验, 如图 2 所示 , 列车为四 车编组 ( 机车 + 三节青藏线棚车) , 桥梁高度为 15 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&。
基金项目 : 铁道部科技发展计划项目 ( 2006G040- A) 作者简介 : 杨明智 ( 1972- ) , 男 , 湖南望城人 , 博士 , 讲师 , 从事列车空气动力学研究
76 u
A
铁道科学与工程学报
2008 年 4 月
d A = 0, )dV +
A
! ! ! t(
V
u
dA =
A
ij
dA 。
强横风对行车安全危害极大, 在其作用下 , 列 车气动性能恶化 , 不仅气动阻力迅速增加 , 而且还 [ 1] 严重影响列车的横向稳定性 。对于一些特殊的 风环境, 如特大桥梁、 高架桥、 路堤、 丘陵及山区的 风口区域、 侧向气动力与离心力叠加的曲线路段 , 列车的绕流流场改变更为突出, 气动力显著增大 , 导致列车脱轨、 翻车的可能性大大增加。由侧向风 引发的行车安全事故在世界各国时有发生[ 2] 。在 日本山阴线的余步桥上, 超过列车临界倾覆风速的 强风将列车吹至桥下 , 造成列车车辆、 路轨、 桥梁结 构受损以及人员伤亡的重大交通事故。 青藏线的五道梁至安多之间最大风速均大于 30 m/ s, 在安多的最大风速达到 38 m/ s, 属于高原大 风中心区域 , 同时, 由于地形地势复杂, 高架桥众多, 为使列车安全通过风区, 必须对青藏线强横风问题 开展研究, 为青藏线大风预警系统建立提供基础。
( 1) 式中 : 为通用变量; A 为控制容积界面面积矢量 ; V 为控制容积体积; u 为速度矢量 ; ij 为应力张量 ; 为密度。 在界面 j 上的对流项可以表示为:
!u
j
d A ∀ ( pu ) j
Aj = F j j 。
其中 : 下标 j 表示该矢量取值的界面位置; Fj 为流 出 j 界面的质量; j 为 j 界面的 的平均值; Fj 可以 通过插值得到; j 的计算方法取决 于对流项的格 式, 本文采用二阶迎风格式: + j , un # 0, ( 2) j = j , un < 0 + ( rj - rp 0 ) ; ( 3) j = p0 + ( ! ) p0
第2期
杨明智 , 等 : 强横风下青藏线棚车 气动性能研究
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1- 试验倾覆力矩系数 ; 2- 计算倾覆力矩系数
图 2 棚 车模型 Fig. 2 Model of box car
数值模拟和风洞实验采用同样的来流条件、 同样 棚车及桥梁外形。 图 3 所示为棚车 在桥梁上侧向 力、 升力的数值计算结果与风洞试验结果。 图4所 示为棚车在桥梁上倾覆力矩的数值计算结果与风 洞试验比较结果。 各系数定义如下。 L ; 升力系数: C L = q∋ S 侧力系数: C C = C ; q∋ S La 倾覆力矩系数: C la = 。 q ∋ Sb 1 2 其中: q ∋ = v , 为动压; S 为参考面积, 取 S = 2 ∋ 2 0. 204 m ; L 为升力 ; C 为侧力 ; L a 为倾覆力矩 ; b 为 横向参考长度, b = 0. 195 m, 倾覆力矩的取矩点为 背风侧半轨距的 0. 8 处。 从图 4 可以看出 , 侧向力系数和倾覆力矩系数 随侧滑角的增加而增加, 也可以说随横风风速的增 加而增加; 升力系数先增加后减小; 计算所得到的 侧向力系数、 升力系数和倾覆力矩系数和实验结果 规律一致 , 两者较吻合。
收稿日期 : 2008- 03- 17
1 控制方程及算法
以运行在青藏线上的棚车为研究对象 , 研究了 车辆在桥梁上的气动性能。列车一般由十几节客 车组成, 总长达 10பைடு நூலகம் m 以上。由于中间车辆截面形 状不变, 当气流流过车头一定距离后 , 绕流边界层 的结构已趋于稳定, 车辆气动力变化也趋于稳定 , 因此 , 为了节省计算机资源, 计算模型取 4 车编组 , 即机车加 3 节棚车车辆。 1. 1 控制方程 由于青藏线上的棚车的运行速度比较低, 属于 不可压缩流动 , 所以, 控制方程 为不可压缩 N - S 方程 :