横风速度对单线高架桥上高速列车气动特性影响
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连续性方程 ： ｄ ｉ ＝ Ｏ （ １ ）
收 稿 日期 ： ２ ０ ｌ ３ — ０ ９ — １ ８
基金项 目： 广西教育厅高等学校科研项 目（ ２ ０ １ ２ ０ ４ Ｌ Ｘ ２ ７ ３ ） ； 车辆动力与新能源重点研发 中心建设项 目资助 作者简介 ： 罗建斌 ， 讲师 ， 博士 ， 研究方 向： 车辆工程空气动力学 ， Ｅ — ｍａ ｉ ｌ ： ｄ ｉ ｌ ｉ ｍ ｉ ｋ ｅ １ ６ ８ ＠１ ６ ３ ． ｃ ｏ ｎ． ｒ
性的影响． 通 过 合 理 划 分 阿格 、 选 取 合 适 的湍 流 模 型 、 设置正确 的边界条件来提高数值计算精 度 ， 模 拟结果表 明 ： 随 着
横风速度的增加 ， 头、 尾车阻力明显增加 ， 头 车 上 的侧 翻力 矩 也 明 显 增 加 ； 没 有 横 向风 时 由 于单 线 高 架 桥 的对 称结 构 ，
５ ２
广西 工 学 院学 报
第２ ４卷
动量 万 程 ：
ｄ ｉ ｖ （ 瘟） ＝ 一
Ｐ Ｏｘ
４ － ｄ ｉ ｖ （ ｇ ｒ ａ ｄ ｕ ） ＋ ｖ ｄ ｉ ｖ （ ｇ ｒ ａ ｄ ｖ ） ＋ ｖ ｄ ｉ ｖ （ ｇ ｒ ａ ｄ ｗ）
（ ２ ） （ ３ ） （ ４ ）
摘
要： 为 了节 省 宝 贵 的土 地 资 源 ， 高架桥结 构在现代高速铁路建设 中被大量采用 。 在 高 架 桥 上 行 驶 的 高 速 列 车 随 着
合 成 风 向角 的变 化 ， 其 气 动 特性 呈 规 律 性 变 化 。 以 此 采 用 计 算 流 体 力 学 方 法 来 研 究 横 风 速 度 变 化 一 ｄ ｉ ｖ （ ｗ ｉ） ｆ ＝ 一
ｐ ０３ ＂
Ｊ Ｄ Ｏ ｚ
ｋ方 程 ：
ｐ ＿ Ｏ ｋ ． Ｏ ｋ 誓 ： ｋ ｅ ＋ ） （ ＋ 等＋ ）
方程 ：
Ｏ ￣ ＋
， ．
（ ５ ）
０ ８
４ －
ａ ｙ
近 １ ３ ０ ０ ０ ｋ ｍ． 在 高 速 铁 路 建设 中为 节 省 宝 贵 的 土 地 资 源 ． 大量 采 用 高 架 桥 结 构 ［ １ ３ ． 比如 京 沪 高铁 的桥 梁 长 度约 １ １ ４ ｏ ｋ ｍ． 占正 线 长 度 ８ ６ ． ５ ％。 其 中绝 大 部 分 为 高 架 桥 ． 自然界 横 风 对 高 速 列 车 的运 行 安 全 以及 乘 员舒
适性 构成巨大的危 险 ， 因横风导致列车运行安 全的事故在各 国常有发生 ［ ． 随着计算机 软件硬件水平 的飞
速 发展 ． 为 用计 算 流 体 力 学 方 法研 究 高 速 列 车 空 气 动力 学 提 供 了广 阔的前 景． 在 本 文 数值 模 拟 中 ， 选 用 目前 我 国动 车 的 实 际 运 营 速 度 （ ５ ５ ． ５ ６ ｍ ／ ｓ ） ， 横风速度在 ０ ｍ ／ ｓ ～ ３ ５ ． ０ ｍ ／ ｓ 范 围
内变化 ，以 １ ０ ｍ ／ ｓ ， ５ ｍ， ／ ｓ为 间隔 选 取 ７种
表 １ 各 运 行 工 况 基 本 参 数
不 同 的横 风 速 度 。横 风 方 向垂 直 于 车体 纵 向对 称 面 ．各 运 行 工 况 的 基 本 物 理 参 数 如
表１ 所示 （ 其中， 为横风速度 、 为合成
誓 ＝ Ｉ Ｘ ＋ ） （ 告＋ 争＋ 告） 椭Ｅ ｓ － ｐ Ｃ ２
ｃ ６
上式 中： 表 示 合 成 速 度矢 量 ， Ｍ ， 和 Ｗ依 次 为 方 向 ， Ｙ方 向速 度 和 方 向速 度 ； ｐ ， Ｐ分别 为 流体 压 力 和 密度 ； ／ ｚ ， ， 分 别 表示 空 气 的动 力 粘度 、运 动 粘度 和湍 动 粘 度 ； ， 分 别 为 流动 湍 动 能 和湍 动 耗 散 率 ； Ｇ 为 流 动平 均 速度 梯 度 引起 的湍 动 能产 生 项 ； Ｅ为 主 流 时均 应 变率 导 致 的湍 动 耗 散率 产 生 项 ；其 余 ， ０ ＂ ６ ， Ｃ 。
高 速 列 车 基 本 不 受 侧 向力 作 用 ． 关键词 ： 高架桥 ； 高速列车 ； 横 向风 ； 气动特性 ； 数 值 模 拟
中图 分 类 号 ： Ｕ ２ ７ ０ ． １ ； Ｕ ２ ９ ８ ． １ 文献标志码 ： Ａ
０ 引 言
随着 中 国高速铁路 的迅猛 发展 ， 至２ ０ １ ２年 １ ２月底 。 国内时速 ２ ０ ０ ｋ ｍ 以上 的高 速铁路 里程 已经 接
横风速度对 单线高架桥 上 高速 列车气 动特性影响
罗建 斌 ， 胡 爱 军 ， 孟 添 。
（ １ ． 广西科技大学 汽车与交通学院 ， 广西 柳州 ５ ４ ５ ０ ０ ６ ；２ ． 河南理工大学 机械与动力工程学院 ， 河南 焦作 ４ ５ ４ ０ ０ ０；
３ ． 北京航空航天大学 交通科学与工程学院 ， 北京 １ ０ ０ ０ ８ ３ ）
第２ ４卷 第 ４期 ２ ０ １ ３年 １ ２月
广 西 工 学 院 学 报
Ｊ ＯＵ ＲＮＡＬ ＯＦ ＧＵ ＡＮＧ ＸＩ Ｕ ＮＩ ＶＥＲＳ Ｉ ＴＹ ＯＦ Ｔ ＥＣＨＮＯＬ ＯＧＹ
Ｖｏ １ ． ２ ４ Ｎｏ ． ４ Ｄ ｅ ｃ ． ２ ０ １ ３
文章编号
１ ０ ０ ４ ． ６ ４ １ ０ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ４ ． ０ ０ ５ １ ． ０ ５
速度 、 ０为 合 成 风 向角 、 Ｒ ｅ为 雷 诺 数 、 Ｍａ为
马 赫数 ） ．
１ 流动理论模型
在数值计算 中 ， 流 动 的 马赫 数 远 小 于 ０ － ３ ， 雷诺数在 ｌ ｘ ｌ Ｏ 以上 ， 且 不 考 虑 外 界 热 流 的影 响 ． 因此 ， 将 整 个 流 动 系 统 简 化 为 不 可压 、 湍流 、 绝热 、 三维粘性流动． 在数 值 模 拟 中湍 流 模 型选 用 可 实 现 的湍 动 能 和 湍 动 耗 散 率模 型 ， 因此 ， 数 学 方程 组 如 下 ［ ］ ：
收 稿 日期 ： ２ ０ ｌ ３ — ０ ９ — １ ８
基金项 目： 广西教育厅高等学校科研项 目（ ２ ０ １ ２ ０ ４ Ｌ Ｘ ２ ７ ３ ） ； 车辆动力与新能源重点研发 中心建设项 目资助 作者简介 ： 罗建斌 ， 讲师 ， 博士 ， 研究方 向： 车辆工程空气动力学 ， Ｅ — ｍａ ｉ ｌ ： ｄ ｉ ｌ ｉ ｍ ｉ ｋ ｅ １ ６ ８ ＠１ ６ ３ ． ｃ ｏ ｎ． ｒ
性的影响． 通 过 合 理 划 分 阿格 、 选 取 合 适 的湍 流 模 型 、 设置正确 的边界条件来提高数值计算精 度 ， 模 拟结果表 明 ： 随 着
横风速度的增加 ， 头、 尾车阻力明显增加 ， 头 车 上 的侧 翻力 矩 也 明 显 增 加 ； 没 有 横 向风 时 由 于单 线 高 架 桥 的对 称结 构 ，
５ ２
广西 工 学 院学 报
第２ ４卷
动量 万 程 ：
ｄ ｉ ｖ （ 瘟） ＝ 一
Ｐ Ｏｘ
４ － ｄ ｉ ｖ （ ｇ ｒ ａ ｄ ｕ ） ＋ ｖ ｄ ｉ ｖ （ ｇ ｒ ａ ｄ ｖ ） ＋ ｖ ｄ ｉ ｖ （ ｇ ｒ ａ ｄ ｗ）
（ ２ ） （ ３ ） （ ４ ）
摘
要： 为 了节 省 宝 贵 的土 地 资 源 ， 高架桥结 构在现代高速铁路建设 中被大量采用 。 在 高 架 桥 上 行 驶 的 高 速 列 车 随 着
合 成 风 向角 的变 化 ， 其 气 动 特性 呈 规 律 性 变 化 。 以 此 采 用 计 算 流 体 力 学 方 法 来 研 究 横 风 速 度 变 化 一 ｄ ｉ ｖ （ ｗ ｉ） ｆ ＝ 一
ｐ ０３ ＂
Ｊ Ｄ Ｏ ｚ
ｋ方 程 ：
ｐ ＿ Ｏ ｋ ． Ｏ ｋ 誓 ： ｋ ｅ ＋ ） （ ＋ 等＋ ）
方程 ：
Ｏ ￣ ＋
， ．
（ ５ ）
０ ８
４ －
ａ ｙ
近 １ ３ ０ ０ ０ ｋ ｍ． 在 高 速 铁 路 建设 中为 节 省 宝 贵 的 土 地 资 源 ． 大量 采 用 高 架 桥 结 构 ［ １ ３ ． 比如 京 沪 高铁 的桥 梁 长 度约 １ １ ４ ｏ ｋ ｍ． 占正 线 长 度 ８ ６ ． ５ ％。 其 中绝 大 部 分 为 高 架 桥 ． 自然界 横 风 对 高 速 列 车 的运 行 安 全 以及 乘 员舒
适性 构成巨大的危 险 ， 因横风导致列车运行安 全的事故在各 国常有发生 ［ ． 随着计算机 软件硬件水平 的飞
速 发展 ． 为 用计 算 流 体 力 学 方 法研 究 高 速 列 车 空 气 动力 学 提 供 了广 阔的前 景． 在 本 文 数值 模 拟 中 ， 选 用 目前 我 国动 车 的 实 际 运 营 速 度 （ ５ ５ ． ５ ６ ｍ ／ ｓ ） ， 横风速度在 ０ ｍ ／ ｓ ～ ３ ５ ． ０ ｍ ／ ｓ 范 围
内变化 ，以 １ ０ ｍ ／ ｓ ， ５ ｍ， ／ ｓ为 间隔 选 取 ７种
表 １ 各 运 行 工 况 基 本 参 数
不 同 的横 风 速 度 。横 风 方 向垂 直 于 车体 纵 向对 称 面 ．各 运 行 工 况 的 基 本 物 理 参 数 如
表１ 所示 （ 其中， 为横风速度 、 为合成
誓 ＝ Ｉ Ｘ ＋ ） （ 告＋ 争＋ 告） 椭Ｅ ｓ － ｐ Ｃ ２
ｃ ６
上式 中： 表 示 合 成 速 度矢 量 ， Ｍ ， 和 Ｗ依 次 为 方 向 ， Ｙ方 向速 度 和 方 向速 度 ； ｐ ， Ｐ分别 为 流体 压 力 和 密度 ； ／ ｚ ， ， 分 别 表示 空 气 的动 力 粘度 、运 动 粘度 和湍 动 粘 度 ； ， 分 别 为 流动 湍 动 能 和湍 动 耗 散 率 ； Ｇ 为 流 动平 均 速度 梯 度 引起 的湍 动 能产 生 项 ； Ｅ为 主 流 时均 应 变率 导 致 的湍 动 耗 散率 产 生 项 ；其 余 ， ０ ＂ ６ ， Ｃ 。
高 速 列 车 基 本 不 受 侧 向力 作 用 ． 关键词 ： 高架桥 ； 高速列车 ； 横 向风 ； 气动特性 ； 数 值 模 拟
中图 分 类 号 ： Ｕ ２ ７ ０ ． １ ； Ｕ ２ ９ ８ ． １ 文献标志码 ： Ａ
０ 引 言
随着 中 国高速铁路 的迅猛 发展 ， 至２ ０ １ ２年 １ ２月底 。 国内时速 ２ ０ ０ ｋ ｍ 以上 的高 速铁路 里程 已经 接
横风速度对 单线高架桥 上 高速 列车气 动特性影响
罗建 斌 ， 胡 爱 军 ， 孟 添 。
（ １ ． 广西科技大学 汽车与交通学院 ， 广西 柳州 ５ ４ ５ ０ ０ ６ ；２ ． 河南理工大学 机械与动力工程学院 ， 河南 焦作 ４ ５ ４ ０ ０ ０；
３ ． 北京航空航天大学 交通科学与工程学院 ， 北京 １ ０ ０ ０ ８ ３ ）
第２ ４卷 第 ４期 ２ ０ １ ３年 １ ２月
广 西 工 学 院 学 报
Ｊ ＯＵ ＲＮＡＬ ＯＦ ＧＵ ＡＮＧ ＸＩ Ｕ ＮＩ ＶＥＲＳ Ｉ ＴＹ ＯＦ Ｔ ＥＣＨＮＯＬ ＯＧＹ
Ｖｏ １ ． ２ ４ Ｎｏ ． ４ Ｄ ｅ ｃ ． ２ ０ １ ３
文章编号
１ ０ ０ ４ ． ６ ４ １ ０ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ４ ． ０ ０ ５ １ ． ０ ５
速度 、 ０为 合 成 风 向角 、 Ｒ ｅ为 雷 诺 数 、 Ｍａ为
马 赫数 ） ．
１ 流动理论模型
在数值计算 中 ， 流 动 的 马赫 数 远 小 于 ０ － ３ ， 雷诺数在 ｌ ｘ ｌ Ｏ 以上 ， 且 不 考 虑 外 界 热 流 的影 响 ． 因此 ， 将 整 个 流 动 系 统 简 化 为 不 可压 、 湍流 、 绝热 、 三维粘性流动． 在数 值 模 拟 中湍 流 模 型选 用 可 实 现 的湍 动 能 和 湍 动 耗 散 率模 型 ， 因此 ， 数 学 方程 组 如 下 ［ ］ ：