橫向風作用下高速列車流場影響的研究

最近，對車輛橋梁耦合振動的研究開始關注列車風的影響。y.l.y等人在研究斜拉橋的車輛橋耦合振動時考慮了列車風，而在計算列車氣流動力時，根據等效方向獲得的列車氣流（靜態模型）是基于波前的。橋的氣動力沒有考慮客車風的影響。S.Minoru等在測列車在橋上的氣動力時,亦按Baker所用等效風向方法考慮列車風。從理論上說,X.L.Yu等在測試、采用列車、橋梁氣動力時存在明顯的近似性。在橫向風作用下,列車從橋上高速通過時,列車風會對周圍流場產生擾動,特別是列車頭尾附近區域。目前修建的高速鐵路橋梁兩側均設有擋風墻(亦稱聲屏障),因此,在忽略橋墩、橋塔影響條件下,若不嚴格考慮橫風向的旋渦脫落影響,可以將橫向風作用下列車在高速鐵路橋上運行的流場看作定常流。在此,本文作者采用三維定常不可壓縮雷諾平均N-S方程,結合RNG(RenormalizationGroup)湍流模型進行研究。采用大型商業流體計算軟件FLUENT,應用多重參考系法(MultipleReferenceFrame,簡稱MRF)分析橫向風作用下ICE高速列車在日本屋代南橋上運行的穩態流場。1數值模擬1.1氣動干涉效應橫向風作用下,列車高速運行時,運動列車與靜止橋梁間存在氣動干涉效應。為了準確計算車橋間的氣動干涉效應,采用多重參考系法獲得流場的穩態解。應用該方法根據流場的性質將流場劃分為動坐標系子區間(包含列車)和靜止坐標系子區間(包含橋梁)。動靜區間速度的匹配直接通過在交界面上的坐標系轉換來實現。計算過程中網格無相對運動。1.2確定列車高度列車計算模型采用動車+拖車+動車的三節ICE列車編組(總長66.72m),橋梁斷面采用日本屋代南橋橋梁斷面,橋上雙線軌道簡化為矩形斷面模擬,列車底面到橋面的高度采用實際高度,如圖1所示。經過多種計算區域的反復試算、比較,待流場計算結果穩定后,確定了如下的計算區域:迎風側外邊界距離橋梁表面50m,背風側距離橋梁表面100m,上邊界距離橋梁底面42.5m,下邊界距離橋梁底面40m,列車長度方向計算區域總長370m。列車頭部到其前端邊界的距離為150m,其示意圖如圖2。計算縮尺比1∶20。1.3列車表面網格劃分及來流強度在列車表面附近采用四面體非結構網格,以適應列車表面變化,其余采用六面體結構網格,總單元數約為235.9萬。ICE列車頭部的表面網格劃分如圖3所示。邊界設置:迎風側邊界表面取橫向風速度入口邊界,其余外邊界取壓強出口邊界,列車及橋梁表面均為無滑移光滑壁面。列車速度v取0,200,250和300km/h,橫向風速U按20m/s均勻來流考慮。采用一般風洞試驗均勻流的來流湍流強度0.5%。列車位于橋梁迎風側。2計算結果和分析2.1局部流場特性橋梁外部流場受橫向風控制,列車風對流場的影響主要體現在對列車表面與擋風墻、橋梁頂面間局部流場的影響。因此,本文集中探討這部分區域的流場特性。以列車速度250km/h為例,取截面A(距車底1m高度水平截面)、截面B(列車中心剖面)討論流場的基本特征。2.1.1截面的速度等值線列車風引起的列車中部的滑流離開列車表面后迅速衰減,對橫向風的擾動很小。列車風對流場速度的影響集中在列車頭部和尾部附近。截面A、B的速度等值線如圖4和圖5所示。圖中的速度等值線為從靜止的地面觀察的結果。從車頭、車尾附近的速度分布看:列車的運行對車頭前端空氣有排擠作用,列車前端方向速度迅速衰減為零;列車尾部存在一個很強的旋渦,該旋渦受橫向風的影響,向迎風側方向發生了偏轉。列車尾部旋渦結構如圖6所示。列車尾部與橋面間存在氣流加速。2.1.2列車底部低位分布截面A、B的靜壓(相對橫向來流靜壓)等值線如圖7和圖8所示。列車風對列車中部附近區域的靜壓影響很小,對流場靜壓的影響集中在列車頭部和尾部。列車頭部駐點附近存在一高壓區,并呈近似球狀分布向外擴散。列車尾部由于列車的拖曳作用產生一個靜壓很低的旋渦區,旋渦中心靜壓最低。受橫向風的影響,列車尾部迎風側方向靜壓相對較低,列車尾部背風側有一正壓區。列車頭尾頂部由于氣流加速作用,均有一負壓區。列車尾部與橋面間存在一低壓區。列車中部基本為負壓區,這與擋風墻、橋面、列車共同形成的空腔結構有關。2.2列車和橋梁的氣動力2.2.1列車風對車輛阻力、升力、罪犯建立健康約束機制的影響定義列車六分力系數:阻力系數CX=2FX/(ρU2)/S;橫向力系數CY=2FY/(ρU2)/(HL);升力系數CZ=2FZ/(ρU2)/(BL);側滾力矩系數CMX=2MX/(ρU2)/(B2L);點頭力矩系數CMY=2MY/(ρU2)/(B2L);搖頭力矩系數CMZ=2MZ/(ρU2)/(B2L)。其中:FX,FY,FZ,MX,MY和MZ分別為體軸坐標系下車輛受到的縱向阻力、橫向力、豎向升力、側滾力矩、點頭力矩、搖頭力矩,力矩均簡化到車廂中心處;S,H,B,L,ρ和U分別為列車橫截面面積、列車高度、列車寬度、車廂長度、空氣密度、橫向風速。取列車內部空氣靜壓與遠場橫向來流空氣靜壓相同。列車六分力示意圖如圖9所示。列車六分力系數如表1?？梢钥闯?在高速條件下列車六分力系數與橫向風速平方的關系是非線性的。阻力系數隨列車速度的增大而增大。列車速度增大引起頭車橫向力沿橫風向增大,拖車橫向力變化不大,尾車橫向力沿逆橫風向增大。列車速度增大引起頭車、拖車、尾車升力增大。列車速度對列車側滾力矩系數基本沒有影響。列車速度增大引起列車點頭力矩系數增大。列車速度增大引起頭車、拖車、尾車搖頭力矩沿順橫風向增加,對尾車的搖頭力矩影響很大?？傊?列車風對列車的阻力、橫向力、升力、搖頭力矩影響較大。列車風的作用使得整個列車產生一種向上提升和沿橫風向搖頭的作用。車橋耦合振動不考慮列車縱向力,故可以不考慮阻力系數影響。2.2.2列車風對橋梁氣動力的影響定義橋梁每延米三分力系數:阻力系數CD=2FD/(ρU2H);升力系數CL=2FL/(ρU2B);力矩系數CM=2M/(ρU2B2)。其中:FD,FL和M分別為體軸坐標系下橋梁每延米的橫向阻力、升力、力矩(簡化到主梁截面形心);H,B,ρ和U分別為主梁梁高、主梁梁寬、空氣密度、橫向來流風速。橋梁三分力示意圖如圖10所示。橋梁每延米阻力系數、升力系數、力矩系數見圖11~13。其中橋梁坐標x=0處對應列車車頭最前端,列車尾部最后端對應橋梁坐標x=-66.72m,列車速度與橋梁坐標+x方向一致。從總體上看,在橫向風作用下,列車風對橋梁氣動力的影響表現為:拖車及以前區域橋梁氣動阻力減小,尾車及以后區域橋梁氣動阻力增大;橋梁氣動升力基本上呈增大趨勢,除頭車前端及尾車附近部分區域外;拖車及以前區域橋梁氣動力矩增大,尾車及以后區域橋梁氣動力矩減小。由圖7可以看出:由于列車風的影響在列車頭部迎風側擋風墻內側上產生了很大的排擠作用,從而導致了列車頭部位置橋梁阻力系數迅速減小;而在列車尾部由于列車風與橫向風的共同作用迎風側擋風墻附近存在一個很強的旋渦,導致了迎風側擋風墻內側的靜壓很低,于是列車尾部位置橋梁阻力系數迅速增大。同樣的道理,可以解釋橋梁升力、力矩系數的變化。3列車風的影響在橫向風作用下,列車風對流場的影響主要表現在對列車表面附近、橋面、擋風墻