强侧风对时速350km高速列车气动性能影响分析
强横风对高速列车驶入隧道气动效应的影响研究
第 54 卷第 11 期2023 年 11 月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.54 No.11Nov. 2023强横风对高速列车驶入隧道气动效应的影响研究王磊1, 2，张传凯3，谭忠盛1，骆建军1，李宇杰2(1. 北京交通大学 土木建筑工程学院，北京，100044；2. 北京市地铁运营有限公司，北京，100044；3. 北京地铁工程管理有限公司，北京，100005)摘要：为研究强横风条件下高速列车驶入隧道过程中的气动效应，基于有限体积法理论，建立隧道−高速列车−横风三维数值模型，采用SST k -ω湍流模型进行求解计算，研究高速列车在横风条件下驶入过程中隧道内气动压力和列车风的变化规律，对比分析横风对隧道内流场特性的影响。
研究结果表明：在横风作用下，车头、车尾通过时隧道壁面气动压力变化幅值最大，隧道入口处气动压力受横风影响最大，在列车背风侧气动压力受横风影响更加显著；列车迎、背风侧列车风变化规律存在显著差异，迎风侧列车风风速随到入口距离的增加而减小，背风侧列车风风速则与到入口距离的关系不显著；横风对隧道内列车风风速的影响范围有限，隧道入口处列车风风速受横风作用影响最大，当横风风速为30 m/s 、车速为350 km/h ，距入口超过50 m 时，列车同侧空间内列车风风速变化规律基本相同；隧道外流场向列车背风侧偏移，涡旋起始位置由头车流线段转移至隧道入口处，隧道内列车迎风侧大尺度涡旋结构逐渐向迎风侧偏移，并在列车驶入过程中逐渐分解消散，流场特性与无风情形的流场特征显著不同。
关键词：高速列车；横风；隧道；气动压力；列车风风速；流场中图分类号：U25 文献标志码：A 文章编号：1672-7207（2023）11-4584-12Study on influence of strong crosswind on aerodynamic effects ofa high-speed train entering a tunnelWANG Lei 1, 2, ZHANG Chuankai 3, TAN Zhongsheng 1, LUO Jianjun 1, LI Yujie 2(1. School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China;2. Beijing Subway Operation Co. Ltd., Beijing 100044, China;3. Beijing Subway Engineering Management Co. Ltd., Beijing 100005, China)Abstract: In order to investigate the aerodynamic effects of a high-speed train(HST) entering a tunnel under收稿日期： 2023 −01 −06； 修回日期： 2023 −03 −05基金项目(Foundation item)：北京市地铁运营有限公司科研项目(2022000501000001)；国家自然科学基金资助项目(51678036)(Project(2022000501000001) supported by the Scientific Project of Beijing Subway Operation Co. Ltd.; Project(51678036) supported by the National Natural Science Foundation of China)通信作者：骆建军，博士(后)，教授，从事高铁隧道空气动力学研究；E-mail ：**************.cnDOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2023.11.035引用格式： 王磊, 张传凯, 谭忠盛, 等. 强横风对高速列车驶入隧道气动效应的影响研究[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2023, 54(11): 4584−4595.Citation: WANG Lei, ZHANG Chuankai, TAN Zhongsheng, et al. Study on influence of strong crosswind on aerodynamic effects of a high-speed train entering a tunnel[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2023, 54(11): 4584−4595.第 11 期王磊，等：强横风对高速列车驶入隧道气动效应的影响研究strong crosswind, a 3D numerical model including tunnel, HST and crosswind was established based on the finite volume method theory, and the SST k-ωturbulence model was adopted for calculation. The distribution characteristics of the flow field around the train during the entry of the train with the crosswind were analyzed, the effects of the crosswind on the transient pressure and the train wind in the tunnel was explored. The results show that the variation amplitude of aerodynamic pressure of tunnel wall is the largest when the head and rear vehicle pass through the tunnel under crosswind, and the aerodynamic pressure at the tunnel entrance is the most affected by crosswind, and the aerodynamic pressure on the leeward side of the train is more significantly affected.Significant differences in the variation rules of windward and leeward side train wind exist when trains enter the tunnel. The train wind in windward side space decreases with the increase of the distance to the entrance, while the train wind in leeward side space has no significant relationship with the distance to the entrance. The influence range of crosswind on train wind in tunnel is limited, and the train wind at tunnel entrance is most affected by crosswind. When the crosswind speed is 30 m/s and the train speed is 350 km/h, the train wind variation law in the same side space of the train is basically the same after the distance from the entrance exceeds 50 m. The lateral flow field of the tunnel is offset to the leeward side of the train, and the initial position of the vortex structure on the leeward side is transferred from the head streamlined segment to the tunnel entrance, while the large-scale vortex structure on the windward side of the train in the tunnel is gradually offset to the windward side, and gradually decomposes and dissipates during the process of the train entering the tunnel. The characteristics of the flow field are significantly different from that in the case of no crosswind.Key words: high-speed train(HST); crosswind; tunnel; aerodynamic pressure; train wind velocity; flow field随高速列车速度的加快，列车通过隧道时的气动效应更加显著[1]。
高速列车运行时的空气动力学分析
高速列车运行时的空气动力学分析随着科技的不断进步与发展，高速列车已经成为现代交通系统中不可或缺的一部分。
高速列车运行时面临着许多复杂的工程问题，其中之一便是空气动力学分析。
空气动力学分析是研究列车在运行过程中与周围空气的相互作用，以及对列车运行性能的影响的科学方法。
本文将着重讨论高速列车运行时的空气动力学特性以及相关分析方法。
首先，高速列车在运行时所面临的空气动力学挑战主要包括空气阻力、气动力噪声和抗侧风能力等。
空气阻力是高速列车在高速运行过程中所经历的最主要的阻力。
阻力的大小直接影响列车的能耗和最大运行速度。
空气动力学分析的一个重要目标便是降低空气阻力以提高列车的能效。
减小列车截面积、优化车身外形以及改善车体与空气的流动状态都是降低空气阻力的有效措施。
其次，气动力噪声是高速列车运行时产生的另一个重要问题。
高速列车在高速运行时会产生类似于风声的气动噪声，严重影响列车内部的舒适性。
空气动力学分析可用于优化列车车体和底盘结构，减少气动噪声的产生。
另外，高速列车的抗侧风能力也是空气动力学分析的重要内容之一。
在高速列车系统设计中，必须考虑列车在遭遇风力侧向作用时的稳定性。
通过空气动力学分析，可以确定合理的车体外形、轮轨间距以及悬挂系统等参数，提高列车的抗侧风能力，确保列车的稳定性和安全性。
针对上述问题，空气动力学分析采用不同的方法与技术进行研究。
其中最常见的方法是数值模拟和实验测试。
数值模拟是空气动力学分析中常用的一种方法。
通过建立数学模型和计算流体力学（CFD）仿真来模拟列车在不同运行状态下与空气的相互作用。
在数值模拟中，需要考虑列车的几何形状、气动力学特性以及周围空气的流动状态等因素。
通过对模型进行多次仿真计算和分析，可以获取列车在不同条件下的空气动力学特性。
实验测试则是验证数值模拟结果的一种有效手段。
通过在风洞或运行场地进行实验测试，可以获得列车在真实运行环境中的气动力学数据。
实验测试可以帮助研究人员验证数值模拟结果的准确性，并进一步改进模型和分析方法。
高速列车车头气动性能分析及优化
高速列车车头气动性能分析及优化随着科技的不断发展，高速列车已经成为人们出行的主要方式之一，而车头气动性能则是高速列车技术不可或缺的一部分。
本文旨在对高速列车车头气动性能进行分析，并提出相应的优化方案。
一、高速列车车头气动性能的重要性高速列车在高速行驶过程中，必须要克服气动阻力的影响，因此车头的气动性能对列车的运动性能和经济性能都有着重要影响。
良好的车头气动性能能够减少阻力，提高列车的牵引力和速度，同时也能够降低油耗和能耗，为高速列车的运行提供更好的保障。
二、高速列车车头气动性能分析1. 车头气动阻力车头气动阻力主要由空气阻力和压力阻力组成。
空气阻力是指空气对车头流动的阻力，压力阻力是指由于车头顶部压缩空气所产生的阻力。
车头气动阻力的大小与车头形状、速度、空气密度以及粘性系数有关。
2. 车头流场特性车头的气动性能还与车头的流场特性有关。
良好的流场特性能够使车头阻力降低，但是流场特性的具体表现和影响因素相对较为复杂，通常需要通过模拟和实验来进行分析研究。
3. 车头结构设计车头的结构设计直接关系到车头的气动性能。
优秀的车头设计应该能够减小车头气动阻力，降低车厢震动和噪声，提供更好的乘坐舒适度和安全性。
三、高速列车车头气动性能优化方案1. 物理模拟和数值模拟相结合的优化方法对于高速列车车头气动性能的优化，通常需要使用物理模拟和数值模拟相结合的方法来进行研究。
物理模拟可用于测量车头气动性能和流场特性数据，而数值模拟则可用于对车头结构进行优化和分析。
2. 车头复合材料的应用在车头结构设计上，采用轻量化和高强度的复合材料代替传统的钢材材料，能够减少车头的质量和阻力，降低能耗和运营成本，提高列车的经济性和环保性能。
3. 空气动力学设计的改进车头形状直接影响到车头的气动阻力和流场特性，因此应该采取合理的空气动力学设计来改进车头形状，以减小车头气动阻力和提高流场特性。
4. 无人驾驶技术的应用随着无人驾驶技术的不断发展，适度应用无人驾驶技术，可以实现高速列车的智能化控制，提高行驶效率和安全性，同时也能够优化车头结构设计，降低车头气动阻力和能耗，提高高速列车的经济性和环保性能。
350km_h高速列车风致安全研究
重心高度、 车体转动惯量等 参数等方面完全一致， 但在车体质量、 在车辆系统动力学建模过程中， 将悬挂系统以及减振器等简 化为弹簧和阻尼等力单元形式，同时还考虑了轮轨接触几何非线 性、 轮轨力非线性、 抗蛇形减振器非线性、 横向止挡非线性以及弹簧 并联组合后的非线性等。模型中高速列车的车轮踏面 和阻尼的串、 外形采用 LMA 踏面， 钢轨采用 T60 钢轨， 轮对内侧沿用中国标准 1353mm， 轨道不平顺激励分别采用京津高速铁路实测轨道谱。 根据 “高速列车整车试验规范” ， 高速列车的运行安全性以脱 轨系数、 轮重减载率、 轮轴横向力和轮轨垂向力来评定， 各指标应小 ） 动态轮重减载率评 于下列限值： 脱轨系数评定限值为 （Q/P lim=0.80； 軈 定限值为 （△P/P ） 轮轴横向力评定限值为 Hlim=10+P0/3， 其中 lim=0.80； P0 为轴载荷， 单位为 kN； 轮轨垂向力的评定限值为 Plim。
的形状相同。同时， 为避免网格过多， 将列车简化为光滑曲面构成 转向架、 门把手等细部特征。 的几何体， 而不考虑受电弓、 计算区域及边界条件设置， 如图 1 所示。列车表面设置为无 滑移壁面边界条件； 地面设置为滑移地面， 滑移速度为列车运行 速度， 以模拟地面效应。 采用混合网格法对区域进行划分， 其中空 六面体和三棱柱单元， 物面网格采用三角形 间网格采用四面体、 单元， 单元总数约为 300 万。
1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 10
30° 60° 90° 120° 150°
图 1 计算区域及边界设置 Fig.1 Calculated regional and boundary setting
强侧风对时速350 km高速列车气动性能影响分析
强侧风对时速350 km高速列车气动性能影响分析谢红太【摘要】采用NURBS曲面设计方法完成对某型高速列车头车的三维数字化设计建模,基于三维定常不可压的黏性流场N-S及k-ε方程湍流模型,利用有限体积数值模拟方法分析计算出列车的速度阻力函数关系,同时针对列车在不同风向角的强侧风环境中运行时压力场和速度场做了进一步研究.研究发现:在无风明线上运行时列车所受空气阻力与运行速度的平方成正比,侧风运行时随着风向角的扩大空气阻力系数呈现先增大后逐渐下降的变化趋势.流场分布结构复杂不规律,当侧风情况较为严重时正压区主要分布在迎风侧,负压区主要分布在背风侧和车顶部位,且负压表现更为强烈,列车前端滞止点向迎风侧发生偏移,致使迎风侧与背风侧产生巨大压差.【期刊名称】《华东交通大学学报》【年(卷),期】2019(036)003【总页数】9页(P7-15)【关键词】高速列车;空气动力学;流场结构;NURBS方法【作者】谢红太【作者单位】中设设计集团股份有限公司铁道规划设计研究院,江苏南京 210014;兰州交通大学机电工程学院,甘肃兰州 730070【正文语种】中文【中图分类】U266.2近年来，高速动车组旅客列车逐渐普及并大幅提速，2017年9月我国在京沪线相继开行350 km/h“复兴号”高速动车组，并在此基础上做了大范围推广的战略性规划。
高速列车与空气存在的相对复杂无规律的快速强烈运动，致使列车气动阻力问题突出，高速列车空气动力学性能恶化[1-4]。
在高速列车设计研发过程中如何使其具有优良的空气动力学性能显得愈来愈重要，尤其在适应空气运行环境较差的地段及应对突发恶劣天气变化的能力要求越来越高。
比如列车高速运行过程中的气动阻力问题及列车在强侧风下的横向、纵向、垂向不稳定性问题等[5-8]。
本文重点针对350 km/h某型高速列车列车风与大风耦合作用下的列车空气动力特性进行数值分析研究，为我国自主研发高性能高速列车提供理论支撑与技术保障。
侧风对高铁车辆安全性影响分析
侧风对高铁车辆安全性影响分析徐宏伟（中车青岛四方机车车辆股份有限公司山东·青岛266111）摘要随着高铁网络经营的疾速进步和列车速度的加快，列车与空中交互的动态需要得到解决。
本文对侧风环境下车辆的运转姿势和操作安全性进行了仿真剖析，提出了进步侧风稳定性的方法。
结果表明，在给定的变动范围内，每个悬架参数对列车运转安全性的影响不明显。
而后，提出半自动动横向阻尼器和主动抗崎岖扭杆安装来克服由侧风惹起的车辆振动。
这两项办法的管制效果与Simpack软件和Matlab/Simulink控制模块相结合。
关键词高铁列车侧风运行姿态运行安全悬挂参数抗风措施中图分类号：U298.1文献标识码：A关于高速铁路运用，侧风扰动是一个既不确定又重要的平安要素。
然而，侧风扰动的主要负荷特性（称为风荷载特性）尚不清楚。
结合当前对高速铁路应用的需求，必须从保守的稳定性和稳健性角度确定风荷载特性。
从我国高铁应用的安全性和经济性的角度来看，风荷载个性的研究是一项十分迫切的研究课题。
因此，从高速铁路车辆安全性的角度动身，本文首先探讨了曲线经过轮轨安全和尾端车辆稳固状态的两个问题，以阐明横风扰动的重要性。
1车辆系统动力学模型在分析风荷载下高速列车的安全性时，通常创建高速列车的动态模型。
风速工夫序列用作系统的动态激活输入，Sim-pack软件用于在时域中计算和求解。
为了保证计算结果的合理性，脉动风速时间尽量与自然风的特性接近。
基于中国高速列车的结构参数，本文采纳Simpack多体动力学软件创立车辆模型。
在本文中，选择高速动车组的头车进行动态研究，因为头车的动力性能在侧风环境中是最差的。
悬架系统包含一系列悬架安装和二级悬架装置，主要撑持车身，传递纵向力，隔离轨道扰动传递的振动，并克制车辆的蛇运动。
第一悬挂装置包含一系列弹簧，一系列垂直阻尼器和一系列定位节点;第二悬架装置包括空气弹簧，两级横向阻尼器，双线垂直阻尼器和防蛇形减振装置、抗滚动扭杆。
高速列车行驶中的气动问题与解决方法
高速列车行驶中的气动问题与解决方法高速列车的发展已经成为现代城市交通的重要组成部分，大多数国家和地区都在加强高速列车的建设。
然而，高速列车的升级、改进和创新需要各种技术支持，包括气动技术。
本文将探讨高速列车行驶中的气动问题和解决方法。
一、高速列车行驶中的气动问题1.1 高速列车的气动阻力气动阻力是指在高速列车行驶中空气的阻碍力，这个阻力是由于空气分子的动量转移导致的。
高速列车的气动阻力主要受到速度、形状和外形因素的影响。
当列车速度增加时，气动阻力也会增加，达到最大值时速度越高，气动阻力就越大。
形状是影响气动阻力的另一个重要因素。
不同的车身外形将导致不同的气动阻力。
1.2 空气动力噪声空气动力噪声是由于空气流动所产生的声音，这种声音会对车厢内外的人造成不适。
空气动力噪声的产生是因为列车行驶时的风阻力和空气湍流所导致的。
1.3 气隙控制气隙是指列车与轨道之间的空隙，这个空隙是为了缓冲车轮与轨道之间的振动而产生的。
气隙的大小对列车安全和运行产生重要影响，过大过小的气隙都会导致列车发生事故，如行车偏移、脱轨等。
二、高速列车的气动解决方法2.1 减少气动阻力减少气动阻力是提高列车速度的重要因素之一。
目前，对于高速列车的外形设计和构造设计，采用点对点、流线型、低空气阻的原则。
提高车头前端的流线型设计，使空气在行驶过程中能够更加顺畅地通过车身，降低气动阻力。
同时，采用复合材料等新材料制造车轮高架部件以减轻重量，也可以减少运行中的气动阻力。
2.2 抑制空气动力噪声减少空气动力噪声的方法有很多。
如采用减震、隔音等工程措施，在车体和车架的接口处增加密封件，以尽量减少非必要的空气进出车体的情况。
同时，必要时在车厢内部墙体内布置隔音材料以吸收车体噪声。
还可以对制动系统进行优化，减少制动时产生的空气动力噪声。
2.3 气隙控制对于气隙控制，需要严格进行车辆优化设计和可靠性分析。
在制造车辆时，放置密封垫以减少空气的进入量，品质检验时，需要进行联合检验，以确保车辆在高温、高湿的环境下也能保持状态稳定，气隙大小合适，从而改善车辆的运行和行驶质量。
侧风风场特征对高速列车气动性能作用的研究
lows: For a high- speed t rain running under cross w inds on a plain, the aerodynamic lif t f orce, lat eral f orce and overtur-
ning moment act ing on the t rain increase rapidly with increasing of the w ind direct ion angle; when the train runs
Research on Influence of Characteristics of Cross Wind Field on Aerodynamic Performance of a High- speed Train
M A O Jun1 , XI Y an- hong1 , Y A N G G uo- w ei2
取11 225
k g/
m3 ,
v] 为来流速度; p 0 为大气压力值, 环境温度约为 15 e , 大
气压力取 101 325 Pa; p 为绝对压力值; S 为参考面积, 本
试验中 S= 01175 m2 ; Fy 为升力; Fx 为阻力; Fz 为侧向
力; Mz 为俯仰力矩; My 为侧偏力矩; Mx 为倾覆力矩; ca
1 数值模拟方法的适用性验证
为了确定数值模拟方法对高速列车侧风效应分析 的适用性以及检验数值模拟的准确性, 在中国空气动 力研究与发展中心的 8 m @ 6 m 风洞中进行了缩尺模 型实验( 图 1) , 并与缩尺模型实验的数值模拟结果进 行了对比分析。
模型列车为 3 列编组, 缩尺比例为 1B8, 几何尺寸 为 91 516 m @ 01 369 m @ 01 486 m , 外形复杂程度与实 车相同。风洞中地板中间有一直径 7 m、可旋转的转 盘。转盘可改变来流与固定在转盘上的模型列车纵向 之间的夹角 ) ) ) 气流夹角, 其他为固定部分。用于模 拟地面效应的轨道、路基贯穿列车底部, 并伸出头、尾 车各 21 5m。来流速度和气流夹角可变, 进行了不同来 流速度和不同气流夹角的若干工况的模型试验。
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收稿日期:2018-12-19作者简介:谢红太(1993—),男,助理工程师,硕士,研究方向为铁道规划及动车组行车安全设计。
强侧风对时速350km 高速列车气动性能影响分析谢红太1,2(1.中设设计集团股份有限公司铁道规划设计研究院,江苏南京210014;2.兰州交通大学机电工程学院,甘肃兰州730070)摘要:采用NURBS 曲面设计方法完成对某型高速列车头车的三维数字化设计建模,基于三维定常不可压的黏性流场N-S 及k-着方程湍流模型,利用有限体积数值模拟方法分析计算出列车的速度阻力函数关系,同时针对列车在不同风向角的强侧风环境中运行时压力场和速度场做了进一步研究。
研究发现:在无风明线上运行时列车所受空气阻力与运行速度的平方成正比,侧风运行时随着风向角的扩大空气阻力系数呈现先增大后逐渐下降的变化趋势。
流场分布结构复杂不规律,当侧风情况较为严重时正压区主要分布在迎风侧,负压区主要分布在背风侧和车顶部位,且负压表现更为强烈,列车前端滞止点向迎风侧发生偏移,致使迎风侧与背风侧产生巨大压差。
关键词:高速列车;空气动力学;流场结构;NURBS 方法中图分类号:U266.2文献标志码:A第36卷第3期2019年6月华东交通大学学报Journal of East China Jiaotong University Vol.36No.3Jun .,2019近年来,高速动车组旅客列车逐渐普及并大幅提速,2017年9月我国在京沪线相继开行350km/h “复兴号”高速动车组,并在此基础上做了大范围推广的战略性规划。
高速列车与空气存在的相对复杂无规律的快速强烈运动,致使列车气动阻力问题突出,高速列车空气动力学性能恶化[1-4]。
在高速列车设计研发过程中如何使其具有优良的空气动力学性能显得愈来愈重要,尤其在适应空气运行环境较差的地段及应对突发恶劣天气变化的能力要求越来越高。
比如列车高速运行过程中的气动阻力问题及列车在强侧风下的横向、纵向、垂向不稳定性问题等[5-8]。
本文重点针对350km/h 某型高速列车列车风与大风耦合作用下的列车空气动力特性进行数值分析研究,为我国自主研发高性能高速列车提供理论支撑与技术保障。
1阻力特性分析有限元法是一种有限的单元离散某连续体然后进行求解的一种数值计算的近似方法,S imulation 分析工具作为计算机嵌入式分析软件与S olidworks 无缝集成,能够提供大量的计算与分析工具来对较为复杂的零件及装配体进行模拟计算,测试和仿真分析其主要功能模块有结构计算与应力分析、应变计算分析、产品的优化设计、流体模拟仿真、线性与非线性分析等[9]。
为了分析高速列车的气动阻力特性,现分别等梯度选取列车在长大直线不同运行速度,使用Solidworks flow Simulation 流体动力学分析工具,对某型高速列车分别进行气动阻力特性数值模拟计算。
1.1几何及数模创建相关研究表明,列车在时速300km 及以上时运行总阻力中由于气动摩擦产生的阻力可占85%以上[10-11]。
因此在列车头车司机室设计中通常采用国际标准化组织定义的工业产品曲线设计标准方法,非均匀B 样条线进行流线型设计,即NURBS 方法[12-13]。
在具有先进混合建模技术及复杂曲面设计技术的三维设计软件CATIA 中,根据头车设计技术参数,确定高速列车头部司机室流线型曲面主控制线,并顺次添加进一步优化两侧辅助控制线,完成高速列车的计算模型创建[14-16]。
文章编号:1005-0523(2019)03-0007-09华东交通大学学报2019年将于CATIA 软件中创建的高速列车头车模型导入到Solidworks 软件中,为了能够较为准确直观地模拟高速列车在空气中的运行情况,在此气动阻力分析列车计算几何模型及后面侧风问题分析中均采用3辆编组的形式,即头车、中间车和尾车连挂,模拟计算时简化风挡连接处,直接实体相接。
同时外流场采用如图1所示的空壳薄壁长方体模型,定义某型高速列车几何模型全长为L ,取外流场计算模型的长宽高分别为4L ,2L ,1L ,其中列车位于该长方体流场中部,列车底部具体流场下部设为0.5m ,列车头部距来流入口面1L 处,尾部距出口面2L处。
采用全局网格与局部网格相匹配的模式进行该几何模型的网格划分处理,局部细化网格为列车及周围10m 范围内。
列车气动阻力问题及后述侧风向问题均可归结为流体运动问题,而任何一个流场流动问题均可用非稳态的N-S 方程描述[17-19]。
连续性方程əρət +əəx i(ρu i )=0(1)动量守衡方程əət (ρu i )+əəx j (ρu i u j )=-əp əx i +əτij əx j+ρg i +F i (2)动能守衡方程əət(ρh )+əəx i (ρu i h )=əəx i (K+K t )əT əx i +S h (3)在对高速列车进行CFD 数值模拟分析计算时采用三维定常不可压黏性流场,其中外流场的湍流运动采用K-ε湍流方程模型[20],即湍动能方程和湍动能耗散方程,如式(4)~式(5)所示。
湍动能方程ρd k d t =əəx i (μ+μt σk )ək əx i[]+G k +G b -ρε(4)湍动能耗散方程ρd εd t =əəx i (μ+μt σε)əεəx i []+C ε1εk (G k +C ε3G b )-C ε2ρε2k (5)μt =C μρk 2ε(6)式(1)~式(6)中:ρ为流体的密度;μi 为流体速度沿i 方向的分量;p 为静压力;子ij 为应力矢量,ρg i 为i 方向的重力分量;μ=μt +μl 为有效粘性系数;F i =ρf i 为由于阻力和能源而引起的其他能源项;h 为熵;T 为温度;K 为分子传导率;K t 为由于紊流传递而引起的传导率;S h 为定义的任何体积热源;μi ,μj 为流体沿i ,j 方向的速度分量;x i ,x j 为横坐标;C μ,C 1,C 2,C 3,σk ,σε为系数,取值同参考文献[21];G k 为由浮力产生的湍流动能;G b 为由层流速度梯度而产生的湍流动能;k 为湍动能;ε为湍动能耗散率;i ,j 为哑标。
1.2计算分析将建立的高速列车及模拟外流场空壳薄壁长方体模型进行纵向对称面重合装配及相关约束,并转换到S olidworks flow S imulation 计算流体动力学分析工具环境中[22]。
分别选取大小不同且垂直于外流场入口平面的速度v c 作为来流速度模拟列车在无风环境下以不同速度运行情况。
如图2及图3所示为来流速度v c =350km/h 计算某型高速列车车身表面压力及外围速度迹线。
图1外流场模型设计及计算域Fig.1External flow field model design and calculation domainX Y Z 8第3期图4纵向对称面上部流固接触线静压Fig.4Vertically symmetric surface fluid-solid contact line static pressure 谢红太:强侧风对时速350km 高速列车气动性能影响分析外流场纵向中间对称面上高速列车外围静压分布如图3所示,列车运行时,由于车头驾驶室部位受到空气正向挤压,前部鼻尖处达到最大P max =107.985kPa ,与流场初始给定标准大气压相比P max >atm ,周围流场呈正压状态,同时周围空气流速迅速增加,沿着两侧及车顶上侧逐渐减小达到一个最小值P min =96.603kPa ,P min <atm ,周围流场呈负压状态,此时周围风速达到最大v max =398km/h 。
其中纵向对称面外流场与列车上表面接触线静压如图4所示。
通常对流动流场引入一个无量纲的参数压力系数做进一步研究,对于列车表面上任一点的压力系数C p [17]可表示如下C p =p-p ∞0.5ρ∞V ∞2(7)式中:p 为所求压力点处的静压,Pa ;ρ∞为标准大气压下空气密度,kg/m 3;p ∞为远离列车的无扰动外流场独立静压即此处标准气压,Pa ;V ∞为空气流过列车的速度,m/s 。
列车表面静压分布沿轴线方向呈现正、负压力波动,变化较大,列车前缘鼻部是滞止点,此处压力达到最大,相应压力系数最大,沿列车表面,速度逐渐增加,在压区速度达到最大值,在列车中部表面上压力和速度都比较平稳,在列车尾部,由于列车的行驶产生负压区。
其分布规律主要表现为:1〇头车正对来流方向的鼻尖部位为正压区;2〇从鼻尖向上及向左右两侧,正压逐渐变为负压,车头与车身曲线过渡连接处负压达到最大,外围空气流速达到最大,即图2中蓝色带状区域。
为了更为全面的研究某型高速列车气动阻力问题,分别取来流速度v c =50,100,150,200,250,300km/h 及350km/h 分别计算。
在忽略干扰阻力(车辆突出物等所引起的阻力),只考虑压差阻力和摩擦阻力的情况下,拟合出速度-空气阻力曲线呈二次抛物线变化趋势曲线,如图5所示。
图3纵向对称面上压力分布Fig.3Pressure distribution on the longitudinal symmetryplane图2车身压力及外围速度迹线Fig.2Body pressure and peripheral speed traces 图5某型列车速度原空气阻力曲线Fig.5Speed-air resistance curve of a certain type of train30000250002000015000100005000速度/(km/h )纵向位置坐标/m 车尾车头正压区负压区atm 185205225245108106104102100989华东交通大学学报2019年即列车所受空气阻力F e 与来流速度v c 的平方(列车运行速度的平方)成正比,可表示为F e =C e v c 2(8)式中:C e 为该某型高速列车的空气阻力系数,为一常量,经拟合计算得C e =0.192;阻力系数C e 是一个与高速列车的形状及表面特性相关的无因次量,可用下式进行理论计算[19]C e =F e 0.5ρ∞V ∞2(9)式中:F e 为列车空气阻力,N ;ρ∞为标准大气压下空气密度,kg/m 3;V ∞为空气流过列车的相对速度,m/s 。
不同造型的列车头车部位分布不同的压力p 和表面附近外围流场的速度V ∞变化,进而影响列车阻力系数C e ,由此可见改善列车头车司机室流线型设计是降低气动阻力系数的重要途径和有效技术方法[23-26]。
2侧风问题数值研究侧风指风向与列车运行方向呈一定角度的环境风,现场试验研究表明,在强侧风的作用下,列车空气动力性能恶化,不仅列车空气阻力、升力、横向力迅速增加,还影响列车的横向稳定性,严重时将导致列车倾覆。