风沙环境下路堤上列车的气动性能分析-论文.pdf

试验研究铁道车辆第52卷第8期2014年8月文章编号：1002—7602(2014)08—0005—05风沙环境下路堤上列车的笺动牲能分析张传英，张克跃，张继业(西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都610031)摘要：利用CFD软件研究风沙环境下列车在路堤上运行的横风气动性能，计算分析了列车横风气动力与沙尘浓度和横风速度之间的关系。计算结果表明，随着风沙环境强度的提高，车体表面的正压区及负压区增大，且列车的气动性能变差；随着沙尘浓度的增加，侧力增幅最大；在同一沙尘浓度环境下，随着横风速度的增加，列车气动力变化剧烈，且与对应的不同强度风沙环境下列车气动力的变化趋势相似。风沙环境下列车气动性能对横风更为敏感，而沙尘仅加剧了列车气动力值的增幅，增加了列车的运行危险性。关键词：列车；气动性能；风沙；路堤中图分类号：U270．1。。1文献标志码：A横风环境下列车的气动性能较差，尤其是在风沙车横风气动性能的影响，而实际上沙区的线路安全性环境下，会严重影响旅客乘坐舒适性和安全性L1]。为和运输稳定性往往受到风沙的共同影响。本文将对沙减少事故的发生，国外做了很多研究，如文献E2]利用尘及横风环境下列车在路堤上的运行性能进行仿真计数值模拟及风洞试验分析了侧风下高速列车在平地上算，分析其流场结构和列车气动性能，为今后列车的安及路堤上的气动性能；文献[3]研究了高速列车在高堤全评估和气动设计提供参考依据。坝上的横风稳定性。国内也针对风沙环境下列车的气1数学模型动性能进行过研究，如文献[4]利用数值计算方法研究了高速列车在风沙环境下的气动性能和安全性；文献本文主要研究的风沙环境属于风一沙的气一固两相E5]研究了风沙环境下高速列车在平地上运行的安全流问题，不考虑热量交换。采用欧拉(Eulerian)多相性。上述研究中仅考虑沙尘或者路堤两因素之一对列流模型进行计算_6]。连续性方程为：收稿日期：2014O106基金项目：高速铁路基础研究联合基金(U1234208)(a。P。)4-·(aqp。)一∑(舯一和)(1)作者简介：张传英(1990一)，女，硕士研究生。接触几何计算方法，通过使用分段多项式拟合得到轮E4]POMBOJ，AMBRSIOJ，SILVAM．Anewwheel—railcontactmodelforrailwaydynamics[J]．VehicleSystemDynamics，廓线的函数，并应用于轮轨滚动接触几何的计算。与2007，45(2)：165-189．传统迹线法相比，采用该方法可使计算速度提高4OEs]FALOMIS，MALVEZZIM，MELIE，eta1．Multibodymodel左右，并且滚动圆半径差和接触角差计算结果都更为ingofrailwayvehicles：innovativealgorithmsforthedetectionof准确，与Adams／Rail的REGSO模块的计算结果的差wheel—railcontactpointsEA]．Proceedingsofthe8thInternational异低于20。ConferenceonContactMechanicsandWearofRail／Whee1Sys—terns(CM2009)[c]．Firenze，Italy，2009．参考文献：[6]AUCIELLOJ，MELIE，FALOMIS，eta1．Dynamicsimulationofrailwayvehicles：wheel／railcontactanalysis[J]．VehicleSys—[1]CANTONEI，NEGRETTID，VIVIOF，eta1．ASimplifiedtemDynamics，2009，47(7)：867-899．ModelofWheel—RailContactGeometryrM]．CongresoInterna—[7]AUCIELLOJ，FALOMIS，MALVEZZIM，eta1．DeterminacionalConjuntoXXIIngegraf—XⅦADM，2009．tionofWheel／RailContactPointsintheSimulationofaRailway12lMAIVEZZIM，MEIIE，PAP1NIS，eta1．ArailwayvehicleVehicleDynamics[A]．NinthInternationalConferenceonSur—multibodymodelforreal—timeapplications[J]．VehicleSystemfaceEffectsandContactMechanics—ComputationalMethodsandDynamics，2008，46(12)：10831105．Experiments[C]．Boston，2009：26卜270．[3]曾宇清，文彬，于卫东，等．基于投影轮廓的轮轨三维接触几何(编辑：李萍)计算研究[J]．中国铁道科学，2012，33(6)：51-59．·5· 铁道车辆第52卷第8期2014年8月动量方程为：连接装置等。路堤高度为51TI，如图1所示。实际环境中列车在无限大的空间内运行，但因计算条件的限10qT)q)+·lD2)一一口VP+‘+制，只能将流场区域设为较大有限空间，汁算区域如图2所示。采用六而体划分网格，共计6520000个单alpqg+(R|+7nTUm—mlipu+Fq(2P—l元，网格网如图3所示。式巾：f⋯一时间；本文假定车体位于路堤迎风侧不动，入口Jx【速为——第q相的体积分数；横风速度与行车速度的合成』xl速；顶面采对称面边第q相的密度；界，假定通过对称面没有扩散流量，则所有流动变量的——第q相的速度；法向梯度在此面内为零；出口设置成压力⋯口边界；地，从相q向相P的传质；面边界设置为滑移地面，滑移速度为行车速度，以模拟in从相P向相q的传质；地面效应；其余面为无滑移壁面边界条件。，】——各相共享的相同压力；rI|一第q相的应力一应变张量；重力加速度；，——从相q向相P的传质速度；‘——从相P向相q的传质速度；R相问相互作用力；F外部力。图1路堤示意图本文采用大型CFD商业软件FIUENT6．3进行压力出口数值模拟计算。湍流模型选用可实现的e模型，并选取标准壁面函数模拟边界层；考虑到两相流收敛性较差，故采刚一阶迎风离散格式和SIMPIE算法。2计算模型及边界条件设置为简化汁算，本文建立了国内某动车组3车编组模型，并忽略受电弓、转向架等车顶、车底结构和车端图2计算区域rL——·●_图3列车网格对于沙尘浓度、列车运行速度、横风速度的选取均表1各等级沙尘天气的DM。。浓度参照相关标准执行。沙尘天气数值预报系统输m的I)M浓度，一(g．n1)沙尘天℃现象(风级)空气中沙尘浓度可南沙尘天气数值预报系统输出的【)M浓度得到，DM为空气动力学等效直径小于200≤DM∞<500浮尘(1～3级)40m的沙尘气溶胶粒子。表1为各等级沙尘天气相500≤DM4。<2ooo扬沙(4～5级)应的DM浓度范同【I。2ooo≤DM40<5ooo沙尘暴(6～7级)本文设置沙尘密度P沙尘一2．7×10。kg／m。，空气5OOO≤DM∽<2O000强沙尘暴(8～9级)密度e一1．29kg／m。空气中沙尘浓度“的计算公DM4o≥20ooo特强沙尘暴(10级以上)式为：·· 风沙环境下路堤上列车的气动性能分析张传英，张克跃，张继业DM40，、车受运行方向正向的推进力为1．4kN左右，尾车推“DM+P沙q+P进力随风沙强度的增强而变大。图5(c)是车倾覆根据风力等级的划分，本文将不同强度的风沙在力矩随风沙强度的变化曲线，头车倾覆力矩增幅最大，其对应风力等级范围内取一个特定的风速值；另根增加了25．6kN·m，中间车增加了6．8kN·m，尾车据动乍组列车遇大风行车时的限速规定⋯，本文选增幅最小，为1．7kN·m。取的风沙强度及相应的沙尘浓度、横风速度和车速见3．2不同沙尘浓度下的列车气动性能表2。为得到沙尘浓度和风力等级对列车横风气动性为研究风沙环境下沙尘浓度对列车气动性能的影能的影响，本文计算分析了在表2中规定的不同强度响，设横风速度为25m／s，对速度为200km／h的列车的风沙环境下，车速为200km／h的列车在路堤上运在沙尘浓度分别为5×10。、1×10～、5×l0、1×行时的横风气动性能。10时的气动性能进行计算分析。为了研究沙尘对列车表面压力的影响，计算了在表2风沙强度及其沙尘浓度、横风速度和车速相同的横风速度和运行速度下，环境中有沙和无沙时的列车气动力。均采用欧拉多相流模型，将无沙丁况3计算结果及分析弩虑到风沙环境中沙尘浓度和风力等级对列车气动力均有影响，本文采用控制变量法，考察两者中哪个『犬l素对气动力的贡献更大。首先，考察不同风沙强度■对列1__=气动力的影响；其次，横风速度一定，沙尘浓度随风沙强度的提高而增大，计算列车气动力的变化；最(b)头车后，【，沙尘浓度一定时，计算得到横风速度变化对列车气动性能的变化规律。3．1不同风沙强度下列车的流场结构及气动性能由于各强度风沙环境下流场结构相似，仅空气流速有别，闪此本文只介绍表2中二级强度风沙环境下车速为200km／h的列车周围横向截面流线情况。4为列车周同流线图，其背景色为速度云图。从图4可以看出，空气流过列车顶部迎风侧时速度较快；头车鼻尖处流速最大，尾车尾尖处流速较小；而在列车和路堤的背风处，由于同流产生较大漩涡，可能会加剧列4向背风侧倾覆的危险。从头车鼻尖向尾车尾尖，路堤背风侧的漩涡越来越大；而列车背风侧的漩涡从无到有。再变大，且在尾车之后存在较大尾涡，可能会引起尾车的尾摆现象。列车以同一速度运行时，风沙强度的增加会导敛气动力变化剧烈。图5为不同风沙强度下列车气动力比较。图5(a)中，随着风沙强度的提高，头车、中间(e)尾车尾尖车侧力增幅较大，尾车变化平稳。图5(b)中，头车受运行方向反向的阻力随风沙强度的提高而增大，中间图4列车周围流线图·7· 铁道车辆第52卷第8期2014年8月的固体相百分比设置为零。图6为列车在二级强度风横风速度为25m／s、列车以2^目00．jkmv、／h速■度罩在不沙环境下和无沙环境下运行时头车表面压力的分布云同沙尘浓度下运行的气动力如图O7所O示O。从O图O7可0以∞∞柏的∞mO协图。可以看出，取相同的压力标尺，有沙环境下比无沙看出，随着沙尘浓度的增加，三车侧力朝横风顺风向增环境下头车高正压区与负压区面积分布更广，说明沙加；头车、中间车阻力增大，尾车推进力增加；头车、中尘对列车表面受压的影响更为不利。间车倾覆力矩值有所增大；三车气动力变化较少。量j、·R釜疆5×l矿0lxl0-95×l口1×lD-I扬沙抄坐●强抄尘●特强沙尘暴抄尘浓崖(-)衡力(-)侧力l5l510to^Ⅲ．置一|，藿5Om一：2-∞一一一：穹一要5吣∞∞∞∞m0重5盏0盏。—5一5-10-1o扬抄沙尘●强抄尘暴特疆沙尘曩5×lO-‘0l×lO5×lOlx1O{抄尘浓度(b)阻力(b)阻力5×10-‘0lxlO5xIOlx104(o)馈覆力矩沙坐浓度图5不同风沙强度下列车气动力比较(o)倾疆力矩图7相同横风速度下不同沙尘浓度压强，kPa对列车气动力的影响以倾覆力矩为例，将图5与图7进行比较，可以发现，风沙强度变化引起气动力变化剧烈，而沙尘浓度变化对气动力基本没有影响。3．3不同横风速度下的列车气动性能(-)有沙(b)无沙为研究风沙环境下横风速度对列车气图6有无沙尘时头车表面压力分布对比动性能的影响，取空气中沙尘浓度一1×·8· 风沙环境下路堤上列车的气动性能分析张传英，张克跃，张继业∞的弛∞柏加加mom一目O．N1m一、R∞一—墨一柏一10(对应特强沙尘暴)，针对路堤上车速为200km／h况差；随着风沙强度的提高，车体表面压力的正压及负的列车在横风速度分别为8、13、20、25m／s时的列车压区增大，且列车气动性能明显变差。气动性能进行计算分析，计算结果见图8。(2)在横风速度、车速相同的情况下，列车横风气动力随着沙尘浓度的增加而增加，但是增幅较小；随着沙尘浓度的增加，侧力增幅最大。(3)在沙尘浓度、车速相同的运行环境下，随着横风速度的增加，列车气动力变化剧烈，且与对应的不同j、强度风沙环境下列车气动力的变化趋势相似。可以看收一出，风沙环境下列车气动性能对横风更为敏感，沙尘仅加剧列车气动力值的增幅，使得列车运行危险性增加。lOl52025参考文献：横风遗度，(m··一)[1]潘新民，祝学范，黄智强，等．新疆百里风区地形与大风的关系(-)倔力[J]．气象，2012，38(2)：234—237．I5r2]ChrisBaker，FedericoCheli，AlexanderOrellano，eta1．Cross—windEffectsonRoadandRailVehicles[J]．VehicleSystemDynamics，102009，47(8)：983-1022．j5[33DiedrichsB，SimaM，OrellanoA，eta1．CrosswindStabilityofa、High—speedTrainonaHighEmbankment[J]．Proceedingsofthe盏。InstitutionofMechanicalEngineers，PartF：JournalofRalland一5RapidTransit，2007，221(2)：205—225．E43XIONGHongbing，YuWenguang，CHENDawei，eta1．Numeri—-101Ol52025calStudyontheAerodynamicPerformanceandSafeRunningof横风遗度，(m··)High—speedTrainsinSandstorms[-J]．JournalofZh@angUniver—sityScience，2011(12)：97I-978．(b)阻力Es]李田，张继业，张卫华．沙尘暴环境下的高速列车运行安全分析[J_．四川大学学报(工程科学版)，2012，44(SUP2)：58．[6]孔珑．两相流体力学I-M]．北京：高等教育出版社，2004：138—140．[7]GB／T20480-2006，沙尘暴天气等级[s]．E8]GB／T20479-2006，沙尘暴天气监测规范Es]．E9]GB／T192012006，热带气旋等级[s]．[10]中华人民共和国铁道部．铁路客运专线技术管理办法(试行)(200～250km／h部分)[z]．2009．[11]中华人民共和国铁道部．铁路客运专线技术管理办法(试行)lOl5202s(3O0～350km／h部分)I-z]．2009．横风遗度，(m··一t)(编辑：颜纯)(o)倾覆力矩图8相同沙尘浓度、不同横风速度下的列车气动力由图8可见，路堤上列车的气动力随横风速度的增大而增大；仅沙尘浓度或者横风速度变化时，列车横欢迎订阅《铁道车辆》!风气动力的变化规律更接近风沙强度变化工况，由此可以推断，在风沙环境中，风力等级比沙尘浓度对列车欢迎在《铁道车辆》上的气动力贡献更大；沙尘浓度使列车气动力幅值增加。4结论刊登广告!(1)在横风情况下，列车和路堤的背风侧产生较大漩涡；从头车至尾车，漩涡从有到无，逐渐变大，形成尾涡。列车在有沙环境下比无沙环境下的表面压力情·9·