第41卷第5期中南大学学报(自然科学版)Vol.41No.52010年10月JournalofCentralSouthUniversity(ScienceandTechnology)Oct.2010线路环境对路堤上列车气动性能的影响苗秀娟1,2,田红旗1,高广军1(1.中南大学交通运输工程学院轨道交通安全教育部重点实验室,湖南长沙,410075;2.长沙理工大学汽车与机械工程学院,湖南长沙,410076)摘要:基于三维定常N-S方程和从风−车−路−场耦合条件下车辆周围的流场结构,分析路堤不同结构形式对列车气动性能的影响。研究结果表明:当路堤迎风面、背风面斜率一致时,随着坡度的减小,横向力与倾覆力矩呈增大的趋势;当cotα从1.5变为2.0时横向力和倾覆力矩变化非常明显,分别增加25.4%和72.3%,其后气动力变化不明显;当迎风面一定时,随着背风面由斜向上逐步向下倾斜直至成为平地,横向力和倾覆力矩以及升力呈显著增大的趋势;与cotβ=2.0时相比,cotβ=∞即背风面为平地时车辆的横向力和倾覆力矩分别增加63.9%和55.2%。关键词:车辆工程;路堤;气动性能;数值模拟中图分类号:U270.1文献标志码:A文章编号:1672−7207(2010)05−2028−06EffectofrailwayenvironmentonaerodynamicperformanceoftrainonembankmentMIAOXiu-juan1,2,TIANHong-qi1,GAOGuang-jun1(1.KeyLaboratoryofTrafficSafetyontheTrackofMinistryofEducation,SchoolofTraffic&TransportationEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410075,China;2.CollegeofAutomobileandMachineryEngineering,ChangshaUniversityofScienceandTechnology,Changsha410076,China)Abstract:Theeffectofdifferentstructuresofembankmentontrainaerodynamicperformancewasanalyzedbasedonthe3-DsteadyflowN-Sequationsandtheflowstructurearoundthetrainontheconditionofcombinationofwindandtrainandrailwaylineanditsenvironment.Theresultsshowthatwhentheslopofwindwardandleewardsideofembankmentarethesame,sideforceandoverturningmomentincreasewiththedecreaseoftheslopeofembankment.Thesideforceandoverturningmomentchangeobviouslywhencotαchangesfrom1.5to2.0increasingby25.4%and72.3%respectively,whileafterthattheychangeverylittle.Whenwindwardsideslopeisfixedsideforceandoverturningmomentincreasesobviouslywiththeslopeofleewardchangingfromupward-slopetodownward-slopegraduallyuntiltoplaneground.Comparedtocotβ=2.0,sideforceandoverturningmomentincreaseby63.9%and55.2%respectivelywhencotβ=∞whichmeansthattheleewardoftheembankmentisaplane.Keywords:rollingstockengineering;embankment;aerodynamicperformance;numericalsimulation在强横风作用下,当列车在路堤上运行时,由于受到路堤的阻滞,空气在路堤上方流速加快,作用在列车上的气动力加强,列车倾覆的可能性大大增加,如历年来兰新线上大风吹翻列车的事故,均发生在路堤地段[1]。为了减少事故的发生,很多研究者研究了车辆在路堤上的气动性能,如:张健[2]研究了路堤边收稿日期:2009−10−04;修回日期:2010−01−28基金项目:国家科技支撑计划项目(2006BAC07B03)通信作者:高广军(1973−),男,河南安阳人,副教授,从事列车空气动力学研究;电话:0731-82655294;E-mail:gjgao@mail.csu.edu.cn第5期苗秀娟,等:线路环境对路堤上列车气动性能的影响2029坡不同斜率对车辆气动性能的影响,研究表明边坡斜率越小,列车受到的气动力越大;周丹等[3−5]研究了强侧风下在路堤上运行的列车的气动性能及路堤高度对客车气动性能的影响;谭深根等[6]研究了风速和车速对路堤上列车气动性能的影响;李燕飞等[7]研究了集装箱平车在路堤上的气动性能;姜翠香等[8]研究了路堤上挡风墙不同高度对气动性能的影响;Diedrichs等[9−10]研究了列车在路堤上运行时的倾覆稳定性。上述研究中,一般认为路堤迎风面和背风面斜率相等,而实际上,铁路线路受到施工条件和成本的限制,应因地制宜,结合当地的线路环境将路基设计成不同的形式,如路堤、路堑、半路堤路堑等[11]。此外,有的线路正好设计在山脉或丘陵的中间或顶部,迎风面顺着山坡的走势、背风面有可能是顺山坡而上,也有可能是平地。因此,线路所处地形不同,导致路基的形状各异。在强横风作用时,在线路上运行的列车周围流场不仅受到路堤的影响,还会受到周围地形地貌的影响。我国《公路桥梁抗风设计规范》中就考虑了桥梁周围大环境对桥梁气动力的影响[12]。在此,本文作者根据风−车−路−场耦合条件下车辆周围的流场,研究路堤迎风面和背风面不同边坡斜率对车辆气动性能的影响,这对于合理确定不同地貌下车辆的气动性能,进而合理确定列车在不同地貌下的横风稳定性具有重要意义。1数学模型本文主要研究路堤迎风面和背风面不同形状对路堤上列车气动性能的影响。风速采用恒定均匀风,取为32m/s;由于马赫数小于0.3,流场可按三维不可压缩处理,即空气密度ρ为常数。选取工程上广泛应用的标准k−ε双方程模型,运用有限体积法对控制方程进行离散。描述列车周围空气流动的控制方程见文献[13−14]。连续性方程:0div=Vρx向动量方程:)(div)grad(diveffeffeffxxPuu∂∂+∂∂−=−VVμμρy向动量方程:)(div)grad(diveffeffeffyyPvv∂∂+∂∂−=−VVμμρz向动量方程:)(div)grad(diveffeffeffzzPww∂∂+∂∂−=−VVμμρ湍流动能k方程:ρεσμρ−=−Gkkk)grad(diveffV湍流耗散率ε方程:)()grad(div21effρεεεσμρεCGCkk−=−V上述方程均忽略了空气的质量力。式中:G为湍流产生项;C1,C2,σk和σε均为常数,本文取C1=1.44,C2=1.92,σk=1.0,σε=1.33;V为速度矢量;u,v和w为各坐标方向的速度分量;ρ为空气密度,ρ=1.225kg/m3;μeff和Peff分别为有效黏性系数和有效压力,与湍流动能κ和湍流动能耗散率ε有关,P为压力。上述6个方程含有6个未知量:u,v,w,P,k和ε,方程组封闭,可对它进行数值求解。2计算模型、计算区域及边界条件选取25型客车为列车计算模型。由于本文主要研究横风对车辆横向气动性能的影响,因此,采用机车+三节车厢的编组方式,缩短的模型并不会改变列车流场结构的基本特征。限于计算机硬件等条件,将列车简化为光滑曲面构成的几何体,省略受电弓、转向架、门把手等细部特征,物面采用三角形单元,空间采用四面体非结构网格对计算区域进行划分,并对车体表面进行加密处理。列车网格图见图1,计算区域如图2所示。流域宽度为300m,为了便于顶面边界条件的设置,流域高度取为480m,入口ABCD距车体180m,为避免尾流影响,出口EFGH远离车体取380m。侧风入口按均匀来流给定x向速度分布,y和z向速度分量均为0m/s。出口设为压力边界条件,静压为0kN。流场顶面设定为对称面[8]。列车表面、地面、路堤两侧面满足无滑移的壁面边界条件。图125型车部分网格图Fig.1Meshofcarbodyoftype-25中南大学学报(自然科学版)第41卷2030图2列车计算区域示意图Fig.2Computationregionsketchmapoftrain根据路基的常见结构形式,选择路堤、半路堤路堑2种形式,路堤高度均为10m,见图3,其中:α为路堤斜面与水平面的夹角;β为路堤背风面斜面斜向上时与水平面的夹角。2种路基形式分别采用不同斜率的边坡。根据文献[15],路堤边坡的最大斜率为1.0׃1.5,因此,本文中迎风面和背风面cotα分别取为1.5,2.0,3.0,4.0和5.0。为半路堤路堑时,迎风面cotα取1.5,背风面cotβ分别为2.0,3.0,4.0,5.0和∞。由于车辆在迎风侧轨道上受到的气动力较大,因此,所有计算工况均选取车辆位于迎风侧轨道上。图3路堤形状示意图Fig.3Sketchmapofembankmentshape3计算结果及分析3.1边坡斜率对车辆气动性能的影响当路堤的迎风面、背风面采用相同斜率的边坡时,坡度对气动性能影响的各种工况的计算结果见表1,其中倾覆力矩以轨道中心线作为坐标原点,侧风风速为32m/s。从表1可以看出:随着路堤迎风面、背风面坡度斜率的减小,横向力呈增大的趋势,尤其是当cotα从1.5变为2.0时变化非常明显,气动横向力增加25.4%。由于车辆受到的倾覆力矩主要是横向力引起的,所以,与横向力一样,车辆受到的倾覆力矩随着路堤迎风面、背风面坡度的减小有增大的趋势,同样表1路堤上列车受到的气动力与力矩Table1Aerodynamicforceandmomentoftrainonembankment路堤护坡斜率(cotα)横向力/kN升力/kN倾覆力矩/(kN·m)1.529.984.0−32.92.037.580.6−56.73.035.995.7−48.74.037.587.0−55.05.039.697.8−59.5是当cotα从1.5变为2.0时变化非常明显,倾覆力矩增加72.3%,当cotα>2.0时增大的趋势减缓。升力受路堤斜率的影响并不明显。选用迎风面边坡斜率cotα=1.5,背风面边坡斜率cotβ分别取为2.0,3.0,4.0,5.0和∞时的半路堤路堑,列车受到的气动力与力矩见表2。其中,倾覆力矩以轨道中心线作为坐标原点,侧风风速为32m/s。表2半路堤路堑上列车受到的气动力与力矩Table2Aerodynamicforceandmomentoftrainonhalfembankment路堤背风面护坡斜率(cotβ)横向力/kN升力/kN倾覆力矩/(kN·m)2.020.831.5−26.63.023.642.8−28.64.025.949.0−31.75.027.353.4−33.5∞34.185.0−41.3从表2可以看出:随着背风面由斜向上逐步向下直至成为平地时,列车受到的横向力、升力和倾覆力矩由小逐步变大,发生显著变化,与cotβ=2.0时相比,cotβ=5.0时的横向力、升力和倾覆力矩分别增加31.3%,69.5%和25.9%;cotβ=∞时的横向力、升力和倾覆力矩则分别增加63.9%,169.8