对高架桥影响高速列车气动特性的数值模拟分析

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1、高架桥影响高速列车气动特性的数值模拟分析罗建斌：广西工学院汽车工程系，讲师，广西柳州，545006胡爱军：河南理工大学机械与动力工程学院，讲师，河南焦作，454000摘要：高架桥结构在高速铁路建设中被大量采用。开展行驶在高架桥上的高速列车空气动力特性研究，对保证列车运行的安全、舒适、环保具有重要意义。采用计算流体力学方法，对双线高架桥因高度变化影响列车的气动特性进行数值研究，通过合理划分网随着现代计算科学的快速发展，数值模拟方法逐渐格、选取合适的湍流模型、设置正确的边界成为研究行驶在高架桥上的高速列车气动特性

2、的一种重条件提高数值计算精度。要手段。数值模拟计算具有费用低、周期短、便于模拟关键词：双线高架桥；高速列车；横向风；真实环境、描述流场细节和给出流场定量结果等优点：气动特性；数值计算对双线高架桥高度变化对高速列车气动特性的影响进行数值模拟分析。数值模拟中，列车运行速度Vt=200km／h(55．56m／s)，横向风速=20m／s，合成速度=59．05m／s，合成风向角为19．8。，雷诺数0引言月e=1．458e+7(以列车高度作为特征长度)，马赫数现代高速铁路建设中，常采用高架桥结构⋯。行驶Ma=O．1735

3、，并考虑以下5种不同高架桥高度：H=5．0、在高架桥上的高速列车与行驶在平地上相比，其气动特10．0、l5．0、20．0、25．0m。性存在差异。此外，高架桥的高度变化也会影响高速列1数值模拟计算车的空气动力特性。高速列车空气动力特性研究的常用方法有理论计箅币¨物理实验2种。理论计算包括解析求一般行驶在高架桥上的高速列车空气外流场可简化解、数值模拟；物理实验包括风洞实验、动模型实验及为黏性、不可压缩、绝热、三维定常流动系统，利用相实车测试。解析求解计算具有一定的复杂性，而物理实应的边界条件，即可求得整个流场的

4、数值解。验研究耗资大、费时且易南支验设备和人为因素引起实1．1计算模型验误差。数值模拟时，为节省计算资源，常需简化细长体列基金项目：河南省教育厅自然科学研究计划(2011A460006)。50．毫苎CHINESERA／LWAYS2012／01一高架桥影响高速列车气动特性的数值模拟分析罗建斌等车模型。当气流流过车头一定距离后，截面形状不变的巾间列车的绕流边界层结构已趋于稳定，其气动力变化也趋于稳定。因此，常将列车计算模型简化为头车、ff1间车和尾车的车连挂型式，并忽略底部转向架、顶部受电弓和两牟连接风挡等复杂结

5、构。通过参数化建模方法建立高速列车CAD模型】，参考相关文献建立双线高架桥CAD模型0。高架桥及高速列车CAD模型见图1。声屏障高度为3．0i'D-，高速列车中心线距左右声屏障分别为3．7m和8．7m。图2计算域及坐标系1．2计算区域和计算网格采用矩形计算区域和直角坐标系统(见图2)。全部划分六面体网格，网格总数达460多万。过车体对称横截面流场的计算网格见图3。1．3计算边界条件设置设定合理的边界条件对精确模拟高速列车气动特性非常重要。数值计算中，ABCD面和BCGF面均设置为速度入口，EFGH面和ADHE

6、面设置为压力出口。底面图3过车体对称横截面的计算网格ABFE、高架桥设置为移动的壁面边界条件，车体设为选用Realizable七一s高雷诺数湍流模型，近壁处理无滑移的壁面边界条件。因所选计算区域在高度方向足采用非平衡壁面函数法，压力速度耦合采用SIMPLEC算够大，顶面的存在基本上不会对流场产生干扰和影响，法J。为了同时兼顾数值计箅的稳定性和收敛性要求，因此顶面CDHG设置为对称边界。首先将松弛因子适当调小，动量方程、湍动能方程、湍动耗散率方程采用一阶迎JxL格式，迭代几百步待计箅稳定后，再换用精度更高的二阶

7、迎风格式。2计算结果分析2．1气动六分力变化规律图4为不同高架桥高度的阻力系数、侧向力系数、升力系数的变化。可见，随着高架桥高度的增加，头车负阻力先减小，当高架桥高度=lO．0111以后基本不变，图1高架桥及高速列车CAD模型中间车阻力系数变化很小，对高架桥高度变化不敏感，(a)阻力系数变化(b)侧向力系数变化(c)升力系数变化图4不同高架桥高度的系数变化一CH

8、NESERA／l_WAYS2o’2，o'(：乏。一5l一由图9(a)可以看出车体上下的压差，即升力变3结论化。对于不同高架桥高度，头车、尾车对整车升

9、力的贡献量远远大于中间车。由图9(h)可以看出车体前后的高架桥的高度变化会对行驶在高架桥上的高速列压差，即阻力变化。=5．0、15．0、25．0m时，车体前后空气动力特性产生影响。数值模拟结果表明，当高架桥压差积分面积基本相当，阻力也相当。高度达到15m后，头车、中间车和尾车的侧向力系数和图10为不同高架桥高度时过车体鼻尖点水平截面侧翻力矩系数对高架桥高度变化不敏感，随着高架桥高z=1．05m处的静