横风环境中复线路堤上高速列车的气动性能_李振

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1、试验研究铁道车辆第４９卷第１１期２０１１年１１月文章编号：１００２－７６０２（２０１１）１１－０００１－０５横风环境中复线路堤上高速列车的气动性能李振１，２，翟婉明１，赵春发１，杨吉忠１（１．西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都６１００３１；２．福建福清核电有限公司，福建福清３５０３１８）摘要：建立了横风环境中高速列车运行于复线路堤上的三维空气动力学模型，开展了路堤高度和列车在复线路堤上的位置对高速列车气动性能影响的数值计算与对比分析。结果表明，路堤上列车周围的气流流速大于平地上的气流流速，导致路堤上列车气动性能较平地上恶劣；路堤高度和横风速度对高速列车在下风线上和上风

2、线上气动性能的差异有重要影响；列车在下风线上运行比在上风线上运行更容易发生倾覆。关键词：高速列车；复线路堤；气动性能；横风中图分类号：Ｕ２７０．１＋１文献标识码：Ａ列车受到横风作用时的运行安全性较无风环境下渡区采用壁面函数法处理。气体基本控制方程的通用［７］大大降低，由于大风造成的列车脱轨倾覆事件在世界各形式为：［１－２］地均有发生。受到横风作用时，在不同地面条件下（ρφ）＋ｄｉｔ（ρｕφ）＝ｄｉｖ（Γｇｒａｄφ）＋Ｓ（１）运行的列车的气动性能有所不同，在路堤上较为恶ｔ［３］式中：ｔ———时间；劣。国内外已对横风作用下运行于路堤上的列车的气动性能开展了一些研究。例如，周丹等

3、［４］对单线路堤ρ———气体密度；［５］ｕ———速度矢量；上低速客车的气动性能进行了研究；谭深根等对侧风———通用变量；中单线路堤上列车气动特性进行了研究，数值分析中列φ［６］Γ———广义扩散系数；车的速度最高为３５０ｋｍ／ｈ；Ｄｉｅｄｒｉｃｈｓ等对ＩＣＥ２以Ｓ———广义源项。２５０ｋｍ／ｈ速度运行在复线路堤上的流场结构进行了详其中，φ、Γ、Ｓ在特定的物理方程中代表相应的物细分析。这对横风中时速３００ｋｍ以上的高速列车的安理量。全运行提出了前所未有的挑战。为了保证高速列车在以我国某高速列车为分析对象，建立相应的计算复线路堤上的安全运行，需要开展横风作用下列车在复模型。为了减小模

4、型计算规模，忽略受电弓、转向架线路堤上高速运行时的气动性能研究。等，将列车表面视为光滑的曲面。由于中间车辆截面本文以我国某高速列车为分析对象，研究路堤高形状不变，气流流过头车一定距离后，绕流结构趋于稳度和列车在复线路堤上的位置对高速列车气动力的影［８］定，车辆气动力亦趋于稳定，因此将列车简化为头响，分析列车在复线路堤线路上存在气动性能差异的车、中间车和尾车。列车的基本尺寸如图１所示，图中主要原因，以期为我国高速列车在横风环境下的行车ｈｔ代表车高。安全设计、评估与管理提供参考。图２是计算流场区域，流场尺寸根据路堤高度ｈ１数值分析模型变化，总体坐标系Ｏ－ＸＹＺ的原点位于中间车质心，

5、每节车的局部坐标系原点位于各车质心，各车的气动力当行车速度与横风速度的合成速度小于１０２ｍ／ｓ，均在局部坐标系中计算。路堤结构如图３所示，将靠即马赫数小于０．３时，可将气体视为不可压缩气体；当近复线路堤迎风面的线路称为上风线，靠近路堤背风马赫数大于或等于０．３时，应视为可压缩气体。气流面的线路称为下风线。计算时假定列车固定不动，气的湍流模型采用标准ｋ－ε模型，近壁面的层流区和过流以横风速度与行车速度的合成速度从计算流场入口截面进入流场。计算流场出口和顶面均采用开放边界收稿日期：２０１０－１０－１５；修订日期：２０１１－０８－２３条件，即气流可以自由出入计算流场；地面、路堤表面、

6、基金项目：国家重点基础研究发展计划（９７３计划）课题轨道表面和车体表面均采用无滑移壁面边界条件。采（２００７ＣＢ７１４７０６）；国家自然科学基金项目（５０８２３００４）；国家科技支撑计划项目（２００９ＢＡＧ１２Ａ０１—Ｂ０２—１）用了非结构四面体网格对计算流场区域进行离散，头作者简介：李振（１９８６－），男，硕士。车局部面网格如图４所示。·１·铁道车辆第４９卷第１１期２０１１年１１月图１高速列车外部几何形状示意图图３路堤横截面示意图图２计算流场区域示意图图４头车局部面网格图［１］车的气动性能比其他车辆恶劣，因此列车气动性能２计算结果分析的优劣主要由头车的气动性能决定，以下主要对

7、头车２．１路堤高度对列车气动性能的影响附近流场进行分析。总体坐标系下，在Ｘ＝９．７ｈｔ处选取观察截面，此截面位于头车车鼻附近。图５和图６为了研究路堤高度对高速列车气动性能的影响，本给出了行车速度为３５０ｋｍ／ｈ且横风速度为１５ｍ／ｓ节通过改变路堤高度来观察高速列车气动力的变化情时，列车分别位于平地和５ｍ高路堤上风线上时的截况。当高速铁路线路距地面高度超过１５ｍ时，一般多面流线、速度与压强分布图。比较图５和图６可以发采用高架桥线路结构，因此，路堤高度变化范围取为０～现，平地和５ｍ高路堤上风线上