高速列车隧道会车时气动载荷的研究.pdf

第 1 1 期 2 0 1 4年 1 1月 机 械 设 计 与 制 造 Ma c hi ne r y De s i g nMa n u f a c t ur e 1 61 高速列车隧道会车时气动载荷的研究 刘小燕， 陈春俊 ， 何 洪阳 西南交通大学 机械工程学院， 四川 成都6 1 0 0 3 1 摘要 由于高速列车气动载荷是隧道会车时列车行车安全的重要因素之一， 而其在实车试验中又难以测量， 提 出采用 基于计算流体力学的数值模拟方法。通过空气动力学仿真获取列车的表面压力分布， 对列车压力和粘性力积分合成， 得 到列车的气动载荷， 即阻力、 侧向力、 升力、 侧滚力矩、 点头力矩和摇头力矩。全面分析 了气动载荷的构成和变化特点， 及 其在不同速度下的变化特性。结果表明， 列车隧道会车时， 气动栽荷主要是由压力构成； 列车在隧道会车时气动载荷出现 剧烈波动； 气动栽荷的幅值与速度呈二次函数的变化规律 。研究结果可为列车系统动力学分析提供气动载荷依据。 关键词 气动载荷； 空气动力学； 计算流体力学； 隧道； 会车压力波 中图分类号 T H1 6 ； T B 1 2 6 ； U 2 6 6 ； 0 3 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 - 3 9 9 7 2 0 1 4 1 1 - 0 1 6 1 0 4 St u d y o n Ae r o d y n a mi c L o a d s o f Hi g h - Sp e e d Tr a i n Cr o s s i n g T h r o u g h a Tu n n e L I U X i a o y a n ， C H E N C h u n u n ， HE Ho n g - y a n g S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， S i c h u a n C h e n g d u 6 1 0 0 3 1 ， C h i n a Ab s t r a c t S i n c e t h e a e r o d y n a m i c l o a d s o f h i g h - s p e e d t r a i n is o n e of t h e i m p o n a n t f a c t o r s i n t h e t r ai n r u n n i n g s a f e t y w h e n t u n n e l c r o s s e s t h r o u g h a t u n nel ； h o w e v e r i t ’ S d z u l t t o m e a s u r e i n r e a l v e h i c l e t e s t ，n u m e r i c al c alc u l a t i o n m e t h o d b a s e d o n c o m p u t ati o n alflu i d d y n a mi c s is u s e d ．S u rf a c e p r e s s u r e d is t r i b u t i o n of t h e t r ain is o b t ained b y aer o d y n a mic s i m u l ati o n ． A e r o d ， n am ic loa d s i n c l u d i n g d r a g f o r c e ， s i d e for c e ， l if t for c e ， r o l l m o m e n t ， n o d d i n g t o r q u e a n d s h a k i n g m o m e n t a r e g o t t e n b y i n t e g r ati n g a n d c o m p o s i t i n g p r e s s u r e and v i s c o us f o r c e s of t r ain ．h a n a l y z e s c o n s t i t u t i o n and c h ang e s c h ara c t e r i s t i c of aer o d y n am i c l o a d s ， a n d a l s o t h e c h a n g i n g c h a r a c t e r is t ic s u n d e r d if f e r e n t s p e e d s ．T h e r e s u l t s s h o w th a t w h e n t h e t r a i n s p ass e a c h o t h e r t u n nel ，a e r o d y n a m i c l o a d s i s ma i n l y m ade u p ofp r e s s u r e ． Ae r o d y n am ic lo a d s flu c t u at e ，i n t h e p r o c e s s o ft r a i n c r o s s i n gt h r o u g h the t u n nel A m p l i t u d e of lo a d s a l o n g t h e s p e e d is q u adr at i c ． The r e s u l t s C an p r o v i d e l o adi n g s for h i g h - s p e e d t r ain d yn am ics a n a l y s is． Ke y W o r d s Ae r o d y n a mi c Lo a d s ； Ae r o d y n a mi c s ；Co m p u t a t i o n a l F l u i d Dy n a mi c s ； Tu n n e l ； Tr a i n Cr o s s i n g W a v e s 1 引言 随着高速列车运行速度的提高，列车的隧道空气动力学问 题越来越突出， 列车隧道会车的气动载荷即阻力 、 侧向力、 升力、 侧滚力矩、 点头力矩和摇头力矩也随之增加。增加的气动阻力使 列车能耗增加， 侧向力使列车的横向振动明显加大。列车偏转力 矩和侧滚力矩也会危及列车的运行稳定性和行车安全 。 气动载 荷是通过对列车表面压力和粘性力积分合成得到的， 所以在实车 试验时难以测量， 主要通过数值模拟的方法来分析其特I生。 文献H 对列车隧道会 车压力波及列车所受侧 向力 、 侧滚力矩和摇头力矩 系数进行研究。文献 对 1 6 0 k m ／ h快速集装箱平车分别在明线和 隧道内会车时的侧向力和侧滚力矩进行数值模拟和对比。文献[61 对德国 I C E不同车型的阻力进行了研究。文献嘲 一维数值分析 方法对隧道过长隧道时的压力波及阻力进行了研究。 以上文献都 只分析了气动载荷中的一部分， 也没有分析气动载荷中压力和粘 性力的构成， 气动载荷系数的研究无法直接为列车动力学分析提 供载荷。 采用三维瞬态流场数值模拟计算方法仿真列车在隧道中点 会车时的空气流场， 得到气动阻力、 侧向力、 升力 、 侧滚力矩、 点头 力矩和摇头力矩。 全面分析了列车 3 0 0 k m ／ h隧道中点会车时各节 车气动载荷的压力和粘性力构成， 及其变化规律， 研究了列车 5 种不同速度等速会车时的气动载荷与速度的关系。 2高速列车通过隧道的计算模型 2 ． 1模型简化 列车以 2 0 0 k m ／ h 及以上的速度运行时， 流场处于紊流状态； 列车在隧道中运行时， 空气受到强烈挤压； 因此计算采用瞬态、 黏 性、可压缩的时均 N a v i e r S t o k e s 方程和 k - e两方程紊流模型。 N a v i e r - S t o k e s 方程和 k - e两方程详细介绍见文献罔 。 以C R H某型 高速列车为模拟研究对象，列车为头尾形状相同的流线型车体， 来稿 日期 2 0 1 4 一 O 4 0 4 基金项 目 国家 自然科学基金资助项 目 5 1 3 7 5 4 0 3 作者简介 刘小燕， 1 9 8 9 一 ， 女， 江西瑞金人， 硕士研究生， 主要研究方向 车辆空气动力学研究； 陈春俊， 1 9 6 7 一 ， 男， 四川蒲江人， 教授， 硕士生导师， 主要研究方向 自 动控制、 高速列车气动性能测试、 振动控制 1 6 2 刘小燕等 高速列车隧道会 车时气动栽荷的研究 第 1 1 期 两列车的几何模型相同。 由于列车离开车头、 车尾一定距离后， 列 车中部的流场基本保持稳定， 为了减少计算量， 列车使用三节车 模型即头车 、 中间车 、 尾车， 长度共 7 7 m， 头车尾车 2 6 m， 中问车 2 5 m， 列车高度 3 ． 7 m， 宽度 3 ． 3 8 m。 列车模型， 如图 1 a 所示。 计算 中忽略受电弓、 门窗等凸出物和车体连接部位 、 转向架等结构， 列 车底部为裙式结构， 认为车体是一个具有光滑外形的几何体。 2 - 2计算模型 隧道会车时计算模型，考虑计算机的计算能力，隧道长取 5 0 0 m， 线间距为 5 m， 隧道内线路为直线， 如图 1 b 所示。整个流 场计算区域分为动网格部分和固定部分 ， 为控制网格质量， 均采 用六面体网格， 共 3 0 0多万个网格 ， 其中车体表面网格 2 8 3 9 2 个； 动网格部分为列车周围的网格区域，它以列车运行速度滑移， 固 定部分网格为动网格之外的区域， 两部分网格之间通过交界面交 换数据。两列车在离隧道口8 0 m处开始运行， 列车表面、 隧道壁 面和地面设定无滑移壁面条件。 外流域上面和左右两边设定为压 力出 口边界条件 。壁面采用标准壁面函数模拟。 a 列车空气动力学模型及其网格 b 计算区域 图 1数值计算模型 Fi g ． 1 Nu me r i c a l C o mp u t a t i o n a l Mo d e l 3数值计算结果分析 3 ． 1列车隧道交会时表面压力的模拟 由于列车在隧道中点和隧道端口交会时， 压力波动较剧烈f9 1 ， 仅研究隧道中点等速会车时的气动载荷。 由于是两列车等速在隧道 中点交会， 且开始运行时列车与隧道人口的距离也是相等的， 所以 两列车的表面压力是对称的。以下均以列车 1 为研究对象 即列车 1 为观测列车，列车 2为通过列车 ， 选取 1 O 个测点来分析列车 以 3 0 0 k m ／ h隧道 中点交会时的表面压力 ， 如图 2 a 所示。 在观测列车车头进入隧道 2 5 0 m 即隧道中点 时， 两列车开 始交会； 当车头进入隧道 2 8 8 ．5 m时， 两列车完全“ 叠合” ； 当车头 进入隧道 3 2 7 m时， 两列车交会结束。 鼻尖测点 1 和测点 1 0的压力 曲线图 ， 如图 2 b 所示。在进 入隧道前 ， 车头鼻尖测点 1 压力为_4 ．2 k P a ， 车尾鼻尖测点 1 0压力 为0 ．7 5 k P a ； 点 1 进入隧道后， 压力上升到 5 ． 3 k P a ； 当测点 1 0 进 入隧道后 ， 由于隧道压力波的影响， 其压力下降， 测点 1 压力上 升； 在会车时刻， 由于隧道压力波和会车波的同时作用下 ， 车头和 车尾鼻尖瞬间上升而后下降。 列车表面压力沿列车运动反方向形 成的合力， 为阻挡列车运动的阻力， 由于列车的前后部压力的不 同而产生了阻力。 头尾车中部截面中部测点两侧的压力图， 如图 2 c 所示。 测 点 5和 8 在交会侧 ， 测点 6和 9 在非交会侧 。 由图可知 ， 列车隧道 交会时刻 ， 交会侧压力波动大于非交会侧， 这也是列车侧向力形 成 的主要原 因。测点 2 ～ 4 和测点 7的压力 曲线 ， 如图 2 d 所示 。 测点 2为顶部中间测点， 测点 4为底部中间测点， 测点 3和 7为 交会侧中间测点； 由测点 2和 4的压力图， 列车底部测点压力大 于顶部测点压力 ， 由于列车上下表面压力分布的差异， 形成列车 压差升力。由测点 3和 7 压力图可知交会压力波存在时间差， 从 而使车头产生摇头现象。 1 3m 。 垄j a 压力测点布置 b 车头和车尾鼻尖压力 曲线 c 头车和尾车中间截面测点压力曲线 d 头车不 同位置测点压力曲线 图 图 2各测点的压力 曲线图 F i g ．2 Th e Pr e s s u r e C u r v e o f Me a s u r i n g P o i n t 3 _ 2气动载荷的变化规律 本节 以列车3 0 0 k m ／ h隧道 中点交会时的气 动载荷来分析其 特 I生。数值计算得 到整个列车表面的压力分布之后 ， 通过二次开 发编程将列车表面受到的压力和粘性力沿车体表面进行积分合 成 ， 可以得到列车受到的气动阻力、 气动侧向力、 气动升力。 主要分析高速列车在双线隧道中点会车时受到的气动力 矩 。在力矩计算 中， 力矩 中心取在列车长度 和宽度的中心且距离 列车地板高 1 ． 7 5 m的位置。 3 ． 2 ． 1列 车气动 力分 析 高速列车在运行过程中，阻力的变化会影响列车运行的能 耗 ， 列车以 3 0 0 k m ／ h的速度隧道中点会车时各节车 阻力 的构成及 No ． 1 1 N O V ． 2 0 1 4 机 械 设 计 与 制 造 1 6 3 其变化曲线图， 如图 3 所示。 对于头车和尾车阻力，隧道会车的阻力合力与压力阻力的 变化趋势相近， 而粘性力阻力基本上维持在 2 ． 5 k N 。对于中间车 阻力， 隧道会车的压力阻力基本零， 合力的变化趋势与粘性力的 变化完全一样。 a 隧道会车头车阻力的构成 b 隧道会车中间车阻力的构成 c 隧道会车尾车阻力的构成 图 3隧道会车的阻力构成 F i g ． 3 Dr a g F o r c e C o n s t i t u t i o n o f Me e t i n g Th r o u g h a T u n n e l 隧道会车的各节车阻力， 在其进入隧道时， 阻力增加 ， 而后 由于隧道波的影响出现波动。在两列车交会时， 阻力有瞬间增大 或减小的变化趋势。 隧道会车的侧向力和升力各节车车的粘性力值都很小， 接 近零， 压力占主导地位。 隧道会车的侧向力变化曲线， 如图4 a 所示。 由图 4 a 可看 出， 隧道会车的侧向力， 在各节车进出隧道的过程中有波动， 在其 他非会车时刻， 侧向力维持在一定值。 在会车时刻， 通过列车车头 鼻尖经过时刻 ， 即通过列车开始与车厢交会时， 侧向力出现一个 负峰值， 两列车间有一个向外的推力 ； 在通过列车车头车肩经过 时刻， 侧向力出现一个正峰值 ， 两列车间有一个向内的“ 引力” ； 当 通过列车的尾车的经过时，侧向力又出现一个正峰值和负峰值， 各节车受到先向内后向外的侧向力。两列车交会结束后， 侧向力 恢复到交会前的数值。列车侧向力在会车时刻出现 2 次换向。 一 2 O 至 0 卅 虹 一 2 O Z 匠 屡 * 妊 车头进入 隧道 的长度 m a 隧道会车的侧向力变化曲线 车头进入隧道的长度 r l1 b 隧道会车的升力变化 曲线 图 4隧道会车时的侧向力和升力变化曲线 F i g ． 4 S i de Fo r c e a n d L i f t F o r c e C h a n g e C u r v e s o f Me e t i n g T hr o u g h a T u n n e l 隧道会车的升力变化， 如图4 b 所示。由图4 b 可知， 隧道 会车时的升力， 头车始终为负值， 使列车与轮轨的接触力增大； 尾 车始终为正值 ， 车轨间的黏着力减少 ， 产生“ 飘” 现象； 中间车在非 会车时刻基本为0 。交会时刻， 通过列车头车经过车厢时， 各节车 升力瞬问增加而后减少 ， 尾车经过时， 升力瞬间减少而后增加。 会 车时刻升力的距离波动， 会对列车的运行平稳性产生很大影响。 3 ． 2 ． 2列车气动力矩分析 由于粘性力产生的阻力、 侧向力、 升力都比较小， 尤其是侧向 力和升力， 基本可以忽略不计， 所以粘性力产生的力矩值也彳 艮 小。 隧道会车时各节车的力矩变化曲线发， 如图5所示。由图5 可看出 1 列车隧道会车时， 各节车的侧滚力矩、 点头力矩和摇 头力矩在列车进出隧道的过程中都会出现波动。 2 N车在隧道 会车时， 在会车时刻 ， 各节车的侧滚力矩出现 2个负峰值和 2个 正峰值， 即出现 2次换向； 侧滚力矩正值表示向内翻转， 负值表示 向外翻转； 3 对于点头力矩 即俯仰力矩 ， 各节车出现 3 个极大 值和 3个极小值； 头车的点头力矩始终为正值， 中间车出现 3个 负峰值和 3 个正峰值， 尾车出现 1 个负峰值， 其他为正值。 点头力 矩正值表示车厢前部出现“ 上飘” ， 负值表示车厢后部“ 上飘” 。 4 各节车的摇头力矩变化趋势一致，出现 3 个负峰值和 3个正峰 值 ， 摇头力矩正值表示车厢前部向轨道内偏转， 负值表示车厢前 部向轨道外偏转。通过列车头车经过时， 摇头力矩出现 2 个负峰 值 ， 1 个正峰值， 尾车经过时出现 1 个负峰值 ， 2 个正峰值。 列车摇 头力矩在会车时出现4次换向。 列车在会车时， 侧滚力矩 、 点头力矩和摇头力矩的这种变化 趋势会对列车的行车安全造成很大影响。 4气动载荷与速度的关系 选取隧道长度为 5 0 0 m时进行不同速度下隧道中点等速会 车时气动载荷的研究。速度分别为 2 0 0 k m ／ h 、 2 5 0 k m ／ h 、 3 0 0 k m ／ h 、