随机侧风下桥塔区域中高速列车气动特性分析_杜礼明.pdf
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1、为研究随机侧风下桥塔遮风对列车气动特性的影响,建立了某型车桥系统的三维气动仿真模型。从压力和涡量角度对比分析了恒定侧风和不同平均风速的随机侧风下列车周围的流场变化,分析了随机侧风下列车在桥塔环境中的气动特性。结果表明:风模型的改变对列车表面及周围气动压力变化影响十分有限,风模型变化对涡量的影响明显;随机侧风下头车附近最大涡量是恒定侧风下的 倍,且最大涡量呈指数型增长,平均风速越快,列车附近空气流动形成的旋涡越多,旋涡数量增加的速度也越快。平均风速相同时,随机侧风对列车气动载荷影响更大,且随着平均风速的增大,气动载荷变化剧烈程度加大,不同类型气动载荷增加幅度不同。关键词:随机侧风;桥塔;高速列车
2、;气动特性;涡量文献标识码:高速列车通过桥塔时,由于桥塔遮风,列车周围气压、气流速度发生改变,车体表面的气动载荷发生明显变化,从而导致列车脱轨和倾覆。近年来,国内外学者对不同运行条件下的列车气动特性展开了研究。针对列车附近流场结构,王磊等发现运行条件相同时,列车不同部位流场结构不同,头部、尾部附近流场结构变化严重,但中间列车周围流场分布规律基本稳定;王希理等发现列车背风侧的流场是由列车顶部和底部卷起形成的多个旋涡组成的;谢红太发现随着风速的变化,列车周围流场分布结构复杂不规律,但当侧风情况较为严重时正压区主要分布在迎风侧,并与背风侧产生巨大压差;等分析了大长细比列车附近流场中旋涡的变化,发现每
3、个大尺度流向涡在大小上呈现出交替增加 减少以及横向和垂直方向上的振荡行为。同时,学者们分别采用仿真模拟和风洞试验等方法探讨了不同运行条件下列车气动载荷变化。王玉晶等发现不同车厢气动载荷的时域变化规律不同;李田等采用同一风场模型进行了数值研究,结果发现不同风速下气动载荷系数波动幅值相差较大;王政等通过改变风模型来比较均匀风模型和指数风模型对列车风载荷大小的影响,结果表明不同风场模型下列车气动载荷变化明显不同,列车侧向力和气动力矩差异更明显,指数型风模型下比均匀风模型下大;刘智超等发现在相同车速下,列车气动载荷相等,但随着加速度的改变,侧向力、阻力、倾覆力矩的变化率不断增大,导致短时间内高速列车气
4、动载荷的变化增大;曾广志等发现在龙卷风下列车背风侧的压力系数较迎风侧更为显著。自然界的风受山川、地形和建筑物等的影响,风速往往是瞬变的,但目前对高速列车流场结构的研究大多是以风速恒定为前提的,未考虑在桥塔遮蔽的风场中,风速波动对高速列车气动性能的影响,因此,研究结果难以准确反映实际情况。本文采用“”随机侧风模型,从压力和涡量两个角度对比分析恒定侧风和随机侧风工况以及不同平均风速的随机侧风工况下列车周围流场变化,总结随机侧风下列车在桥塔环境中的气收稿日期:基金项目:国家自然科学基金资助项目();辽宁省自然科学基金资助项目();牵引动力国家重点实验室基金资助项目()第一作者:杜礼明(),男,教授。
5、:通信作者:章芝霖(),女,硕士研究生。:第 期杜礼明,等:随机侧风下桥塔区域中高速列车气动特性分析 动特性,为桥塔区域的安全行车提供参考。列车桥系统的气动仿真模型 列车桥塔耦合的计算域 为确保计算结果受边界影响较小,计算域设置为:列车上方流场、侧方流场为车宽的 倍以上,后方流场为车宽的 倍以上;截取部分桥梁,取计算域长 ,高 ,宽 。本文以某跨江大桥为研究对象,保留桥梁塔柱断面轮廓,桥塔宽 ,不考虑受电弓、转向架、裙板等结构,建立头中尾 节编组形式的列车桥气动仿真模型。由于掠过列车气流速度比音速低,可视为不可压缩。基于动态网格方法,采用滑移网格技术模拟车体运动,采用局部动态层变法更新动态网格
6、,因此所有工况采用瞬态计算。网格剖分与边界条件设置 采用嵌套网格技术划分计算域的网格,车体附近为四面体网格,其余部分为六面体网格,总数约 万。桥塔区域的网格划分见图。图 桥塔区域的网格划分 计算域边界条件设置见图:流体域中自然风入口为速度入口;前、后表面和自然风出口为压力出口;上、下表面为对称面;车体和桥梁表面为无滑移壁面。湍流模型选用 模型,用 算法耦合速度压力,计算时间步长为,采用二阶迎风格式进行求解。图 计算域边界条件 风场模型 将恒定侧风视为风速为 且方向垂直于列车侧墙的均匀气流,采用修正的“”阵风模型描述随机侧风。“”动态风场是在欧盟铁路互联互通技术规范()中提出的,其风速数值变化按
7、周期循环,一个周期分为 个阶段,围绕平均风速上、下起伏。图 为平均风速为 时“”风速模型的风速变化曲线。第一阶段风速由 增长至平均风速,增长了 ;第二阶段风速保持在 不变;第三阶段从 开始,风速变化呈曲线增长,在 时达到峰值,为 ;第四阶段风速减小,在 时下降至平均风速;第五阶段以平均风速持续作用 ,完成内风速变化;第六阶段从 开始,风速下降,在 时降到谷值,为 ;之后进入第七阶段,最终风速在 时回到平均风速,完成一个风速变化周期,之后进入下一个循环周期。由于每个周期内风速变化趋势相同,本文选取一个风速周期内气动载荷、空气压力、空气涡量进行分析。当平均风速增大时,风速曲线上每一时刻对应风速增大
8、,反之减小,但风速阶段变化趋势不变。图 “”阵风的风速随时间变化曲线 本文设计了 种工况(表),对比分析相同车速下,风模型对列车气动特性的影响。表 模拟工况工况车速()风速模型平均风速()工况 随机侧风工况 随机侧风工况 随机侧风工况 随机侧风工况 恒定侧风 大连交通大学学报第 卷 验证模型可靠性 为验证气动模型的准确性和仿真计算方法的可行性,保证后续结果的准确可靠,本文建立的几何模型和计算工况与文献 相同。在此条件下,对比分析列车所受的横向力,仿真结果与参考值对比见图,从图 中可以看出,两者的吻合较好,由此表明,本文的数值模型和数值方法可行。图 仿真结果与参考值对比 不同风场模型下车体表面压
9、力特征 自然风与列车风的耦合作用引起列车表面的气压、气动升力、横向力等发生变化,对列车运行安全产生影响。为分析风模型对列车气动性的影响,取头车经过桥塔中央时刻,即第 (此刻随机侧风经过前 个阶段变化,风速进入平稳状态),比较此时头车周围空气气动压力,气动压力变化见图。两种风模型下,头车横截面周围低压区在头车中心附近,压力增长呈现以头车为中心,向四周增大的趋势,且都为正压,气动压力变化现象明显。随着随机侧风平均风速的增大,头车周围低压区向迎风侧移动。比较图()、图()可知,列车横截面发生这种变化后与恒定侧风下极()工况()工况()工况()工况()工况 图 列车表面及周围气动压力变化 第 期杜礼明
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