1. 引言

隨著我國高速鐵路的飛速發(fā)展，列車高速運(yùn)行時(shí)引發(fā)的空氣動(dòng)力學(xué)問題也日益突出，尤其當(dāng)兩列車交會時(shí)，兩車之間的氣流受到擠壓，在列車表面產(chǎn)生很強(qiáng)的瞬態(tài)壓力沖擊，有可能會使車窗玻璃受氣動(dòng)沖擊而損壞，如果壓力波傳入密封性不好的客室還可能導(dǎo)致乘客耳鳴、頭暈等不適癥狀。此外，各節(jié)車廂也會受到交變的氣動(dòng)作用力和力矩沖擊，有可能引發(fā)列車橫向、垂向振動(dòng)以及蛇形運(yùn)動(dòng)，不但加劇了輪軌磨耗，影響列車安全、穩(wěn)定運(yùn)行，而且嚴(yán)重情況下甚至?xí)a(chǎn)生列車脫軌、傾覆等重大的事故。

 

氣動(dòng)力在列車交會過程中變化劇烈，對列車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)行為的影響非常明顯，交會時(shí)列車振動(dòng)劇烈，頭車和尾車的安全性和舒適性明顯降低。然而，高速列車明線會車壓力波和氣動(dòng)作用力(矩)變化規(guī)律，以及影響它們大小的主要因素如兩列車運(yùn)行速度、列車外形尺寸和線間距或車間距等參數(shù)之間具體關(guān)系式還很欠缺。

 

為了實(shí)現(xiàn)高速列車的安全、舒適、低能耗等要求，必須對列車交會過程氣動(dòng)特性進(jìn)行深入細(xì)致的研究。本文基于XFLOW數(shù)值仿真計(jì)算軟件模擬列車等速交會的情況，XFLOW中的無網(wǎng)絡(luò)方法是基于粒子和具有完整拉格朗日函數(shù)的方法，意味著不再需要對經(jīng)典的流體區(qū)域劃分網(wǎng)格，同時(shí)表面復(fù)雜性不再是一種限制因素。XFLOW 能夠解決運(yùn)動(dòng)的物體和可變形部分，能夠適應(yīng)低質(zhì)量的輸入幾何?；?XFLOW 的軟件特點(diǎn)，可以最大程度上還原列車的運(yùn)行環(huán)境，區(qū)別于普通計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）軟件的數(shù)值風(fēng)洞模擬，XFLOW軟件數(shù)值計(jì)算過程中可以更為直觀的觀察列車交會時(shí)的氣動(dòng)特性。

 

2. 明線交會數(shù)值計(jì)算模型

2.1 幾何模型

一列完整的列車由機(jī)車和多節(jié)車輛組成，長度較長。本文采用 3 節(jié)車模型進(jìn)行明線會車的數(shù)值模擬，即整個(gè)模型由一節(jié)頭車、一節(jié)中間車、一節(jié)尾車和兩個(gè)車間風(fēng)擋組成，頭車和尾車具有相同的外形。頭車長 26.25m，中間車長 25m，尾車長 26.25m，列車總長、寬、高分別為 79.2m、3.32m、3.8m。實(shí)際列車表面并非光滑的，而是有許多大小不一的凹凸物，如車燈、受電弓等，對上述細(xì)部特征進(jìn)行簡化處理為一系列光滑曲面構(gòu)成的幾何體。列車模型如圖 1 所示。

 

 

圖 1 列車幾何模型

 

2.2 計(jì)算域及邊界條件

當(dāng)建立明線會車計(jì)算區(qū)域時(shí)，考慮到計(jì)算流場的充分發(fā)展以及氣流的繞流影響，計(jì)算區(qū)域的尺寸取值應(yīng)當(dāng)足夠大。在理論上，列車周圍流場的計(jì)算區(qū)域應(yīng)該無限大，但在實(shí)際數(shù)值模擬中只能采用有限的空間，在不影響列車附近流體的流動(dòng)的情況下應(yīng)選取合適的計(jì)算區(qū)域，即計(jì)算區(qū)域的邊界離動(dòng)車組表面要足夠遠(yuǎn)，使得動(dòng)車組運(yùn)行所產(chǎn)生的高速氣流對邊界區(qū)域的氣流流動(dòng)的影響很小。但是計(jì)算區(qū)域越大，將導(dǎo)致計(jì)算速度降低。為了在提高計(jì)算速度的同時(shí)保證計(jì)算精度，選取比較合適的計(jì)算區(qū)域，如圖 2 所示，其中明線會車外流場長度 460 m，外流場高度 60 m，列車與軌道所處地面之間的距離為 0.376m，兩車相距100m，線間距 5 m，會車速度為 250km/h。由于會車的對稱關(guān)系，兩列車分別命名為通過列車和觀察列車，分析時(shí)可以重點(diǎn)分析觀察列車周圍的繞流流場即可。

 

 

圖 2 列車明線交會計(jì)算域

 

采用 XFLOW 軟件中的剛體自由運(yùn)動(dòng)方法模擬列車之間的相對運(yùn)動(dòng)，整個(gè)流場區(qū)域固定，列車分別以 250km/h 的速度相向運(yùn)動(dòng)。列車外流場的數(shù)值模擬在有限區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，在區(qū)域邊界上需給定適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件。邊界條件能否正確建立，直接影響數(shù)值計(jì)算的正確性和計(jì)算精度。確定邊界條件要求在數(shù)學(xué)上滿足適定性，在物理學(xué)上具有明確意義。外流場沿 x 方向的兩個(gè)邊界均為壓力出口邊界條件，地面設(shè)置為滑移邊界，其余邊界設(shè)置為固定壁面?？傆?jì)算時(shí)間為 2.5s。

 

3. 明線交會數(shù)值計(jì)算結(jié)果

對列車?yán)@流流場的數(shù)值模擬，需要綜合考慮物理量的場分布。渦量是速度的旋度，即速度一階導(dǎo)數(shù)的線性函數(shù)。因此，通過壓力、速度與渦量三個(gè)物理量可揭示列車明線交會時(shí)的列車?yán)@流流場特性。

 

3.1 壓力分布

圖 3 給出了兩列車交會過程中，不同時(shí)刻列車表面的壓力分布。由圖可得，列車表面正壓主要集中在列車頭車鼻尖區(qū)域、排障器區(qū)域以及一位端轉(zhuǎn)向架區(qū)域；負(fù)壓主要集中在車間風(fēng)擋區(qū)域、尾車流線型區(qū)域以及列車大部分車體區(qū)域。列車表面出現(xiàn)不連續(xù)的正壓區(qū)和負(fù)壓區(qū)，主要原因是，氣流流過車體表面時(shí)，氣流在列車表面分離會形成局部負(fù)壓區(qū)，再附時(shí)會形成局部正壓區(qū)，而氣流分離以及再附的位置隨列車的運(yùn)行不斷變化，因此造成了列車表面局部正負(fù)壓區(qū)。交會過程中，列車表面壓力不斷變化，列車交會側(cè)表面壓力變化非常劇烈。

 

 

 

圖 3 列車明線交會不同時(shí)刻表面壓力分布

 

圖 4 給出了列車交會時(shí)，流場橫截面的壓力分布情況。列車未交會時(shí)，兩列車周圍繞流流場幾乎一致，兩列車頭部鼻尖交會前，列車周圍流體壓力已經(jīng)開始增加，列車開始交會瞬間，兩列車周圍流體受到排擠作用，流體壓力變化劇烈。整個(gè)交會過程中，列車交互側(cè)流體壓力變化較大。

 

圖 5 給出了流場中兩個(gè)測點(diǎn)的壓力時(shí)程曲線，測點(diǎn)位置如圖 2 所示。測點(diǎn) 1 位于兩列車所處軌道的中心位置，測點(diǎn) 2 距通過列車的非交會側(cè)車體表面 1 m。由圖 5 可得，在兩列車頭車交會時(shí)，測點(diǎn)處會產(chǎn)生一個(gè)正、負(fù)脈沖，即頭波，兩列車會有明顯的“排斥-吸引”感；在最大負(fù)脈沖出現(xiàn)后，列車其他部位交會時(shí)測點(diǎn)壓力開始等幅波動(dòng)，直到通過列車的尾車鼻尖經(jīng)過觀察列車尾車鼻尖時(shí)，會產(chǎn)生一負(fù)、正脈沖，即尾波，兩列車會有明顯的“吸引-排斥”感。

 

 

圖 4 列車明線交會不同時(shí)刻垂向截面壓力分布

 

 

圖 5 流場測點(diǎn)的壓力時(shí)程曲線

 

3.2 速度分布

圖 6 和圖 7 分別給出了列車交會過程中，不同時(shí)刻縱向截面和垂向截面上的速度分布情況。由圖 6 可得，在靠近頭車鼻尖上游區(qū)域，氣流受到運(yùn)動(dòng)列車的干擾，氣流在列車的帶動(dòng)下開始運(yùn)動(dòng)，因此列車頭部附近的流體速度較高。在頭車排障器下游車底空間、列車頭車前端出現(xiàn)加速區(qū)，主要原因是排障器尖點(diǎn)擾動(dòng)與車底/地面擠壓效應(yīng)綜合作用而形成。列車尾部氣流非常紊亂，交會過程中，列車尾部氣流的紊亂程度加劇。

 

 

圖 6 列車明線交會不同時(shí)刻縱向截面速度分布

 

 

圖 7 列車明線交會不同時(shí)刻橫向截面速度分布

 

由圖 7 可得，在頭車鼻尖下游兩側(cè)車體周圍區(qū)域及頭/尾車流線型肩部上方區(qū)域，高速列車在交會時(shí)表現(xiàn)出局部加速效應(yīng)。在尾車鼻尖下游區(qū)域，高速列車在交會時(shí)形成了紊度較高的回流區(qū)，在該回流區(qū)不同速度等級的低速區(qū)相互摻混，并且在該回流區(qū)兩側(cè)外圍區(qū)域出現(xiàn)加速區(qū)，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的摻混效應(yīng)；受到交會車體的擠壓作用，致使在回流區(qū)里面出現(xiàn)更多的加速區(qū)和更多的低速區(qū)，從而氣流的摻混效應(yīng)變得更強(qiáng)，而且回流區(qū)長度變得更長。即使列車交會完成之后，交會對列車周圍繞流的影響仍然存在。

 

3.3 渦量分布

圖 8 給出了不同時(shí)刻列車交會過程中的列車周圍流場的渦量分布情況。由圖可得，高速列車交會時(shí)轉(zhuǎn)向架區(qū)域、頭車排障器區(qū)域與尾流區(qū)等為強(qiáng)渦量區(qū)域。車體兩側(cè)強(qiáng)渦量分布區(qū)域是由于交會過程中氣體受到車體擠壓造成的，該區(qū)域低速區(qū)域與高速區(qū)交替分布；尾流區(qū)的強(qiáng)渦量區(qū)外形均以帶狀渦占主導(dǎo)，并且各強(qiáng)渦量區(qū)域并不連續(xù)，相互之間以弱渦量區(qū)域連接。列車單獨(dú)在明線運(yùn)行時(shí)，列車周圍繞流呈對稱分布，列車交會時(shí)，導(dǎo)致列車原本周圍繞流流場受到干擾，流場結(jié)構(gòu)破壞，列車兩側(cè)渦結(jié)構(gòu)發(fā)展更迅速。

 

 

 

圖 8 列車明線交會不同時(shí)刻渦量分布

 

4. 結(jié)論

通過對比列車交匯過程中，壓力場、速度場以及渦量的分布規(guī)律可得如下結(jié)論：

（1）列車整個(gè)交會過程中，列車表面測點(diǎn)首先會產(chǎn)生一個(gè)正、負(fù)脈沖的頭波，之后表面壓力開始等幅波動(dòng)，直到通過列車的尾車鼻尖通過觀察列車尾車鼻尖時(shí)產(chǎn)生一負(fù)、正脈沖的尾波。交會過程式列車表面壓力劇增將導(dǎo)致列車側(cè)窗破裂等危險(xiǎn)事故發(fā)生。

 

（2）列車高速運(yùn)行時(shí)，其周圍流場是一個(gè)非常復(fù)雜的三維粘性湍流流場。氣流從列車表面不斷分離形成一系列脫落渦，漩渦不斷向下游發(fā)展形成一系列大尺度渦。強(qiáng)渦區(qū)主要分布在列車一位端轉(zhuǎn)向架、頭車排障器附近、頭車流線型區(qū)域以及列車尾渦區(qū)。

 

（3）列車交會時(shí)，列車周圍原有的繞流流場結(jié)構(gòu)受到破壞，列車表面脫落渦的速度加快，流場強(qiáng)渦區(qū)的發(fā)展速度變快。列車交會側(cè)的氣流受到擠壓，氣流向下游發(fā)展速度更快，進(jìn)一步造成列車尾渦區(qū)更加紊亂。

 

資料來源：達(dá)索官方