1. 引言

隨著我國(guó)高速鐵路的飛速發(fā)展，列車(chē)高速運(yùn)行時(shí)引發(fā)的空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題也日益突出，尤其當(dāng)兩列車(chē)交會(huì)時(shí)，兩車(chē)之間的氣流受到擠壓，在列車(chē)表面產(chǎn)生很強(qiáng)的瞬態(tài)壓力沖擊，有可能會(huì)使車(chē)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(chē)廂也會(huì)受到交變的氣動(dòng)作用力和力矩沖擊，有可能引發(fā)列車(chē)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(chē)安全、穩(wěn)定運(yùn)行，而且嚴(yán)重情況下甚至?xí)a(chǎn)生列車(chē)脫軌、傾覆等重大的事故。

 

氣動(dòng)力在列車(chē)交會(huì)過(guò)程中變化劇烈，對(duì)列車(chē)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)行為的影響非常明顯，交會(huì)時(shí)列車(chē)振動(dòng)劇烈，頭車(chē)和尾車(chē)的安全性和舒適性明顯降低。然而，高速列車(chē)明線會(huì)車(chē)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(chē)運(yùn)行速度、列車(chē)外形尺寸和線間距或車(chē)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(chē)的安全、舒適、低能耗等要求，必須對(duì)列車(chē)交會(huì)過(guò)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(chē)等速交會(huì)的情況，XFLOW中的無(wú)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(duì)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。基于 XFLOW 的軟件特點(diǎn)，可以最大程度上還原列車(chē)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(guò)程中可以更為直觀的觀察列車(chē)交會(huì)時(shí)的氣動(dòng)特性。

 

2. 明線交會(huì)數(shù)值計(jì)算模型

2.1 幾何模型

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

 

 

圖 1 列車(chē)幾何模型

 

2.2 計(jì)算域及邊界條件

當(dāng)建立明線會(huì)車(chē)計(jì)算區(qū)域時(shí)，考慮到計(jì)算流場(chǎng)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(chē)周?chē)鲌?chǎng)的計(jì)算區(qū)域應(yīng)該無(wú)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(chē)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(chē)組表面要足夠遠(yuǎn)，使得動(dòng)車(chē)組運(yùn)行所產(chǎn)生的高速氣流對(duì)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(huì)車(chē)外流場(chǎng)長(zhǎng)度 460 m，外流場(chǎng)高度 60 m，列車(chē)與軌道所處地面之間的距離為 0.376m，兩車(chē)相距100m，線間距 5 m，會(huì)車(chē)速度為 250km/h。由于會(huì)車(chē)的對(duì)稱(chēng)關(guān)系，兩列車(chē)分別命名為通過(guò)列車(chē)和觀察列車(chē)，分析時(shí)可以重點(diǎn)分析觀察列車(chē)周?chē)睦@流流場(chǎng)即可。

 

 

圖 2 列車(chē)明線交會(huì)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(chē)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，整個(gè)流場(chǎng)區(qū)域固定，列車(chē)分別以 250km/h 的速度相向運(yùn)動(dòng)。列車(chē)外流場(chǎng)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(chǎng)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(huì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果

對(duì)列車(chē)?yán)@流流場(chǎng)的數(shù)值模擬，需要綜合考慮物理量的場(chǎng)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(guò)壓力、速度與渦量三個(gè)物理量可揭示列車(chē)明線交會(huì)時(shí)的列車(chē)?yán)@流流場(chǎng)特性。

 

3.1 壓力分布

圖 3 給出了兩列車(chē)交會(huì)過(guò)程中，不同時(shí)刻列車(chē)表面的壓力分布。由圖可得，列車(chē)表面正壓主要集中在列車(chē)頭車(chē)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(chē)間風(fēng)擋區(qū)域、尾車(chē)流線型區(qū)域以及列車(chē)大部分車(chē)體區(qū)域。列車(chē)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(guò)車(chē)體表面時(shí)，氣流在列車(chē)表面分離會(huì)形成局部負(fù)壓區(qū)，再附時(shí)會(huì)形成局部正壓區(qū)，而氣流分離以及再附的位置隨列車(chē)的運(yùn)行不斷變化，因此造成了列車(chē)表面局部正負(fù)壓區(qū)。交會(huì)過(guò)程中，列車(chē)表面壓力不斷變化，列車(chē)交會(huì)側(cè)表面壓力變化非常劇烈。

 

 

 

圖 3 列車(chē)明線交會(huì)不同時(shí)刻表面壓力分布

 

圖 4 給出了列車(chē)交會(huì)時(shí)，流場(chǎng)橫截面的壓力分布情況。列車(chē)未交會(huì)時(shí)，兩列車(chē)周?chē)@流流場(chǎng)幾乎一致，兩列車(chē)頭部鼻尖交會(huì)前，列車(chē)周?chē)黧w壓力已經(jīng)開(kāi)始增加，列車(chē)開(kāi)始交會(huì)瞬間，兩列車(chē)周?chē)黧w受到排擠作用，流體壓力變化劇烈。整個(gè)交會(huì)過(guò)程中，列車(chē)交互側(cè)流體壓力變化較大。

 

圖 5 給出了流場(chǎng)中兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的壓力時(shí)程曲線，測(cè)點(diǎn)位置如圖 2 所示。測(cè)點(diǎn) 1 位于兩列車(chē)所處軌道的中心位置，測(cè)點(diǎn) 2 距通過(guò)列車(chē)的非交會(huì)側(cè)車(chē)體表面 1 m。由圖 5 可得，在兩列車(chē)頭車(chē)交會(huì)時(shí)，測(cè)點(diǎn)處會(huì)產(chǎn)生一個(gè)正、負(fù)脈沖，即頭波，兩列車(chē)會(huì)有明顯的“排斥-吸引”感；在最大負(fù)脈沖出現(xiàn)后，列車(chē)其他部位交會(huì)時(shí)測(cè)點(diǎn)壓力開(kāi)始等幅波動(dòng)，直到通過(guò)列車(chē)的尾車(chē)鼻尖經(jīng)過(guò)觀察列車(chē)尾車(chē)鼻尖時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一負(fù)、正脈沖，即尾波，兩列車(chē)會(huì)有明顯的“吸引-排斥”感。

 

 

圖 4 列車(chē)明線交會(huì)不同時(shí)刻垂向截面壓力分布

 

 

圖 5 流場(chǎng)測(cè)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(chē)交會(huì)過(guò)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(chē)鼻尖上游區(qū)域，氣流受到運(yùn)動(dòng)列車(chē)的干擾，氣流在列車(chē)的帶動(dòng)下開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，因此列車(chē)頭部附近的流體速度較高。在頭車(chē)排障器下游車(chē)底空間、列車(chē)頭車(chē)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(chē)底/地面擠壓效應(yīng)綜合作用而形成。列車(chē)尾部氣流非常紊亂，交會(huì)過(guò)程中，列車(chē)尾部氣流的紊亂程度加劇。

 

 

圖 6 列車(chē)明線交會(huì)不同時(shí)刻縱向截面速度分布

 

 

圖 7 列車(chē)明線交會(huì)不同時(shí)刻橫向截面速度分布

 

由圖 7 可得，在頭車(chē)鼻尖下游兩側(cè)車(chē)體周?chē)鷧^(qū)域及頭/尾車(chē)流線型肩部上方區(qū)域，高速列車(chē)在交會(huì)時(shí)表現(xiàn)出局部加速效應(yīng)。在尾車(chē)鼻尖下游區(qū)域，高速列車(chē)在交會(huì)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(jí)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(huì)車(chē)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(zhǎng)度變得更長(zhǎng)。即使列車(chē)交會(huì)完成之后，交會(huì)對(duì)列車(chē)周?chē)@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(chē)交會(huì)過(guò)程中的列車(chē)周?chē)鲌?chǎng)的渦量分布情況。由圖可得，高速列車(chē)交會(huì)時(shí)轉(zhuǎn)向架區(qū)域、頭車(chē)排障器區(qū)域與尾流區(qū)等為強(qiáng)渦量區(qū)域。車(chē)體兩側(cè)強(qiáng)渦量分布區(qū)域是由于交會(huì)過(guò)程中氣體受到車(chē)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(chē)單獨(dú)在明線運(yùn)行時(shí)，列車(chē)周?chē)@流呈對(duì)稱(chēng)分布，列車(chē)交會(huì)時(shí)，導(dǎo)致列車(chē)原本周?chē)@流流場(chǎng)受到干擾，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)破壞，列車(chē)兩側(cè)渦結(jié)構(gòu)發(fā)展更迅速。

 

 

 

圖 8 列車(chē)明線交會(huì)不同時(shí)刻渦量分布

 

4. 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比列車(chē)交匯過(guò)程中，壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)以及渦量的分布規(guī)律可得如下結(jié)論：

（1）列車(chē)整個(gè)交會(huì)過(guò)程中，列車(chē)表面測(cè)點(diǎn)首先會(huì)產(chǎn)生一個(gè)正、負(fù)脈沖的頭波，之后表面壓力開(kāi)始等幅波動(dòng)，直到通過(guò)列車(chē)的尾車(chē)鼻尖通過(guò)觀察列車(chē)尾車(chē)鼻尖時(shí)產(chǎn)生一負(fù)、正脈沖的尾波。交會(huì)過(guò)程式列車(chē)表面壓力劇增將導(dǎo)致列車(chē)側(cè)窗破裂等危險(xiǎn)事故發(fā)生。

 

（2）列車(chē)高速運(yùn)行時(shí)，其周?chē)鲌?chǎng)是一個(gè)非常復(fù)雜的三維粘性湍流流場(chǎng)。氣流從列車(chē)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(chē)一位端轉(zhuǎn)向架、頭車(chē)排障器附近、頭車(chē)流線型區(qū)域以及列車(chē)尾渦區(qū)。

 

（3）列車(chē)交會(huì)時(shí)，列車(chē)周?chē)械睦@流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)受到破壞，列車(chē)表面脫落渦的速度加快，流場(chǎng)強(qiáng)渦區(qū)的發(fā)展速度變快。列車(chē)交會(huì)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(chē)尾渦區(qū)更加紊亂。

 

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