08车辆空气动力学143周强

首届中国空气动力学大会 2018.08.绵阳 风驱雨作用下移动车辆的气动力研究 周强 1, 郑史雄1, 司天文2 （1.西南交通大学桥梁工程系, 四川成都 610031; 2.中铁第一勘察设计院集团有限公司, 陕西西安 100044) 摘摘 要要：风灾是威胁轨道交通安全的主要自然灾害，然而强季风和台风时往往都伴随着 强降雨。为分析降雨对横风作用下移动车辆气动力的影响，采用理论计算模型对降雨 影响进行评估。首先介绍横风作用下移动车辆的非定常气动力计算模型；根据现有雨 滴载荷计算模型，拟合得到雨滴碰撞力随时间变化曲线，引入时域气动导纳函数，推 导出移动车辆雨滴载荷计算模型。研究结果表明：降雨对车辆阻力及升力影响较小， 当风速 U=20 m/s，车速 V=350 km/h，雨强 Ih=200 mm/h，桁架桥上运行车辆升力及阻 力增大系数可达到 3.4%和 2.4%；升力及阻力增大系数与车辆运行速度成反比，与车辆 气动力参数成正比，并且为最显著影响参数；拟合得到升力平均力、阻力平均了、横 向脉动力增大系数简化公式，可为工程设计提供依据。 关键词关键词：移动车辆，非定常气动力，雨滴载荷，气动导纳函数，增大系数 1 引言 风灾是威胁轨道交通安全的主要自然灾害， 是列车故障较多的原因之一。 我国约有三分 之二的地区出于季风区，沿海经济地区更是处于强台风影响地区，季风持续期长，其较常可 能受到强台风和强季风的袭击。强季风和台风时往往都伴随着强降雨，形成风、雨和列车结 构之间的耦合动力作用。因而，针对风驱雨作用下移动车辆的气动力研究是十分必要的，可 用于车辆运行安全性评估。 风驱雨的研究国外起步较早，目前国内学者关注较少。在研究前期，只进行了部分的验 证工作，总结得到一些经验公式。从二十世纪末，Choi1、Blocken 和 carmeliet2等人将流体 力学引入了风驱雨研究， 开始往多相流模拟方向发展。 国内外学者也进行了大量的风驱雨和 验证工作，如 Choi3发现常识中雨滴水平速度等于风速，但实测发现在接近地面高度时该认 知是错误的。部分学者对风驱雨参数研究，choi4通过数值模拟研究了建筑几何形状、方位 和风速对风驱雨强度的影响， 模拟结果表明风速是其中最重要的控制因素。 Abadie和mende5 研究了湍流对风驱雨的影响，发现湍流对风驱雨的影响很小，可忽略。 目前国内外学者对风驱雨对移动车辆影响研究较少，司天文6研究了降雨对车辆倾覆性 能的影响，结果表明降雨对车辆运行临界风速影响较小。李军产7利用计算流体力学，研究 了风驱雨作用下车辆的气动力性能，结果表明降雨对车辆运行阻力影响较大。然而于森8 对一典型低矮房屋进行了风驱雨现场实测， 发现在强风雨作用下附加的雨荷载可达到纯风荷 载的 15%25%。因此有必要对风驱雨载荷进一步研究。 本文以移动车辆为背景， 根据移动车辆气动力及雨滴载荷作用力模型， 推导出移动车辆 雨滴载荷模型， 进一步调查了参数对风驱雨载荷的影响规律， 最后得到风驱雨气动力计算公 式。 2 移动车辆非定常气动力 基金项目：基金项目：国家自然科学基金资助项目,编号：51378443 国家自然科学高铁联合基金重点项目,编号：U1434205 首届中国空气动力学大会 2018.08.绵阳 2.1 车辆作用力 当高速列车运动时，当横向平均风速U和合成平均风速 RV分别发生脉动和w，平均 偏航角脉动将发生脉动。于梦阁9基于 Baker 的非定常气动力的计算理论，推导得到气 动力表达式为 2( )1 =+( )+1cot 22( ) stbui R iiii i C F FFHV CHUU C =+ (1) 式中 st i F和 bu i F（i=D,L,M）分别为平均风作用力和抖振风作用力; ( ) i C（i=D,L,M）分 别为平均偏角处的阻力、升力和力矩系数。 为了考虑远场气流中的小尺度涡流与列车周围流场特性的差异性， 在频域内， 引入气动 导纳函数进行描述；在时域内，Dendat 和 piersol 提出可采用空气动力学权重函数来模拟。 抖振力可以表示为 ( )() 0 1 =2cot 2 bui iiF i C FHCUhUtd C + (2) 式中， F h为气动权重函数，Baker10通过大量实验的风洞实验，总结得出了通用的高速 列车权重函数表达式 () () 2 -2/L = 2/ L R n V FR hn Ve (3) 式中 为时滞，= sinn，对于侧力系数、力矩系数、升力系数， 分别对应 2、2 和 2.5，L为车辆长度， R V为合成平均风速。 2.2 脉动风模拟 移动车辆脉动风速谱， 通常由移动点的脉动风谱代替。 推导移动风速谱时， 根据泰勒 “冻 结”紊流假定，获得移动点风谱的关系。对波长小于 300m 时，泰勒紊流假定近似正确，当 平均风速 U=30 m/s 时，泰勒假定的使用范围为频率 n0.1 Hz。一般而言，车辆的主要频率 在 0.1 Hz 以上，因此，泰勒冻结假定引用于移动车辆的研究是合适的。 当车辆运行方向与平均风方向垂直时，根据维纳-辛钦定理，利用车辆运动不改变脉动分 量的特征，推导出水平横风作用下的移动车辆纵向脉动风速谱和侧向脉动风速谱分别为11 ( )( )()( ) 2 2 1 =1 Mu uuuuuuv v Snc SncSn + (4) ( )( )()( ) 2 2 1 =1 Mv vvvuvvv u Snc SncSn + (5) 式中,n为赫兹频率(Hz)；( ) 22 * 0 =6 uu Sn dnu = ，( ) 22 * 0 =2.368 vv Sn dnu = ； 22 2 = UV U + ; n n =； 2 22 vv V c UV = + ； 2 22 uu U c UV = + ; ( ) u Sn和 ( ) v Sn分别为固定点的纵向脉动功率谱和侧向脉动功 率谱。 根据我国公路桥梁抗风设计规范12，纵向、横向和垂向风谱分别选择 Simiu 谱、 Kaimal 谱和 Lumley-Panofsky 谱，即： ( ) () 25/3 * 200 = 1 50 u n Sn n u n + (6) ( ) () 25/3 * 15 = 1 9.5 v n Sn n u n + (7) ( ) () 25/3 * 6 = 14 w n Sn n u n + (8) 首届中国空气动力学大会 2018.08.绵阳 式中,n为赫兹频率(Hz)； = /n nz U为无量纲频率； * u为剪切速度(m/s)。 2.3 车辆气动力系数 由于车辆气动力系数为风偏角的函数，图 1 给出了 ICE3 列车在 6 m 高路堤，不同风攻 角的风洞测试数据13，其中列车气动参数无纲量化面积 A=10 m2，高度 H=3 m。图 1(b)中分 别给出了车辆在迎风侧及背风侧处的气动力系数。偏航角 =0，车辆运行速度远远大于横风 速度， 此时三个气动力系数接近于 0； 随着风偏角的增大， 气动力系数绝对值均增大， 当 =45o, 即车辆运行速度与横风速度相同，对于 0 o45o航偏角，学者10常用=sin iF CK进行表示气 动力变化规律;当 45o时，气动力系数缓慢较小，=90o表示车辆处于禁止状态。 020406080100 -10 -6 -2 2 6 10 14 cy迎风侧 cz迎风侧 cMx迎风侧 cy背风侧 cz背风侧 cMx背风侧 气动力系数 偏航角 () （a）6m 高路堤道床构造图 （b）车辆气动力系数 图 1 6m 高路堤车辆气动力系数 在不同线路条件下，车辆气动力系数相差较大，当 15 m/s 时，增大系数基本不变。 （3）侧向脉动力随着雨强变化规律类似于平均作用力，结果曲线也保持较好的线性关 系。 50100150200250300350400 2 3 4 5 6 7 气动力增减值(%) 车辆运行速度(km/h) 05101520253035 0 1 2 3 4 5 气动力增减值(%) 横风速度(m/s) （a） 车辆运行速度 （b） 横风速度 首届中国空气动力学大会 2018.08.绵阳 050100150200250300350 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 气动力增减值(%) 雨强(mm/h) （c）雨强 图 6 降雨对侧向脉动力的影响 根据 3.1 节结果，忽略高度及风坡面系数的影响，利用非线性回归方法，根据以上数值 计算工况，可拟合得到侧向脉动力增大系数计算式： 0.230.67 118exp(0.0039I ) K st DhF UV = （29） 4 结论 本文以不同基础设施工况下的移动列车为对象， 采用数值模拟的方法对风雨共同作用力 展开研究。主要结论及成果如下： (1) 阻力平均力增大系数与横风、风坡面系数、雨强大小成正比，与车辆气动力参数、 车辆运行速度、 距地面高度成反比， 其中风坡面系数及距地面高度对阻力平均力增大系数影 响较小。 (2) 升力平均力增大系数与雨强大小成正比，与车辆气动力参数、车辆运行速度、横风 速度成反比。 (3) 头车增大系数小于中间车，平地的增大系数小于路基，桁架桥上增大系数最大。按 照风速 U=20 m/s，车速 V=350 km/h，雨强 Ih=200 mm/h，桁架桥上运行车辆升力及阻力增大 系数可达到 3.4%和 2.4%。 (4) 横向脉动力与阻力平均作用力类似，但当横风速度 U15 m/s 时，增大系数不受风 速大小影响。 (5) 文中通过非线性回归方法，拟合得到简化的升力平均力、阻力平均了、横向脉动力 增大系数公式，可为工程计算提供依据。 对于移动及静止结构或者物体， 仍可以借鉴本文的模拟方法， 展开风雨作用共同作用下 气动力研究。 参考文献： 1 Choi E C C. Wind-driven rain on building faces and the driving-rain indexJ. Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics, 1999, 79(12):105-122. 2 Blocken B, Carmeliet J. Spatial and temporal distribution of driving rain on a low-rise buildingJ. Wind & Structures An International Journal, 2002, 5(5):441-462. 3 Choi E C C. Wind-driven rain and driving rain coefficient during thunderstorms and non-thunderstormsJ. Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics, 2001, 89(34):293-308. 4 Choi E C C. Variation of Wind-Driven Rain Intensity with Building OrientationJ. Journal of Architectural Engineering, 2014, 6(4):122-128. 5 Abadie M O, Mendes N. Numerical assessment of turbulence effect on the evaluation of wind-driven rain specific catch ratioJ. International Communications in Heat & Mass Transfer, 2008, 35(10): 1253-1261. 6 司天文. 风雨联合作用下大跨钢桁拱桥桥上地铁交通行车安全性研究D. 西南交通大学, 2016. 首届中国空气动力学大会 2018.08.绵阳 7 李军产. 风雨联合对高速运动客车动力作用数值模拟D. 中南大学, 2012. 8 于淼. 低矮建筑风雨作用效应的数值与实测研究D. 浙江大学, 2013. 9 于梦阁, 张继业, 张卫华. 随机风作用下高速列车非定常气动载荷的计算方法J. 计算力学 学报, 2013, 30(3):356-361. 10 Baker C J. The simulation of unsteady aerodynamic cross wind forces on trainsJ. Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics, 2010, 98(2):88-99. 11 XZ Li, J Xiao, et al. An analytical model for the fluctuating wind velocity spectra of a moving vehicle. Journal of Wind Engineering and Industrial AerodynamicsJ. 2017, 164, 34-43. 12 JTG/TD 60-012004 公路桥梁抗风设计规范S. 北京: 人民交通出版社, 2004. 13 BS EN14067-1: Railway applications - Aerodynamics - Symbols and unitsS, 2003. 14 Federico Chelia , Roberto Corradi a , et al. Wind tunnel tests on train scale models to investigate the effect of infrastructure scenario, Journal of Wind En