阵风场中列车升气动导纳的研究

阵风场中列车升气动导纳的研究

为了促进中国西部地区的经济发展，满足人民日益增长的交通需求，必须自然选择大转折点的桥梁。目前已建或在建的铁路桥梁主梁大多为钢桁梁，如沪通长江大桥、平潭海峡公铁两用大桥、铜陵长江公铁大桥和公安长江公铁大桥。相比钢桁梁，流线型钢箱梁结构轻盈、造型美观、稳定性好，公铁平层的超宽流线型钢箱梁更是首创。横风中列车的气动力特性，不仅与其自身的气动外形有关，而且受基础设施(如：桥梁，路堤)的影响。车辆改变了桥梁主梁的气动绕流结构，而桥梁主梁的几何外形也会对桥上高速列车的气动荷载产生影响1数值模拟方法1.1流项的完善模型数值模拟时采用的计算方法如下：时间离散采用二阶隐式，对流项为二阶迎风格式，其他流动物理量的空间离散也采用二阶格式，基于SIMPLEC算法处理压强与速度耦合，湍流模型采用SSTk-w模型，连续性方程的收敛值设置为1×101.2入流自保持能力模型的计算区域如图1所示，B为截面宽，计算域长度为18B，宽度为6B，模型位于距离速度入口6B位置处。在计算域左侧边界为速度入口条件，x方向速度保持恒定不变，y方向速度随时间简谐变化，通过用户自定义函数(UDF)编程实现，上下边界为无滑移的Wall边界条件，右侧边界为自由出流边界条件，结构表面为无滑移的Wall边界条件。唐煜等在数值模拟时，随时空变化的计算入流边界条件必须满足在无障碍物的整个计算域中保持其边界特征，即入流自保持能力。为保证来流脉动速度的自保持，根据计算分析1.3展向约束来流紊流升力气动导纳计算可参考式(1):其中：k为无量纲的折减频率fB/U;S本文中数值模拟采用二维计算方法，即：列车模型为展向无限长；来流紊流为单一频率的简谐波，认为来流紊流为展向完全相关的。因此，数值模拟得到的气动导纳为二维气动导纳。1.4cfd和平板升风力动导纳对于理想平板的升力气动导纳的Sears函数，Liepmann给出了近似解：计算时取宽高比为100:1的矩形平板，宽为1m，高为0.01m，平板的阻力系数为0，升力系数斜率为2π。网格划分时，保持外围为均匀化结构网格，结构断面周围为非均匀化网格且适当加密。通过尺寸函数(sizefunction)控制网格尺寸从壁面到均匀网格的渐变，相邻网格尺寸增长因子为1.03，保证y关于纵向来流风速对气动导纳的影响，许多学者做过针对性研究。马存明为了检测时间步长对计算结果的影响，图2给出了无量纲折减频率k为0.41667时，时间步长为0.0005,0.001,0.002和0.005s时的气动导纳结果。随着时间步长的增大，CFD数值模拟的气动导纳结果与解析解偏离逐渐增大，其中当时间步长为0.0005s时，CFD结果与解析解偏离约8%，当时间步长为0.001s时，偏离约15%。鉴于普通计算机的计算能力，可在满足计算结果要求的前提下适当增大时间步长。图3给出了宽高比为100的平板升力气动导纳的识别结果，并与Sears函数对比。从图3可知，在高折减频率与低折减频率时，平板气动导纳的数值识别结果与根据势流理论推导的Sears函数吻合较好，认为该数值识别方法可靠。2列车升风力动导纳数值模拟1列高速列车通常由很多节车厢组成，中部车厢形状不变，故一般按头车、中车和尾车分类，本文主要针对列车的中车进行研究，列车模型底部忽略了转向架等的影响并简化为平面，且未考虑受电弓等构件，列车截面如图4所示。计算区域及列车周围的网格划分见图5。在列车周围的网格加密，通过尺寸函数控制网格尺寸从壁面到均匀网格的渐变，相邻网格尺寸增长因子为1.03；在远离列车模型区域，采用稀疏的网格，y图6给出了静止列车的气动导纳数值模拟结果，并与平板的升力气动导纳——Sears函数对比。结果表明，列车升力气动导纳比Sears函数偏大，但变化趋势基本一致。在折减频率小于0.05时，气动导纳数值接近于1，随着折减频率的增大，气动导纳逐渐减小。需要说明的是，数值模拟时无量纲频率只到10Jancauskas3脉动阵风下列车体系建模对2种主梁断面进行分析，分别为钢桁梁和流线型钢箱梁。钢桁架主梁断面如图8所示，主梁宽22.0m，高12.0m；流线型钢箱梁断面如图9所示，主梁截面宽63.9m，高5.0m，左右车道为公路，中间I～IV车道为铁路。为了准确分析列车受到的气动力，列车与桥梁之间不允许有任何接触。图10给出了桥上列车周围网格。在主梁及列车周围的网格加密，通过尺寸函数控制网格尺寸从壁面到均匀网格的渐变，相邻网格尺寸增长因子为1.03；在远离主梁及列车模型区域，采用稀疏的网格，y图11给出了钢桁架梁与流线型钢箱梁上迎风侧列车的气动导纳数值模拟结果，并与Sears函数对比。结果表明，桥梁主梁上列车升力气动导纳比单独列车升力的气动导纳值偏小，比Sears函数略偏大，随折减频率的增大而逐渐减小。这也说明不考虑桥梁主梁的影响，单独进行列车气动导纳分析是不可靠的。同时，在折减频率小于0.01时，流线型钢箱梁上列车升力气动导纳略大于桁架梁上列车气动导纳值。4气动导纳函数与节段趋近于无限展长时的模型关系上节中，对桥梁上列车二维气动导纳进行了数值模拟研究，本部分就其应用展开研究，具体如下。对于有限展长的节段，两波数的升力系数谱其中：b为结构的长；U为来流风速；k对两波数谱在展向积分，可以得到一波数谱：同时，一波数升力系数谱又可以由来流紊流风谱写成如下形式：则：为紊流展向相关函数的相关系数，《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T3360-01-2018)中取值为7。式(7)代入式(6)，可得三维气动导纳函数为：式(8)中的两波数气动导纳函数被一波数气动导纳函数代替，则有二维气动导纳函数：为了评价三维气动导纳与二维“片条理论”分析的差异性，式(8)与式(9)的比值可以表示为：当节段展长趋近于无穷时，式(10)可简化为：当节段趋近于有限展长的“片条”时，式(10)可简化为：由式(11)可知，当模型沿展向无限长时，三维气动导纳与二维气动导纳函数相等，即：对于无限展长的模型，其气动导纳函数为二维的。由式(12)可知，对于“片条”，其气动导纳函数不考虑展长相关因子的影响，其比值与节段的长度也就无任何关系。对比式(11)与式(12)可知，结构的长宽比(展长/截面宽度)达到一定程度时，节段的三维气动导纳函数与二维气动导纳函数就可以认为基本一致。当来流紊流相关性较好时(对于多个编组的列车而言，其长度远大于宽度，为细长结构，可以将二维气动导纳运用于风车桥耦合计算中，这也是研究结构二维气动导纳函数的意义。5单独列车升风力动导纳1)平板气动导纳的数值识别结果与Sears函数吻合均相对较好，验证了该识别方法的可靠性。探讨时间步长对识别结果的影响，在满足计算结果要求的前提下适当增大时间步长。单独列车的升力气动导纳比Sears函数偏大，但变化趋势基本一致；折减频率小于0.05时，气动导纳数值接近于1，随着折减频率的增大，气动导纳逐渐减小。2)初步探索