横向风作用下高速列车流场影响的研究

横向风作用下高速列车流场影响的研究

最近，对车辆桥梁耦合振动的研究开始关注列车风的影响。y.l.y等人在研究斜拉桥的车辆桥耦合振动时考虑了列车风，而在计算列车气流动力时，根据等效方向获得的列车气流（静态模型）是基于波前的。桥的气动力没有考虑客车风的影响。S.Minoru等在测列车在桥上的气动力时,亦按Baker所用等效风向方法考虑列车风。从理论上说,X.L.Yu等在测试、采用列车、桥梁气动力时存在明显的近似性。在横向风作用下,列车从桥上高速通过时,列车风会对周围流场产生扰动,特别是列车头尾附近区域。目前修建的高速铁路桥梁两侧均设有挡风墙(亦称声屏障),因此,在忽略桥墩、桥塔影响条件下,若不严格考虑横风向的旋涡脱落影响,可以将横向风作用下列车在高速铁路桥上运行的流场看作定常流。在此,本文作者采用三维定常不可压缩雷诺平均N-S方程,结合RNG(RenormalizationGroup)湍流模型进行研究。采用大型商业流体计算软件FLUENT,应用多重参考系法(MultipleReferenceFrame,简称MRF)分析横向风作用下ICE高速列车在日本屋代南桥上运行的稳态流场。1数值模拟1.1气动干涉效应横向风作用下,列车高速运行时,运动列车与静止桥梁间存在气动干涉效应。为了准确计算车桥间的气动干涉效应,采用多重参考系法获得流场的稳态解。应用该方法根据流场的性质将流场划分为动坐标系子区间(包含列车)和静止坐标系子区间(包含桥梁)。动静区间速度的匹配直接通过在交界面上的坐标系转换来实现。计算过程中网格无相对运动。1.2确定列车高度列车计算模型采用动车+拖车+动车的三节ICE列车编组(总长66.72m),桥梁断面采用日本屋代南桥桥梁断面,桥上双线轨道简化为矩形断面模拟,列车底面到桥面的高度采用实际高度,如图1所示。经过多种计算区域的反复试算、比较,待流场计算结果稳定后,确定了如下的计算区域:迎风侧外边界距离桥梁表面50m,背风侧距离桥梁表面100m,上边界距离桥梁底面42.5m,下边界距离桥梁底面40m,列车长度方向计算区域总长370m。列车头部到其前端边界的距离为150m,其示意图如图2。计算缩尺比1∶20。1.3列车表面网格划分及来流强度在列车表面附近采用四面体非结构网格,以适应列车表面变化,其余采用六面体结构网格,总单元数约为235.9万。ICE列车头部的表面网格划分如图3所示。边界设置:迎风侧边界表面取横向风速度入口边界,其余外边界取压强出口边界,列车及桥梁表面均为无滑移光滑壁面。列车速度v取0,200,250和300km/h,横向风速U按20m/s均匀来流考虑。采用一般风洞试验均匀流的来流湍流强度0.5%。列车位于桥梁迎风侧。2计算结果和分析2.1局部流场特性桥梁外部流场受横向风控制,列车风对流场的影响主要体现在对列车表面与挡风墙、桥梁顶面间局部流场的影响。因此,本文集中探讨这部分区域的流场特性。以列车速度250km/h为例,取截面A(距车底1m高度水平截面)、截面B(列车中心剖面)讨论流场的基本特征。2.1.1截面的速度等值线列车风引起的列车中部的滑流离开列车表面后迅速衰减,对横向风的扰动很小。列车风对流场速度的影响集中在列车头部和尾部附近。截面A、B的速度等值线如图4和图5所示。图中的速度等值线为从静止的地面观察的结果。从车头、车尾附近的速度分布看:列车的运行对车头前端空气有排挤作用,列车前端方向速度迅速衰减为零;列车尾部存在一个很强的旋涡,该旋涡受横向风的影响,向迎风侧方向发生了偏转。列车尾部旋涡结构如图6所示。列车尾部与桥面间存在气流加速。2.1.2列车底部低位分布截面A、B的静压(相对横向来流静压)等值线如图7和图8所示。列车风对列车中部附近区域的静压影响很小,对流场静压的影响集中在列车头部和尾部。列车头部驻点附近存在一高压区,并呈近似球状分布向外扩散。列车尾部由于列车的拖曳作用产生一个静压很低的旋涡区,旋涡中心静压最低。受横向风的影响,列车尾部迎风侧方向静压相对较低,列车尾部背风侧有一正压区。列车头尾顶部由于气流加速作用,均有一负压区。列车尾部与桥面间存在一低压区。列车中部基本为负压区,这与挡风墙、桥面、列车共同形成的空腔结构有关。2.2列车和桥梁的气动力2.2.1列车风对车辆阻力、升力、罪犯建立健康约束机制的影响定义列车六分力系数:阻力系数CX=2FX/(ρU2)/S;横向力系数CY=2FY/(ρU2)/(HL);升力系数CZ=2FZ/(ρU2)/(BL);侧滚力矩系数CMX=2MX/(ρU2)/(B2L);点头力矩系数CMY=2MY/(ρU2)/(B2L);摇头力矩系数CMZ=2MZ/(ρU2)/(B2L)。其中:FX,FY,FZ,MX,MY和MZ分别为体轴坐标系下车辆受到的纵向阻力、横向力、竖向升力、侧滚力矩、点头力矩、摇头力矩,力矩均简化到车厢中心处;S,H,B,L,ρ和U分别为列车横截面面积、列车高度、列车宽度、车厢长度、空气密度、横向风速。取列车内部空气静压与远场横向来流空气静压相同。列车六分力示意图如图9所示。列车六分力系数如表1。可以看出:在高速条件下列车六分力系数与横向风速平方的关系是非线性的。阻力系数随列车速度的增大而增大。列车速度增大引起头车横向力沿横风向增大,拖车横向力变化不大,尾车横向力沿逆横风向增大。列车速度增大引起头车、拖车、尾车升力增大。列车速度对列车侧滚力矩系数基本没有影响。列车速度增大引起列车点头力矩系数增大。列车速度增大引起头车、拖车、尾车摇头力矩沿顺横风向增加,对尾车的摇头力矩影响很大。总之,列车风对列车的阻力、横向力、升力、摇头力矩影响较大。列车风的作用使得整个列车产生一种向上提升和沿横风向摇头的作用。车桥耦合振动不考虑列车纵向力,故可以不考虑阻力系数影响。2.2.2列车风对桥梁气动力的影响定义桥梁每延米三分力系数:阻力系数CD=2FD/(ρU2H);升力系数CL=2FL/(ρU2B);力矩系数CM=2M/(ρU2B2)。其中:FD,FL和M分别为体轴坐标系下桥梁每延米的横向阻力、升力、力矩(简化到主梁截面形心);H,B,ρ和U分别为主梁梁高、主梁梁宽、空气密度、横向来流风速。桥梁三分力示意图如图10所示。桥梁每延米阻力系数、升力系数、力矩系数见图11~13。其中桥梁坐标x=0处对应列车车头最前端,列车尾部最后端对应桥梁坐标x=-66.72m,列车速度与桥梁坐标+x方向一致。从总体上看,在横向风作用下,列车风对桥梁气动力的影响表现为:拖车及以前区域桥梁气动阻力减小,尾车及以后区域桥梁气动阻力增大;桥梁气动升力基本上呈增大趋势,除头车前端及尾车附近部分区域外;拖车及以前区域桥梁气动力矩增大,尾车及以后区域桥梁气动力矩减小。由图7可以看出:由于列车风的影响在列车头部迎风侧挡风墙内侧上产生了很大的排挤作用,从而导致了列车头部位置桥梁阻力系数迅速减小;而在列车尾部由于列车风与横向风的共同作用迎风侧挡风墙附近存在一个很强的旋涡,导致了迎风侧挡风墙内侧的静压很低,于是列车尾部位置桥梁阻力系数迅速增大。同样的道理,可以解释桥梁升力、力矩系数的变化。3列车风的影响在横向风作用下,列车风对流场的影响主要表现在对列车表面附近、桥面、挡风墙