高架桥影响高速列车气动特性的数值模拟分析.pdf

高架桥影响高速列车 气动特性的数值模拟分析 罗建斌 广西工学院汽车工程 系，讲师，广 西 柳 州，5 4 5 0 0 6 胡爱军 河南理工大学机械与动力工程 学院，讲 师，河南 焦作 ，4 5 4 0 0 0 摘要 高架桥结构在 高速铁路建设 中被大 量采用。开展行驶在高架桥上的高速列车空 气动力特性研 究，对保证列车运行的安全、 舒适 、环保具有重要 意义。采用计算流体 力 学方法 ，对双线高架桥 因高度 变化影响列车 的 气动特 性 进行 数 值研 究，通过 合理 划 分 网 格 、选取 合 适 的湍 流模 型 、设 置正确 的边界 条件提 高数值计算精度。 关键词 双 线高架桥 ；高速列车；横 向风； 气动特性 ；数值计算 0 引言 现 代 高速铁 路建设 中 ，常采 用高 架桥 结构⋯。行驶 在高架 桥上 的高速列 车与行驶 在平地上 相 比 ，其 气动特 性存在 差异 。此外 ，高架桥 的高度变化 也会影 响高速列 车 的空 气动力 特性 。高速列车 空气动力 特性研究 的常用 方法 有理 论计 箅 币 物理 实验 2 种 。理 论计 算包 括解 析求 解 、数 值模拟 ；物理 实验包括 风洞实验 、动模 型实验及 实 车测试 。解析 求解计算 具有一 定的复杂性 ，而物理 实 验研究耗 资大 、费时且 易 南支验设 备和人 为因素 引起 实 验误 差 。 随着现代计算科学的快速发展 ，数值模拟方法逐渐 成为研究行驶在高架桥上的高速列车气动特性的一种重 要 手段 。数值 模拟计算 具有 费用 低 、周期 短 、便 于模拟 真 实环境 、描述流场细节和给 出流场定量结果 等优 点 对 双 线 高 架 桥 高 度 变 化 对 高 速 列 车 气 动 特 性 的 影 响 进行 数 值模 拟 分 析 。数 值模 拟 中 ，列 车 运 行速 度 V t 2 0 0 k m ／ h 5 5 ． 5 6m ／ s ，横 向风 速 2 0m ／ s ，合 成 速 度 5 9 ． 0 5 m ／ s ，合 成 风 向角 为 1 9 ． 8 。 ，雷诺 数 月e 1 ． 4 5 8 e 7 以列 车 高度 作 为 特 征长 度 ，马赫 数 Ma O ． 1 7 3 5 ，并 考虑 以下5 种不 同高架桥 高度 H 5 ． 0 、 1 0． 0、 l 5． 0、2 0． 0、25 ． 0m 。 1 数值模拟计算 一 般行驶 在高架桥 上 的高速 列车空气 外流场 可简化 为 黏性 、不 可压缩 、绝 热 、三维 定常流动 系统 ，利用相 应 的边界条件 ，即可求得 整个 流场的数值解 。 1 ． 1 计 算模型 数值 模拟 时 ，为节 省计算资 源 ，常需 简化细 长体列 基金 项 目河南省教 育厅 自然科 学研 究计划 2 0 1 1 A 4 6 0 0 0 6 。 一 5 0 ． 毫 苎 C HI NE S ER A／ L WAY S 2 01 2 ／ 0 1 高架桥影响高速列车 气动特性的数值模拟分析 罗建斌 等 车模 型。 当气 流流过车 头一定距离 后 ，截 面形状不 变的 巾间列车 的绕流边 界层结构 已趋于 稳定 ，其气 动力变化 也 趋于稳定 。因此 ，常将列 车计算模 型简化 为头车 、f f 1 间车和尾 车 的 车连挂型式 ，并忽 略底部转 向架 、顶部 受 电 弓和两 牟连 接风挡 等复杂结构 。通过参 数化建模 方 法 建立 高速 列车C A D 模 型 】 ，参 考相关 文献 建立 双线 高 架 桥C A D 模 型 0 。高架桥及 高速列 车C AD 模 型见 图 1 。 声屏 障高度为3 ． 0 iD - ，高速列 车 中心线距左右 声屏障分 别 为3 ． 7 m和8 ． 7 m。 1 ． 2 计 算区域和计算网格 采用 矩形 计算 区域 和直 角坐 标 系统 见 图2。全 部划分六面体 网格 ，网格总数达4 6 0 多万。过车体对称 横截 面流 场的计 算 网格见图3 。 1 ． 3 计 算边界条件设 置 设定 合理 的边 界条件 对精确模 拟高速列 车气动 特性 非 常 重要 。数值 计算 中 ，AB C D面和 B C GF 面 均设 置为 速 度 入 口，EF GH面和ADHE面设置 为 压 力出 口 。底 面 A B F E、高 架桥 设置 为移 动 的壁面边 界 条件 ，车体 设为 无 滑移的壁 面边界 条件 。因所选 计算 区域 在高度 方 向足 够大 ，顶 面的存 在基本 上不会对 流场产 生干扰和 影响 ， 因此顶面 C DHG 设 置为对称边界 。 图1 高架桥及高速列车C A D 模型 a 阻力系数变化 图2 计算域及坐标系 图3 过车体对称横截面的计算网格 选 用R e a l i z a b l e 七 一s 高 雷诺数 湍流模 型 ，近壁 处理 采用非 平衡壁面 函数法 ，压力 速度耦合采用 S I MP L E C 算 法 J 。为 了同时兼顾 数值计 箅 的稳定性 和收敛性 要求 ， 首先将 松弛 因子适 当调小 ，动量方程 、湍动能方程 、湍 动耗散率方 程采用一 阶迎J x L 格式 ，迭代几百 步待 计箅稳 定后 ，再换用精度更高 的二 阶迎风格式 。 2 计算结果分析 2 ． 1 气动六分 力变化规律 图4 为不 同高架 桥 高度 的阻 力系数 、侧 向力 系数 、 升力系数 的变化 。可 见 ，随着高架 桥高度 的增加 ，头车 负阻力先减 小 ，当高架桥 高度 l O ． 0 11 1 以后 基本不变 ， 中间车阻 力系数变化很小 ，对高架桥 高度变化不 敏感 ， CH| N E SE R A／ l _ WAY S 2 o ’ 2 ， o 乏 。 b 侧向力系数变化 c 升力系数变化 图4 不 同高架桥高度的系数变化一 一 5 l一 由图9 a可 以看 出 车体 上下 的压 差 ，即升 力变 化 。对 于不 同高架 桥高度 ，头车 、尾 车对整 车升力 的贡 献 量远远 大于 中间车 。由图9 h可 以看 出车体前后 的 压差 ，即阻力变化 。 5 ． 0 、1 5 ． 0 、2 5 ． 0 m时 ，车体 前后 压差积分面积基本 相当 ，阻力也相 当。 图 1 0 为 不 同高 架桥 高 度 时过 车 体 鼻尖 点 水平 截 面 z 1 ． 0 5 m 处 的静压 系数 。 a 沿 方向 b 沿 方向 图1 0 过鼻尖点车体水平截 fz --I ． 0 5 m处的静压系数 由图1 o N 以看 f } J 车体水 平截 面的表面压力 分布 ，反 映 车体前后 、左有压差 即阻力 和侧 向力的变化 。南冈 1 O a可 以看 出车 体表 面侧 向力 的变 化 。对于 不 同高架 桥高度 ，头车 、尾车对 整车侧 向力的贡献 量远远大 于 中 问车 。 南冈 l 0 h可 以看 出车体阻 力 的变化 。对 于不 同高架 桥高度 ，车体前 后压差积 分面积基本 相 当 ，阻力 也相当 。 ．． 5 4 ． ． 3 结论 高架桥的高度变化会对行驶在高架桥上的高速列 空气动 力特性产 生影响 。数值 模拟结 果表 明，当高架桥 高度达 到 1 5 m后 ，头 车 、中间车和尾 车的侧 向力系数 和 侧翻力 矩系数对 高架桥高度 变化不敏感 ，随着 高架桥 高 度增加 而变化平缓 。头 车 、中间车及 尾车 的负 升力系数 随高架 桥高度 的增加而逐渐 减小 。研 究结果具 有一定 的 应用价值 ，可为以后的高速铁路建设提供参考。 参考文献 [ 1 ]盛兴 旺 ，李松报 ，李 志 国． 京 沪高速铁路 简支箱梁 结 构 参 数 与 构 造 优 选 [ J 】 ． 长 沙铁 道 学 院 学报 ， 2 0 0 5 ，2 1 3 1 3 [ 2 ]王福 军 ． 计算流体 动力学分析【 M ] ． 北京 清 华大学 出版社 ，2 0 0 6 [ 5 ]L u o J i a n b in ，Y a n g Z h ig a n g ．E f f e c t o f d o u b l e l in e v ia d u c t n o is e b a r r ie r h e i g h t o n a e r o d y n a mic c h a r a c t e r is t i c s o f h ig h s p e e d t r a i n [ C ] ／ ／ 2 0 1 1 I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n C o n s u m e r E l e c t r o n i c s ． C o mmu n i c a t io n s a n d N e t w o r k s ． X i a n n i n g I E E E C o mp u t e r S o c i e t y． 2 01 1 ． V o l 0 2 1 1 9 O 一 1 1 9 3 [ 4 】S P i n d a d o ，J M e s e g u e r ，S F r a n c h i n i ．T h e in f l u e n c e o f t h e s e c t io n s h a p e o f b o x g ir d e r d e c k s O i l t h e s t e a d y a e r o d y n a mi c ya wi n g mo me n t o f d o u b l e c a n t i l e v e r b r i d g e s u n d e r c o n s t r u c t io n [ J ] ． J o u r n a l o f W i n d E n g i n e e r in g a n d I n d u s t r i a l A e r o d y n a mic s ， 2 00 5， 95 5 47 -5 5 5 [ 5 ]J B e t t le ，A G L H o l lo w a y ，J E S V e n a r t ．A c o m p u t a t io n a l s t u d y o f t h e a e r o d y n a m i c f o r c e s a c t in g o n a t r a c t o r --t r a i l o r v e h i c le 0 1 1 a b r i d g e i n c r o s s --w i n d [ J ] ． J o u r n a l o f Wi n d En g i n e e r i n g a n d I n d u s t r i a l Ae r o d y n a mi c s ， 2 0 0 3， 9 1 575 59 2 [ 6 ] 罗建斌 ，杨志 刚 ． 高架桥 声屏 障 高度对 高速列 车 气 动特 性影 响【 J 】 ． 计算 机辅 助 工程 ，2 01 1 ，2 0 5 6 1 O 责任 编辑高红义 收稿 日期 2 0 1 1 1 1 -0 9 二 烹；cH | ～ E sER A／ L WAY s 2 01 2 ／ 0 1