列車在風區運行空氣動力學性能研究

喬英俊，何德華 ，陳厚嫦,吳寧

(1.中國工程院戰略咨詢中心，北京 100088； 2.中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京 100081)

0 引言

新疆是世界上鐵路風災最嚴重的地區之一.既有入疆鐵路于2013年新建成通車的蘭新二線均途經新疆大風頻發區段，其中蘭新二線是時速200 km/h以上的高速鐵路，線路通過的風區包括安西風區、三十里風區、煙墩風區、百里風區、達坂城風區等，這些地區地形地貌條件特殊，多為戈壁形成的風口結構，氣流經風口風速增大，形成大風區域，在大風區域內大風頻繁，風力強勁且風向較固定，部分區段年均大于8級大風天氣達到208天，最大風速60 m/s，相當于17級風[1- 4].如此頻繁和強勁的大風對列車特別是高速開行的動車組產生很大的影響，在大風區段鐵路頻遭大風襲擊而中斷運輸的情況數不勝數，因大風引起的晚點、停運所導致的巨大損失更是無法計算.目前，我國列車在大風區域的運行遵循以下原則，一方面為了保證運營安全規定列車在極端天氣下采取不同程度的限速甚至停輪；另一方面為了滿足旅客出行需要提出少限速、少停輪的運營目標.鐵路運營部門對極端大風條件動車組運行特別是高速運行的研究還處于起步階段，缺乏對列車大風條件下運行狀況的數據支撐研究.本文通過理論計算和實車試驗相結合的方式，采用理論計算對列車在橫風下的流場狀態進行數值模擬，對比了路堤條件下有、無擋風結構時動車組的外流場；采用實車測試，測試了列車在風區運行不同工況下的氣動載荷變化情況，探究了列車風區運行的氣動效應變化規律，對測試結果進行了對比分析.對列車風區穩定、持續、安全運行提供了有效的指導建議[5- 6].

1 動車組橫風條件下運行流場仿真分析

1.1 橫風條件下列車空氣動力學仿真模型

高速行駛的列車會使周圍的空氣(流場)受到強烈擾動，隨著列車運行速度的不斷提高流場擾動也不斷增強，在強橫風的作用下，列車所處的氣動環境將變得更加復雜，列車運行安全及穩定性將受到嚴重影響[3].因此為確保高速列車在橫風作用下的運行安全，研究高速列車氣動性能非常重要.

本文采用動車組的三節車模型，考慮轉向架和導流板等細部結構，建立幾何模型.三節車計算模型中，頭車、中間車和尾車分別包括了1/2，1，1/2的車廂連接部分.路堤和橋梁工況模型均按蘭新二線百里風區最高防風設施設置，其中路堤高10.89 m，設有單側擋風墻，高度為4 m.橋梁為槽型橋，雙側設有擋風屏，擋風屏高度3.5 m，并有開孔.分別建立計算模型，交會計算的幾何模型與動車組在路堤上運行的基本上一樣，只是在被風軌側增加了一列動車組，模型見圖1.

圖1 單側擋風墻下動車組交會計算模型

采用相對運動條件模擬列車附近的外流場.設定列車靜止，地面移動，空氣來流以及與列車運行速度反向等值的速度繞流列車，橫風以與列車成90°的方向吹向列車，主流方向空氣來流的速度為車速.試驗工況選擇了路堤有、無擋風墻兩種條件下，列車以不同風速和不同車速運行時的空氣動力學流場進行計算.

1.2 典型工況列車外流場分析

由于動車組所受空氣作用力由列車周圍流場產生，列車周圍的流場分布情況直接影響列車各個部分氣動載荷的大小，而且列車尾流結構反映了全車各部分分離狀態和相互作用的綜合效果，包含了車身繞流的大量信息，因此需要對列車周圍流場進行研究.本文以車速250 km/h、風速為20 m/s時的流場為例，對路堤有擋風墻結構和無擋風墻結構進行了對比分析，分別見圖2、圖3.

圖2 路堤無防風結構的流場

圖3 路堤有防風結構的流場

通過設置不同車速、不同風速，對路堤工況下有無擋風墻結構進行數值模擬，得到如下規律：

(1)在橫風的作用下，不同擋風結構下列車風風場的渦流結構差異明顯.在橫風作用下，原有的邊界層流動和尾流被破壞，在列車與擋風墻背后出現了大尺度渦.并且，沿車身向后，在不同斷面上，各漩渦的起始位置在高度方向上呈底部、中部和頂部交替變化，轉向架處的渦流更是復雜;

(2)在橫風的作用下，有無擋風墻對列車表面的壓力分布具有重要影響.無擋風墻時，在列車的迎風側，最大正壓區位于頭車鼻尖處，車身大部分區域為正壓，壓力值沿著列車的高度方向逐漸減小，并在尾車處出現負壓；在列車的背風側，頭車出現大面積的負壓區，車身基本為負壓，壓力值沿著列車的高度方向變化不大，僅在尾車處出現正壓.有擋風墻時，壓力分布隨著橫風而變化，非常復雜，可能出現迎風側比背風側壓力更低的情況;

(3)在橫風的作用下，有、無擋風結構，列車受到的氣動載荷差異明顯，相同車速和風速下，路堤有擋風墻好于路堤無擋風墻.

2 動車組在大風條件下運行試驗研究

2.1 動車組大風科學試驗介紹

中國鐵道科學研究院于蘭新二線開通前后先后組織了10次大風科學試驗，對動車組在百里風區強風條件下運行性能進行了多次試驗，獲取了在不同地形條件、不同車速、不通風速下的列車受到橫向氣動載荷及橫向加速度數據.數據分析中選擇最能表征大風影響的車體兩側壓差參數(氣動橫向力)作為主要分析對象，以動力學橫向加速度為輔助分析參數.實時測量取得動車組在不同運行環境及橫風條件下關鍵性能指標，探索動車組運行速度—風速風向—空氣動力學-動力學性能間的關系，總結不同地段環境風對動車組產生氣動橫向力-橫向動力學參數的影響規律，為動車組在大風環境下的運行安全性評估方法的制定提供基礎數據.

2.2 實車測試方法

試驗期間，兩側壓差通過車載測試系統實時監測動車組車體各部位的空氣壓力，車外測點主要布置在頭車司機室側窗、變截面以及車體中部氣流變化不大的區域，氣動橫向力通過兩側對稱位置的壓力直接計算實時獲取.車體加速度信號通過安裝在車體地板以及側墻的橫向加速度傳感器進行監測，實時獲取車體橫向振動加速度信號.

自然風速和角度利用車載風速儀裝置(見圖4)測得，通過時空同步系統與地面遠方來流風速建立關系，以進一步對比分析車載風速以及遠方來流風速與車輛氣動橫向力的相關性.

圖4 大風試驗用車載風速儀及安裝位置

2.3 風速對列車氣動性能的影響

環境風風速對列車氣動性能的影響比較復雜，是風速與車速矢量疊加之后的結果.實車試驗中風速分布較廣，為最低限度降低風向角、地形、防風設施等因素對氣動橫向力帶來的影響，分析選取列車運行速度相近且運行方向相同的數據進行，風速與兩側壓差最大正值和最大負值散點及其擬合曲線如圖5所示.

(a) 正值

(b) 負值

從列車兩側壓差隨車速的變化散點圖可以看出，由于大風具有脈動性強的特點，風速瞬時變化很快，氣動橫向力在不同速度大風下的氣動橫向力分布比較散亂，高速運行中強風在列車車體的載荷變化劇烈.但整體上，兩側壓差隨風速變化趨勢明顯，兩側壓差的最大值隨風速增大而增大，最大負值也隨風速的增大而增大.在橫風風速30 m/s以上時，兩側壓差(幅值)可達6 000 Pa以上，影響列車安全運行.

2.4 不同地形條件下列車兩側壓差變化

在實車試驗中，重點分析列車通過不同的線路地形及過渡段類型時兩側壓差的變化情況，以此評估不同擋風設施防風效果.圖6～圖9分別為列車通過防風明洞、路堤擋風墻、隧道以及路塹和路堤過渡段過程中兩側壓差的變化曲線.

圖6 列車通過防風明洞時兩側壓差變化

圖7 列車通過路堤擋風墻時兩側壓差變化

圖8 列車通過隧道時兩側壓差變化

圖9 列車通過過渡段時兩側壓差變化

從上圖中可以看出列車在通過防風明洞、路堤擋風墻、隧道過程中兩側壓差變化明顯減小，尤其是在防風明洞和隧道內時兩側壓差值接近零，說明隧道和防風明洞具有非常好的防風效果，能夠有效的降低大風對列車運行氣動橫向力影響.特別的，由圖7可以看出，在路堤工況下，有無擋風墻結構，列車的兩側壓差數值顯著不同，在有擋風墻的情況下，兩側壓差明顯較小，這也佐證了數值計算的結論.綜合四種工況下，在列車通過路塹與路堤交替變化區域(稱為過渡段)時，由于地形地貌復雜造成動車組外部流場變化較大，導致動車組所受兩側壓差發生劇烈變化，會對列車運行產生顯著的影響，下一節對此做深入分析.

3 列車通過風區過渡段的氣動性能

通過上節兩側壓差實時數據的監測發現，列車在大風作用下通過某些特定的區段時，兩側壓差產生較大程度的突變，突變的同時便隨著列車的晃車現象，通過在同一區段多次往返試驗比對發現，兩側壓差突變跟晃車現象均與列車運行里程具有相關性，即主要分布在路肩-塹頂過渡段之中.盡管由于環境風風速和風向的不穩定性，導致壓差變化幅值和其出現位置以及晃車幅度有所變化，但由于地面設施位置固定，監測結果證明晃車點的位置具有很高的重復性.

3.1 列車通過過渡段氣動橫向力變化情況

為深入分析風區過渡段氣動力突變情況的規律，選取大風試驗過程中動車組運行氣動力突變的地段，各區段的氣動力突變地段統計如圖10所示.

測試結果表明，多個過渡段兩側壓差(橫向力)短時間內突然變向，即由負變正或由正變負，這對車輛的晃動影響較大.突變點主要出現在不同防風設施過渡地段，尤其是路塹進、出口.當動車組通過過渡段時，由于邊界條件的突然變化，導致外部流場發生突然變化，從而引起了兩側壓差的突變，由上圖可以看出，列車在大風條件下駛過連續過渡段時，會產生1 000～3 000 Pa的兩側壓差變化，致使列車產生晃車現象.

圖10 列車通過連續過渡段時兩側壓差變化

3.2 列車通過過渡段車體橫向加速度變化情況

針對車體振動的典型特征，在車體地板橫向中部位置和側墻垂向高1.7 m位置分別安裝了橫向加速度傳感器.圖11和圖12分別為通過過渡段時地板橫向加速度和側墻橫向加速度散點圖，圖中加速度的單位為重力加速度單位g，1g=9.81 m/s2.試驗顯示，側墻橫向加速度明顯大于底板面的橫向加速度，整體上側墻橫向加速度為車體地板面的橫向加速度的1.5倍左右，說明車體下心滾擺明顯.

圖11 車體地板面橫向加速度散點圖

圖12 車體側墻橫向加速度散點圖

從上圖列車橫向加速度測試數據可以看出，列車在橫風條件下運行時，隨著運行速度的提高，車體的加速度值不斷增加，在橫風下側墻的加速度明顯大于地板.與過渡段的兩側壓差數據進行比較，橫向加速度變化與兩側壓差變化也基本一致，說明測試結果正確.

4 擋風設施過渡段工程補強效果分析

為了減小列車通過過渡段的兩側壓差突變，鐵路部門對部分防風過渡段的進行了補強施工，主要措施為對過渡段的路堤部分進行挖方、路塹擋風墻進行加高及延長等.為對比分析防風設施補強前后的效果，選取了進行工程補強措施的9處典型過渡段區域進行對比，列車以相同速度(180 km/h)同方向通過這9處過渡段區域的兩側壓差對比情況見圖13.

圖13 過渡段工程補強前后兩側壓差比較

由補強前后兩側壓差對比變化可以看出，經過工程補強措施后過渡段的列車空氣動力學性能(兩側壓差)均得到了不同程度的改善，普遍的兩側壓差均比補強前減小30%～80%，其中兩側壓差最大減小為84.89%，工程補強效果明顯.

5 結論

本文從分別用數值計算和實車測試的方法對列車在風區運行的氣動性能進行了研究，得到如下結論：

(1)目前對大風條件下列車運行的仿真計算研究較多，多從動力學及安全性能方面開展研究，但是缺乏實際大風條件下動車組開行狀況的邊界條件，尚未建立符合實際情況的風區動車組運行研究的理論及實體模型進行系統研究;

(2)列車在橫風的作用下，不同擋風結構下列車風風場的渦流結構和列車表面的壓力分布均差異明顯.在橫風的作用下，有、無或不同擋風結構，列車受到的氣動載荷差異明顯，相同車速和風速下，路堤有擋風墻好于路堤無擋風墻;

(3)風區鐵路設置防風明洞、隧道、路堤擋風墻對抵御風害具有非常好效果，通過擋風設施時列車受兩側壓差變化明顯減小，尤其是在防風明洞和隧道內時兩側壓差值接近零，說明擋風設施能夠有效的降低大風對列車運行的影響;

(4)風區過渡段對列車運行過程中的氣動橫向力影響很大，風區過渡段是動車組在大風區段運行的影響敏感區段，應重點考慮風區過渡段的防風、擋風設施布置;

(5)經過工程補強后列車通過過渡段的兩側壓差明顯減小，實驗數據顯示可減小30%～80%，此結論具有很好的理論應用價值和意義，建議對蘭新全線風區過渡段進行摸底排查并進行工程補強以增強線路的抵御風害能力.

[1]馬淑紅,馬韞娟.我國高鐵強風災害對策研究[J].中國科技信息(交通運輸版),2013(4):97- 99.

[2]賈國裕. 蘭新鐵路大風災害及其對策[J].路基工程,2008(2):195- 197.

[3]李瑩.蘭新線百里風區不同型式擋風墻防風效果評估[J].鐵道技術監督,2012(1):34- 37.

[4]中國鐵道科學研究院.動車組大風科學試驗報告[R].北京：中國鐵道科學研究院，2015.

[5]許自強,何德華,于衛東.大風工況動車組運行速度限值研究[J].鐵道機車車輛,2016(1):39- 43.

[6]何德華. 350 km/h高速動車組空氣動力學仿真研究[D]. 北京:中國鐵道科學研究院,2011.

[7]米希偉,魯寨軍,鐘睦.大風條件下動車組滾擺振動特性研究[J].鐵道與工程學報,2016(5):807- 811.

[8]田紅旗.列車空氣動力學[M].北京：中國鐵道出版社,2007.