高速列车明线会车压力波研究

高速列车明线会车压力波研究

韩璐 李良杰 李志强

(中车唐山机车车辆有限公司，河北 唐山，063035)

摘要：本文对某高速列车进行了明线交会工况的数值计算，建立4编组列车计算模型和明线交会计算域。采用ICEM CFD进行网格划分，采用滑移网格方法模拟列车之间的相对运动，对列车进行了明线交会仿真计算。通过计算结果分析得到列车表面的压力波动情况，车体表面压力的变化规律及变化幅值。

关键词：列车 明线交会 滑移网格 表面压力

1前言

随着我国高速铁路的飞速发展，列车高速运行时引发的空气动力学问题日益突出，尤其当两列车交会时，两车之间的气流受到挤压，在列车表面产生很强的瞬态压力冲击，有可能会使车窗玻璃受气动冲击而损坏，如果压力波传入密封性不好的客室还可能导致乘客耳鸣、头晕等不适症状[1]。此外，各节车厢也会受到交变的气动作用力和力矩冲击，有可能引发列车横向、垂向振动以及蛇形运动，不但加剧了轮轨磨耗，影响列车安全、稳定运行，而且严重情况下甚至会产生列车脱轨、倾覆等重大的事故[2]。为了实现高速列车的安全、舒适、低能耗等要求，必须对列车交会过程气动特性进行深入细致的研究。

2计算模型

2.1几何模型

列车明线交会工况计算的模型采用4车编组，头车、尾车及2节中间车。车厢与车厢之间有内风挡连接装置，中间车长度为25m，风挡长度为0.65m，忽略了车体外部复杂结构细节，如受电弓、车门、车窗等。列车计算简化模型如图2-1所示。

图2-1 列车简化模型

头车简化模型如图2-2所示。

图2-2 头车简化模型

2.2计算区域

建立计算区域时，应该考虑到流场的充分发展以及气流的绕流影响，计算区域尺寸的取值应当足够大。理论上流场区域应该无限大，但实际上只能采用有限空间，计算区域越大，网格数量越大，从而导致计算速度降低。因此需要在保证精度的同时提高计算速度，通过建立多个计算区域进行计算比较，选取合适的计算区域，如图2-3所示。列车运行速度均为200km/h，线间距为5m，初始时刻，两列车相距100m。

图2-3 明线交会计算区域

2.3网格划分及边界条件

采用滑移网格方法模拟列车之间的相对运动，整个流场区域网格划分为移动部分和固定部分，其中列车周围网格以列车运行速度滑移，固定部分为外部流场区域，固定部分和移动部分的网格信息通过交界面（interface）来传递[3][4]，流场分区示意图如图2-4所示。

图2-4 列车交会流场分区示意图

如图2-4所示，外流场A、C为压力出口边界条件，侧面及顶面B为对称边界条件，交界处壁面D、E、F为滑移边界条件，交界面用“interface对”处理移动部分和静止部分。地面及车体表面按光滑壁面处理，给定无滑移边界条件，采用标准壁面函数模拟。

采用ICEM CFD网格划分工具对整个计算模型来划分网格，固定区域采用结构化网格进行网格划分，移动区域采用非结构化网格的方法。网格划分结果如图2-5~图2-7所示。

图2-5 头车及车钩网格划分               图2-6 外场网格划分

图2-7 转向架网格划分

2.4 测点布置

为了研究列车交会过程中车体表面压力的变化规律及变化幅值，分别在头车、尾车各取了20个测点，每节中间车取3个测点。如图2-8所示，图中只给出了头车和第一节中间车的测点布置情况，第二节中间车和尾车测点布置分别于第一节中间车和尾车相同。其中h表示头车，m1表示第一节中间车；h-m*表示头车车门位置（尾车相同），h-k*表示头车空调风口位置（其它车相同），m1-c表示第一节中间车车窗位置。

a) 头车和第一节中间车

b) 第二节中间车和尾车

图2-8 列车表面测点布置

图2-9 头车测点布置对照

3 列车表面压力波分析

在列车交会过程中，由于两列车相同，运动速度相同，测点位置相同，则相同测点位置压力变化情况也是相同的，因此这里只对列车Ⅰ表面测点压力进行分析即可。而由于交会侧压力波动较非交会侧大，因此只分析列车Ⅰ交会侧表面压力变化情况。

图3-1为列车交会时的压力分布情况。

图3-1 明线交会时列车表面压力分布

3.1 头车测点压力

列车Ⅰ头车各个测点压力波动情况如图3-2所示。

a) 头车车窗测点1b) 头车车窗测点2

c) 头车车门对应车窗测点d) 头车车门处测点

e) 头车空调风口处测点

图3-2 头车测点压力变化

根据图3-2，可以得到表3.1测点压力变化曲线的最大值、最小值和头波与尾波的峰-峰值。

表3.1 列车Ⅰ头车表面测点压力(单位：Pa）

根据图3-2和表3.1可知：同一测点的尾波峰-峰值较头波峰-峰值小；头车司机室车窗和司机室门的车窗测点压力最大值为负；司机室车窗压力最小值幅值最大；头车车窗压力最大值从前往后有增大趋势；每个上下客车门上的同一水平线上的测点压力值相差不大；对比同一纵向位置上下两个测点，下面测点压力变化比上面测点压力变化剧烈；靠近流线型处的空调风口压力值较远离流线型处的空调风口压力值小。

3.2 中间车测点压力

列车Ⅰ中间车各个测点压力波动情况如图3-3所示。

a) 第一节中间车测点b) 第二节中间车测点

图3-3 中间车测点压力变化

根据图3-3，可以得到表3.2测点压力变化曲线的最大值、最小值和头波与尾波的峰-峰值。

表3.2 列车Ⅰ中间车表面测点压力(单位：Pa）

根据图3-3和表3.2可知：同一测点的尾波峰-峰值较头波峰-峰值小；第一节中间车上两个空调风口压力变化情况相差不大，第二节中间车前面空调风口压力曲线在后面空调压力曲线上方，峰-峰值相差不大。第一节中间车车体测点压力最大值较第二节中间车大。

3.3 尾车测点压力

列车Ⅰ尾车各个测点压力波动情况如图3-4所示。

a) 尾车车窗测点1                  b) 尾车车窗测点2

c) 尾车车门对应车窗测点           d) 尾车车门处测点

e) 尾车空调风口处测点

图3-4 尾车测点压力变化

根据图3-4，可以得到表3.3测点压力变化曲线的最大值、最小值和头波与尾波的峰-峰值。

表3.3 列车Ⅰ尾车表面测点压力(单位：Pa）

根据图3-4和表3.3可以得到：同一测点的尾波峰-峰值较头波峰-峰值小；尾车司机室和司机室门的车窗测点压力最大值为负；司机室车窗压力最小值幅值最大；头车车窗压力最大值从前往后有减小趋势；每个上下客车门上的同一水平线上的两个测点压力值相差不大；对比同一纵向位置上下两个测点，下面测点压力变化比上面测点压力变化剧烈；靠近流线型处的空调风口压力值较远离流线型处的空调风口压力值小。

4结论

本文对某高速列车进行了明线交会工况的数值计算，通过计算结果分析得到列车表面的压力波动情况，车体表面压力的变化规律及变化幅值。

（1）头尾车司机室车窗和司机室门的车窗测点压力最大值为负。

（2）整列车空调风口位置压力值，从前往后先增大后减小（负峰值幅值先减小后增大）；尾车靠近车头空调位置压力最大值为负，即行驶过程中此处压力一直为负。

（3）同一上下客对开门车门上同一水平线上测点压力基本相同；压力从前往后先增大后减小（负峰值幅值先减小后增大）。

（4）车窗位置压力从前往后先增大后减小（负峰值幅值先减小后增大）。

参考文献：

1. 许乔奇.动车组外流场空气动力特性数值仿真[D].大连交通大学.2009.
2. 秦淼.高速列车空气动力学性能的研究[D].北京交通大学.2011.
3. 烯艳红,毛军,柳润东等.高速列车明线会车压力波波幅研究[J].华南理工大学学报.2016.
4. 李人宪,刘杰等.明线会车压力波幅变化规律研究[J].机械工程学报.2011.