路况场景对高速铁路列车气动力特性影响规律研究

左太辉，何旭辉，邹云峰

(1.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2.高速铁路建造技术国家工程实验室，湖南 长沙 410075)

横风下高速铁路列车气动力是列车行车安全研究的重要前提，与在平地路面上行驶不同，由于路堤、高架桥干扰造成列车表面绕流形式改变，导致列车气动力显著改变，横风效应更加突出，大大增加列车脱轨、倾覆的可能性。因此，研究路况情景对列车气动力影响，探索其风荷载作用规律和机理，对优化高速铁路列车线路布置形式，提高列车行车安全性至关重要。国内外学者通过实车测试、风洞试验和计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)对列车气动力特性开展广泛的研究，得出了一些有价值的成果[1-2]。

文献[3-4]在实际列车表面布置有规则的测压孔，通过电子扫描阀全程记录列车在不同地段时列车表面风压力值，获得不同风速和风向下列车气动力，为列车行车安全性研究提供重要资料和参考。文献[5-7]针对简支梁桥和CRH2高速铁路列车，研究车-桥组合下桥梁和列车气动力特性，讨论风环境参数对列车临界风速的影响，分析来流风速、来流风向、列车运行速度等与列车气动力之间的关系，并利用烟线法进行列车气动干扰机理研究，结论指出雷诺数对车-桥气动力影响有限，复线轨道列车布置形式和风偏角等参数对车桥气动力影响显著。李永乐等[8]利用交叉滑槽系统，研究车-桥组合下桥梁截面参数对列车和桥梁气动力影响，获得车-桥气动力随桥梁截面的变化规律。文献[9-10]采用三维动网格技术对列车在强横风作用下运行状态进行模拟，分析列车位于平地、高架桥、路堑和路堤等下部路况场景下的气动力和气动力矩，结论发现列车位于高架桥上气动力及力矩最大，位于路堑上最小，路堤高度低于20 m时，客车气动力随路堤高度的增加而增大。谭深根[11]针对路堤上高速铁路列车进行数值模拟计算，分析横风作用下列车周围流场结构，研究列车表面漩涡数量和漩涡起始位置随路堤高度的变化规律。

Baker等[12]对列车分别进行实测和风洞试验研究，获得列车气动力和气动导纳函数，结果表明风洞试验和实测结果吻合较好，同时指出风洞试验中应该充分模拟实际地貌粗糙度以保证结果的真实性和准确性。Bocciolone等[13]对比不同路况场景下静止和运动的列车气动力，结果表明运动状态和静止气动力差别不大，采用静止列车进行试验研究是可行的。Cheil等[14]通过风洞试验，研究ETR500列车位于不同路况场景的气动力差异，发现来流风偏角较小时，列车位于路堤和平地上气动力差别不大，均远小于列车位于高架桥上。Tomasini等[15]通过风洞试验，讨论路堤布置形式对列车气动力影响，发现车头前方路堤长度和坡度对列车气动力影响较小。Schober等[16]研究了横风作用下ICE3列车在平地、有道砟与轨道的平地、路堤三种路况下的气动力系数，发现横风对列车的气动作用不仅与列车外形有关，还和下部路况场景有很大的关系，应考虑下部路况场景对高速列车的气动力的影响。

综上所述，作为列车行车安全性研究的基础和前提，国内外学者对列车气动力开展相关研究，取得了诸多成果，并指出路况场景等对列车气动性能显著影响。然而，受试验技术及设备的限制，已有的研究较多采用测力模型风洞试验获得列车气动力，利用CFD数值模拟得到列车表面流场分布，能够考虑列车气动外形、风场参数和线路布置形式影响，但是还没有通过试验深入研究路况场景对列车表面风压及气动力特性影响规律及机理。本文通过风洞测压模型试验，以ICE3高速铁路列车头车为背景，给出不同路况场景(平地、路堤和高架桥)下，列车表面风压分布和气动力特性变化规律；基于粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry，PIV)展现列车模型周围的流场特性，并据此分析3种路况场景对列车气动特性影响机理。所得结论可为高速铁路列车行车安全性研究提供数据参考。

1 刚性模型测压风洞试验

1.1 试验概况及数据处理方法

刚性模型测压试验在中南大学“高速铁路建造技术国家工程实验室”风洞实验室进行，试验段截面尺寸为3 m×3 m×15 m。考虑到阻塞率和试验雷诺数的要求，模型的几何缩尺比为1∶25。已有研究表明[12]，列车头尾车的气动力变化剧烈程度远大于中车，基于此，本文对气动力变化剧烈的头车开展研究。在列车表面17个截面共布置334个测压孔，头车模型长度为L，车头10个截面距离鼻尖分别为0.01L、0.03L、0.06L、0.09L、0.10L、0.12L、0.13L、0.16L、0.22L、0.28L，车身7个截面距离鼻尖分别为0.35L、0.43L、0.53L、0.62L、0.72L、0.83L、0.95L，测点布置见图1。

图1 列车车头模型测点布置

风压测量采用美国Scanivalue公司的DSM3400电子压力扫描阀系统。每个测点采集10 000个数据，采样频率为312.5 Hz。为消除风压信号途经测压管路系统产生的畸变，采用测压管路系统的传递函数对风压数据修正。

对各测压孔测试的风压时程Pi进行无量纲处理，得到风压系数Cpi为

(1)

式中：P0为无穷远处参考点的总压；P∞为无穷远处参考点静压；i为测压点。

对考虑权属面积的风压时程积分可以得到列车气动力；侧力FD是列车前后表面压力差的面积分；升力FL是列车上下表面压力差的面积分；升力与侧力的合力作用点与列车形心不一致时，会产生倾覆力矩M，倾覆力矩中心选为两轮轨接触点中心。气动力可用无量纲系数为

(2)

式中：CD、CL、CM分别为风轴坐标系下的列车侧力系数、升力系数、力矩系数；U为来流风速，m/s；ρ为空气密度，取ρ=1.225 kg/m3；H、B、L分别为列车的高度、宽度、长度，m。

试验工况见表1和图2。考虑列车位于平地(1 m高标准化道砟轨道)、路堤和高架桥3种路况场景，各路况比较了列车位于迎风侧轨道和背风侧轨道区别。试验流场为均匀流场，紊流度小于0.5%，来流方向为垂直列车前进方向(横风向)，试验风速约为10 m/s，对应雷诺数约为1×105，试验最大阻塞比不超过5%。

表1 试验工况

图2 路况场景与列车组合形式

3 列车气动力系数及表面风压

3.1 列车气动力系数结果分析

3种工况下列车气动力系数见表2。由表2可见，工况3列车侧力系数明显大于另外两种工况，且当列车位于迎风侧轨道时，这种差异更为显著；升力系数的变化规律则相反：工况3列车升力系数小于另外两种工况，且仍是列车位于迎风侧轨道时差异更明显。力矩系数是升力系数和侧力系数综合影响的结果，无明显的规律性。此外，除工况1外，列车位于迎风侧轨道时的侧力系数明显大于列车位于背风侧轨道的工况，可见列车在背风侧轨道运行时更为安全，这是因为桥梁和路堤的干扰造成前方来流加速，改变了列车表面绕流。

表2 路况场景对气动力和力矩的影响

沿列车展向各截面气动力系数变化规律见图3和图4。由图3和图4可知，车头的圆弧形截面导致车头气动力系数变化比较剧烈，随着与鼻尖距离的增大，截面逐渐钝化，来流分离点固定，气动力系数趋向平稳。

图3 沿列车展向各截面气动力和力矩变化曲线(迎风侧轨道)

图4 沿列车展向各截面气动力和力矩系数变化曲线(背风侧轨道)

3.2 列车表面平均风压系数结果分析

列车四个典型截面(x/L=0.01、0.03、0.16、0.53)的平均风压系数Cp分布见图5和图6。由图5和图6可知：由于漩涡列车头鼻尖处脱落，导致车头部分出现较强的负压；随着截面的钝化，车身迎风面出现小于1.0的正压；在列车的迎风面顶部前缘，漩涡分离造成极大负压，局部位置负压小于-4.0；由于处于尾流漩涡分离区，列车背风面为负压；列车背风面和底面负压都比较均匀，由于顶面流场能自由发展而底部受到限制，列车顶面负压大于底面。相比而言，工况3中列车迎风前缘弧顶处极值负压绝对值大于工况1和工况2，但列车顶面和底面的负压均小于工况1和工况2。由于迎风前缘的负压是影响列车侧力的主要因素，顶面和底面负压主要影响升力，故工况3侧力系数大于工况1和工况2，但是其升力系数小于另外两种工况(见表2)。当列车位于背风侧轨道时，由于路堤和桥梁的干扰，列车迎风面顶部弧角极值负压小于列车位于轨道迎风侧工况。

图5 列车表面平均风压系数(迎风侧轨道)

图6 列车表面平均风压系数(背风侧轨道)

4 列车风荷载作用机理研究

4.1 PIV试验

为研究路况场景对列车气动力特性的影响机理，通过PIV试验，观察列车模型周围的绕流并量化流场特性。PIV试验在中南大学开口直流式小型风洞中完成，风洞横截面尺寸为0.45 m×0.45 m×1 m，试验风速为10 m/s。模型几何缩尺比为1∶120。PIV试验装置主要由双脉冲激光器、CCD相机、同步器和软件处理系统组成。通过调节相机和激光器的位置，获得列车不同截面位置尾部流场信息。所拍摄照片像素为2 560×2 160，采样频率为5 Hz，采样时长为40 s。本文所给出的流场特性均为对200张照片进行平均化处理后的结果。

4.2 迎风侧轨道列车流场特性分析

根据文献[17-18]的研究结果，列车迎风侧和顶面剪切层较薄，在列车迎风前缘和顶部不容易观察到漩涡。限于文章篇幅，本文仅对列车背面流场进行分析。列车位于轨道迎风侧时，3.2节中所述四个典型截面后部YZ平面内的速度云图和速度流线见图7。根据图7可以得出结论：

图7 迎风侧列车模型后部YZ平面内速度云图

(1)由于车头截面尺寸较小，尚未达到分离再附的条件，故其后部未形成明显漩涡。车身后部形成有规律的旋涡脱落，且距离车头鼻尖位置越远，列车后部漩涡尺寸及其影响范围越大，涡核更靠近列车表面。这即从机理上解释了“车身负压绝对值大于车头”的现象，也导致车身侧力系数大于车头，这与文献 [19]的研究结论吻合，即横风作用下列车背面尾流旋涡的大小和位置影响了列车表面负压分布。

(2)由于车下高架桥和路堤的干扰，工况2和工况3中列车车头位置出现了小尺寸漩涡，车身截面出现类似于卡门涡街的旋涡脱落。相比而言，高架桥的干扰效应更明显，导致工况3中列车背面旋涡结构更显著，出现周期交替脱落的对涡，且涡核更靠近列车表面。工况1和工况2尾流旋涡形状和大小差别不大。

(3)尾流旋涡是影响列车表面负压的关键因素，流场对涡的出现导致工况3列车侧力系数明显大于工况1和工况2，验证了刚性测压风洞试验结果的可靠性，也从机理上解释了前文的结论：工况1和工况2列车表面风压系数和气动力系数差别较小，但与工况的3差别较明显。

4.3 背风侧轨道列车流场特性分析

列车位于轨道背风侧时，四个典型截面后部YZ平面内的速度云图和速度流线见图8。由图8可见，流场结构变化规律和列车位于轨道迎风侧时基本一致：随着截面逐渐钝化，尾流漩涡越来越明显，车身位置后部可以观测到比较明显的尾流旋涡。工况3中的旋涡较工况1和工况2更为显著，且涡核更接近车身表面。

图8 背风侧列车模型后部YZ平面内速度云图

与列车位于轨道迎风侧的工况对比，主要差异如下：①列车背面旋涡尺寸比迎风侧工况小，尤其是工况3，旋涡结构形式与迎风侧工况差异较大，未形成周期交替脱落的旋涡；②涡核距离列车表面更远，造成了列车背面抽吸作用减弱，背风面风吸力减小，从机理上解释了背风侧工况的极值负压和气动侧力系数小于迎风侧工况的原因。这是因为列车位于轨道背风侧时，来流前方路堤和桥梁的干扰作用使得列车浸没在桥梁和路堤自身的回流区内，这对列车顶部和上方来流分离造成影响，减弱了列车平面流场分离与再附作用。

5 结论

本文通过模型风洞测压试验和PIV粒子成像技术，研究下部场景工况对列车表面气动力特性和风荷载的影响规律及其作用机理。所得主要结论如下：

(1)关于列车气动力特性，当列车位于高架桥上时，侧力系数大于平地和路堤工况，但升力系数小于另外两种路况场景，列车在高架桥上运行的不安全性大于另外两种路况场景；双线轨道上迎风侧轨道列车的侧力系数明显大于轨道背风侧列车；列车车头气动力系数变化剧烈程度大于车身。

(2)关于列车表面风压分布特性，由于三维流场效应和截面尺寸影响，车头靠近鼻尖处几乎没有正压，列车背风面、顶面和底面均为负压区域，迎风前缘顶部弧形分离点处出现极值负压区域；不同路况场景下，列车位于高架桥上时的负压极值绝对值大于另外两种路况，导致车桥组合工况下的气动力特性和其他工况差别明显。

(3)关于风荷载作用机理，列车背风面形成的漩涡可能是影响列车表面负压的关键因素，由于桥梁绕流的干扰效应，列车背面形成尺寸较大的对涡，导致高架桥干扰下的列车表面极值负压和侧力系数大于其他下部结构工况组合形式；路堤和平地路况列车背面漩涡差别并不明显。