不同风向角和不同风速下高速列车空气动力特性研究

1 物理模型及计算方法

1.3 计算网格从列车网格可以看出,由该软件划分出的网格规则、整齐。且网格疏密变化完全符合列车外形的变化规律,用之进行数值计算得出的结果具有相当的准确度✎。由于离列车越远流场越平稳，远离列车区域的空间网格应该较大，既减少网格数量又不会降低计算的精度，这部分采用非结构化网格。

1.4 数学模型高速列车和外流场中流体简化为黏性、不可压缩、定常、绝热流体，对应的时均方程组包括：连续性方程、动量方程、k方程、e方程，这6个方程和一系列壁面函数就构成了本次模拟计算完整的数学模型。

入口边界条件：列车风和侧风速度人口；

出口边界条件：自由出流；

列车表面边界条件：固体壁面边界；▼

地面边界条件：用列车底面和地面间的狭缝来模拟☁列车底✯部结构对流场的影响。

2 计算结果分析为便于分析列车受气动力作用后的偏转趋势,对列车气动力和气动力矩在直角坐标系中进行分解，列车前进方向为z方向，从地面指向天空的方向为y方向，水平面上与列车运行方向垂直的方向为x方向。形成x方向侧向力、y方向升浮力、z方向阻力。为了研究侧风对列车倾覆危险性的影响，通常以作用在背风侧钢轨的中点为原点，对列车的15小段每一小段以各自的原点分别取矩。得到对x轴的仰俯力矩、对y轴的侧偏力矩、对z轴的侧倾力矩。

在风速为40米每秒时，列车受到的x方向的侧向力如图6。x轴为列车的第1小段到第15小段，y轴为每小段的受力的值，风向角为0度到180度。任一风向角均有第1小段所受力最大，从车头到车尾方向侧向力逐渐减小，到第15小段时，侧向力为正值。这是由于在风场中列车与风共同作用下形成漩涡造成的。列车气动力随风向角的变化为：风向角由0度增大到75度时，侧向力逐渐增大，75度时达到最大，从75度到180度时，侧向力逐渐减小。

3 结论应用标准k-ε 湍流模型计算了高速列车的空气动力学性能,在不同风速和风向角情况下,通过对高速列车在侧风作用下的气动性能进行计算与分析,可以得到如下结论:

（1）列车头部、尾部受力变化较大,车身受力变化较为平缓。随风速的增大,头车侧偏力矩远大于中间车和尾车。因此, 进一步提高列车运行速度时, 应更加注重头车的气动性能研究。

（2）在一定风速下, 尾车可能受到与头车、中间车方向相反的侧向力和侧偏力矩, 但此侧偏力矩和侧向力数值较小,对尾车的运行安全影响相对较小。

（3）侧风使列车的受力分布变得不对称,随着风向角的增加这种不对称更加明显。风向角的改变对这种变化影❅响很大。列车上的侧向力和侧倾力矩的绝对值随风向角的增加而迅速增大。当风向角达到一定值时,列车侧向力和侧倾力矩的绝对值达到最大值,即出现拐点,拐点一般在75°≤α ≤90°之间,此后,侧向力和侧倾力矩的绝对值随风向角的增加而减小。

（4）风速降低时,列车运行安全性增高。

（5）侧风引起的所有载荷中, 侧倾力矩和侧向力对列车运行安全性影响最为明显,这在列车车辆结构设计中可以考虑增加相应的结构或装置,以减小该因素对列车运行安全的影响。其他载荷如抬升浮力、侧偏力矩和仰俯力矩等,对列车运行安全也有一定的影响。这些都将为高速列车空气动力性能的研究提供强有力支持。