摘 要：離列車稍遠(yuǎn)的區(qū)域，列車運(yùn)動(dòng)對(duì)這個(gè)區(qū)域空氣流場(chǎng)的影響趨于平穩(wěn)，因此網(wǎng)格的尺寸可以適當(dāng)?shù)姆糯蟆８鶕?jù)離列車越遠(yuǎn)流場(chǎng)就越平穩(wěn)的原則，網(wǎng)格的尺寸應(yīng)該隨與列車距離的增大而逐漸增大。這種由密逐漸變疏的計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格可以使得模擬計(jì)算在列車附近真實(shí)反映空氣動(dòng)力特性，又嚴(yán)格的控制了網(wǎng)格的數(shù)量，從而減少了對(duì)計(jì)算機(jī)資源的占用，縮短了計(jì)算時(shí)間，提高了計(jì)算效率。

　　關(guān)鍵詞：高速列車,安全性,側(cè)風(fēng),數(shù)值模擬,側(cè)傾力矩,擋風(fēng)墻,疏透度

　　近年來(lái),因側(cè)向風(fēng)導(dǎo)致的行車安全事故在世界各國(guó)時(shí)有發(fā)生,給人民生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅。僅在中國(guó)的新疆地區(qū)就曾經(jīng)發(fā)生過(guò)大風(fēng)吹翻列車13 次,總計(jì)翻車79 輛的風(fēng)環(huán)境事故。在大風(fēng)段鐵路迎風(fēng)側(cè)修建擋風(fēng)墻對(duì)列車安全運(yùn)行有很好的防護(hù)效果。本文中借助計(jì)算流體軟件FLUENT 作為研究工具，針對(duì)不同疏透度的擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)，對(duì)側(cè)風(fēng)環(huán)境中高速列車在有擋風(fēng)墻保護(hù)下的空氣動(dòng)力特性進(jìn)行研究。希望能通過(guò)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行的模擬研究，為高速列車處于特殊環(huán)境下安全運(yùn)行提供依據(jù)，為改造高速列車的擋風(fēng)墻積累數(shù)據(jù)，并為相關(guān)科研問(wèn)題的試驗(yàn)研究指引方向。

　　1 物理模型及計(jì)算方法

　　1.1 列車動(dòng)力學(xué)模型

　　一列完整的列車由機(jī)車和許多節(jié)車輛組成，長(zhǎng)度較長(zhǎng)。本文將采用三節(jié)車的模型進(jìn)行模擬，即整個(gè)列車模型由一節(jié)頭車、一節(jié)中間車和一節(jié)尾車組成。頭車和尾車具有一樣的外形，本文列車模型由頭車(25m)+中間車(25m)+尾車 (25m)組成，列車長(zhǎng)、寬、高分別為75m、3.2m、3.2m。為了分析出高速列車中容易發(fā)生危險(xiǎn)的部位，我們有針對(duì)的把頭車、中間車、尾車每大節(jié)都分成5 小節(jié)。每小節(jié)5m。共15 小節(jié)。進(jìn)行細(xì)致化的分析可以得到細(xì)致化的結(jié)果。由于離車頭一定距離以后，列車中部的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)基本保持穩(wěn)定，所以，縮短成三節(jié)的列車模型和完整列車模型相比，其流場(chǎng)的基本特征變化不大。這是目前國(guó)內(nèi)外處理高速列車問(wèn)題的常用簡(jiǎn)化手段。

　　為了研究擋風(fēng)墻對(duì)高速鐵路的防風(fēng)效果，采用了使用最為廣泛的2.5m 高度，1m 寬度的L 型板式擋風(fēng)墻，擋風(fēng)墻在來(lái)風(fēng)一側(cè)，擋風(fēng)墻距離兩軌中心為3.5m。沿軌道方向擋風(fēng)墻形狀、高度和位置均一致。

　　再把擋風(fēng)墻每隔5m 留出來(lái)一個(gè)縫隙。通過(guò)改變縫隙的大小來(lái)控制擋風(fēng)墻的疏透度。通過(guò)模擬計(jì)算找到最佳的疏透度，使列車運(yùn)行最安全。

　　1.2 計(jì)算區(qū)域

　　本論文所選取的計(jì)算區(qū)域?yàn)椋毫熊嚽安烤嘤?jì)算區(qū)域長(zhǎng)度達(dá)到125m，列車尾部距計(jì)算區(qū)域長(zhǎng)度達(dá)到250m。區(qū)域總長(zhǎng)450m(z 方向)。列車上部距計(jì)算區(qū)域高度達(dá)到30m，路堤高度為2m,列車底部與路堤之間狹縫為0.2m。區(qū)域總高度35.4m(y 方向)。列車兩側(cè)計(jì)算區(qū)域?qū)挾榷紴?0m。區(qū)域?qū)挾葹?3.2m(x 方向)。此時(shí)，列車和周圍流場(chǎng)基本達(dá)到充分發(fā)展，計(jì)算區(qū)域更大時(shí)，計(jì)算結(jié)果改變很小。

　　1.3 計(jì)算網(wǎng)格

　　網(wǎng)格的劃分既要考慮到模擬計(jì)算收斂的時(shí)間、計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的限制，又要充分考慮高速列車在擋風(fēng)墻保護(hù)下強(qiáng)風(fēng)環(huán)境中外流場(chǎng)特性模擬的準(zhǔn)確性，根據(jù)高速列車在強(qiáng)風(fēng)作用下外流場(chǎng)的特點(diǎn)，列車與擋風(fēng)墻之間的空氣流場(chǎng)變化最為劇烈，這個(gè)區(qū)域和列車周圍的區(qū)域和擋風(fēng)墻周圍區(qū)域是本次模擬研究主要關(guān)注的區(qū)域，因此這三個(gè)區(qū)域的網(wǎng)格要求最為嚴(yán)格。

　　根據(jù)以上原則，對(duì)列車與擋風(fēng)墻周圍流場(chǎng)區(qū)域，單元線長(zhǎng)度為0.25m，從靠近列車側(cè)向外側(cè)發(fā)散區(qū)域的單元線長(zhǎng)度從0.25m 擴(kuò)大至1m，直至模型最外側(cè)，單元線長(zhǎng)度擴(kuò)大至4m。整個(gè)計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)約100 萬(wàn)。

　　1.4 數(shù)學(xué)模型

　　高速列車和外流場(chǎng)中流體簡(jiǎn)化為黏性、不可壓縮、定常、絕熱流體，對(duì)應(yīng)的時(shí)均方程組包括：連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、k 方程、e 方程，這6 個(gè)方程和一系列壁面函數(shù)就構(gòu)成了本次模擬計(jì)算完整的數(shù)學(xué)模型。

　　1.5 邊界條件

　　模擬計(jì)算中，設(shè)定列車是靜止不動(dòng)的，入口風(fēng)速采用合成風(fēng)。合成風(fēng)是列車速度與風(fēng)速矢量的疊加。由于在不同風(fēng)向角下，相同車速和風(fēng)速的合成速度并不相同，即車輛受到的氣動(dòng)力不僅與列車運(yùn)行速度、環(huán)境風(fēng)速度有關(guān)，還與環(huán)境風(fēng)的風(fēng)向角有關(guān)。側(cè)風(fēng)與火車運(yùn)行方向之間的風(fēng)向角α 分別取0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°，105°，120°，135°，150°，165°，180°。外來(lái)風(fēng)速分別取10m/s，20 m/s，30 m/s 和40 m/s 四種情況。40m/s 的風(fēng)速基本達(dá)到自然風(fēng)速的最大值。列車運(yùn)行速度選定為75 m/s(270 公里每小時(shí))。邊界條件設(shè)定為：

　　1：入口邊界條件：列車和側(cè)風(fēng)合成速度人口;

　　2：出口邊界條件：自由出流;

　　3：列車表面邊界條件：固體壁面邊界;

　　4：地面與擋風(fēng)墻邊界條件：相對(duì)列車的速度為反方向的列車運(yùn)行速度。

　　2 計(jì)算結(jié)果分析

　　為便于分析列車受氣動(dòng)力作用后的偏轉(zhuǎn)趨勢(shì)，對(duì)列車氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩在直角坐標(biāo)系中進(jìn)行分解，從頭車指向尾車方向?yàn)閦 方向，豎直向上的從地面指向天空的方向?yàn)閥 方向，水平面上與列車運(yùn)行方向垂直的方向?yàn)閤 方向。形成x 方向側(cè)向力、y 方向升浮力、z 方向阻力。為了研究側(cè)風(fēng)對(duì)列車傾覆危險(xiǎn)性的影響，對(duì)列車細(xì)分成的15 個(gè)小節(jié)的每一小節(jié)，都以背風(fēng)側(cè)鋼軌的中點(diǎn)為原點(diǎn)，對(duì)列車的每一小節(jié)以各自的原點(diǎn)分別取矩。得到對(duì)x 軸的仰俯力矩、對(duì)y 軸的側(cè)偏力矩、對(duì)z 軸的側(cè)傾力矩。

　　x 方向側(cè)向力是影響列車運(yùn)行安全的重要因素。該力越大，列車側(cè)向危險(xiǎn)性越大。y 方向升浮力是影響列車穩(wěn)定性的重要因素，該力越大，列車漂浮感越大，穩(wěn)定性越小。z 方向阻力對(duì)列車運(yùn)行安全影響較小。x 軸的仰俯力矩對(duì)列車的影響較小，因?yàn)榱熊囍亓^大，通過(guò)仰頭翻的可能性較小。y 軸的側(cè)偏力矩對(duì)列車稍有影響，它會(huì)導(dǎo)致列車因?yàn)榕ゎ^出軌發(fā)生危險(xiǎn)。z 軸的側(cè)傾力矩對(duì)列車影響最大。側(cè)傾力矩過(guò)大直接導(dǎo)致列車翻車。為了避免側(cè)傾力矩過(guò)大造成危險(xiǎn)。應(yīng)該對(duì)該項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行重點(diǎn)分析。