摘 要：離列車稍遠的區域，列車運動對這個區域空氣流場的影響趨于平穩，因此網格的尺寸可以適當的放大。根據離列車越遠流場就越平穩的原則，網格的尺寸應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算區域網格可以使得模擬計算在列車附近真實反映空氣動力特性，又嚴格的控制了網格的數量，從而減少了對計算機資源的占用，縮短了計算時間，提高了計算效率。

　　關鍵詞：高速列車,安全性,側風,數值模擬,側傾力矩,擋風墻,疏透度

　　近年來,因側向風導致的行車安全事故在世界各國時有發生,給人民生命財產造成嚴重威脅。僅在中國的新疆地區就曾經發生過大風吹翻列車13 次,總計翻車79 輛的風環境事故。在大風段鐵路迎風側修建擋風墻對列車安全運行有很好的防護效果。本文中借助計算流體軟件FLUENT 作為研究工具，針對不同疏透度的擋風墻結構，對側風環境中高速列車在有擋風墻保護下的空氣動力特性進行研究。希望能通過對問題進行的模擬研究，為高速列車處于特殊環境下安全運行提供依據，為改造高速列車的擋風墻積累數據，并為相關科研問題的試驗研究指引方向。

　　1 物理模型及計算方法

　　1.1 列車動力學模型

　　一列完整的列車由機車和許多節車輛組成，長度較長。本文將采用三節車的模型進行模擬，即整個列車模型由一節頭車、一節中間車和一節尾車組成。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、寬、高分別為75m、3.2m、3.2m。為了分析出高速列車中容易發生危險的部位，我們有針對的把頭車、中間車、尾車每大節都分成5 小節。每小節5m。共15 小節。進行細致化的分析可以得到細致化的結果。由于離車頭一定距離以后，列車中部的流場結構基本保持穩定，所以，縮短成三節的列車模型和完整列車模型相比，其流場的基本特征變化不大。這是目前國內外處理高速列車問題的常用簡化手段。

　　為了研究擋風墻對高速鐵路的防風效果，采用了使用最為廣泛的2.5m 高度，1m 寬度的L 型板式擋風墻，擋風墻在來風一側，擋風墻距離兩軌中心為3.5m。沿軌道方向擋風墻形狀、高度和位置均一致。

　　再把擋風墻每隔5m 留出來一個縫隙。通過改變縫隙的大小來控制擋風墻的疏透度。通過模擬計算找到最佳的疏透度，使列車運行最安全。

　　1.2 計算區域

　　本論文所選取的計算區域為：列車前部距計算區域長度達到125m，列車尾部距計算區域長度達到250m。區域總長450m(z 方向)。列車上部距計算區域高度達到30m，路堤高度為2m,列車底部與路堤之間狹縫為0.2m。區域總高度35.4m(y 方向)。列車兩側計算區域寬度都為30m。區域寬度為63.2m(x 方向)。此時，列車和周圍流場基本達到充分發展，計算區域更大時，計算結果改變很小。

　　1.3 計算網格

　　網格的劃分既要考慮到模擬計算收斂的時間、計算機計算能力的限制，又要充分考慮高速列車在擋風墻保護下強風環境中外流場特性模擬的準確性，根據高速列車在強風作用下外流場的特點，列車與擋風墻之間的空氣流場變化最為劇烈，這個區域和列車周圍的區域和擋風墻周圍區域是本次模擬研究主要關注的區域，因此這三個區域的網格要求最為嚴格。

　　根據以上原則，對列車與擋風墻周圍流場區域，單元線長度為0.25m，從靠近列車側向外側發散區域的單元線長度從0.25m 擴大至1m，直至模型最外側，單元線長度擴大至4m。整個計算區域的網格數約100 萬。

　　1.4 數學模型

　　高速列車和外流場中流體簡化為黏性、不可壓縮、定常、絕熱流體，對應的時均方程組包括：連續性方程、動量方程、k 方程、e 方程，這6 個方程和一系列壁面函數就構成了本次模擬計算完整的數學模型。

　　1.5 邊界條件

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

　　1：入口邊界條件：列車和側風合成速度人口;

　　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：地面與擋風墻邊界條件：相對列車的速度為反方向的列車運行速度。

　　2 計算結果分析

　　為便于分析列車受氣動力作用后的偏轉趨勢，對列車氣動力和氣動力矩在直角坐標系中進行分解，從頭車指向尾車方向為z 方向，豎直向上的從地面指向天空的方向為y 方向，水平面上與列車運行方向垂直的方向為x 方向。形成x 方向側向力、y 方向升浮力、z 方向阻力。為了研究側風對列車傾覆危險性的影響，對列車細分成的15 個小節的每一小節，都以背風側鋼軌的中點為原點，對列車的每一小節以各自的原點分別取矩。得到對x 軸的仰俯力矩、對y 軸的側偏力矩、對z 軸的側傾力矩。

　　x 方向側向力是影響列車運行安全的重要因素。該力越大，列車側向危險性越大。y 方向升浮力是影響列車穩定性的重要因素，該力越大，列車漂浮感越大，穩定性越小。z 方向阻力對列車運行安全影響較小。x 軸的仰俯力矩對列車的影響較小，因為列車重力較大，通過仰頭翻的可能性較小。y 軸的側偏力矩對列車稍有影響，它會導致列車因為扭頭出軌發生危險。z 軸的側傾力矩對列車影響最大。側傾力矩過大直接導致列車翻車。為了避免側傾力矩過大造成危險。應該對該項參數進行重點分析。