摘要： 為研究沙塵環(huán)境下高速列車明線運(yùn)行時(shí)的氣動(dòng)特性，基于剪切應(yīng)力傳輸模型SST k w雙方程湍流模型和拉格朗日離散相模型，與無沙環(huán)境下的高速列車氣動(dòng)特性進(jìn)行比較，計(jì)算分析不同沙粒濃度、不同車速下的高速列車氣動(dòng)特性。計(jì)算結(jié)果表明：沙塵環(huán)境下，當(dāng)車速一定時(shí)，列車整車氣動(dòng)阻力、頭車氣動(dòng)阻力、尾車氣動(dòng)阻力均隨沙粒濃度增加而逐漸增大，且與沙粒濃度近似呈線性關(guān)系;對(duì)于氣動(dòng)升力，當(dāng)車速一定時(shí)，頭車氣動(dòng)升力絕對(duì)值隨沙粒濃度的增加而增大，尾車氣動(dòng)升力隨車速的增加而降低。該研究成果可為高速列車在沙塵環(huán)境中的運(yùn)行安全提供理論參考。

　　關(guān)鍵詞： 高速列車; 沙粒濃度; 氣動(dòng)特性; 氣動(dòng)阻力; 氣動(dòng)升力

　　近幾年，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，國(guó)家加快鐵路網(wǎng)建設(shè)，驅(qū)動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)地協(xié)調(diào)發(fā)展。蘭新高鐵穿越我國(guó)西部高寒風(fēng)沙區(qū)域，由于蘭新高鐵線路的特殊性，列車途經(jīng)的百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)是內(nèi)陸大風(fēng)天氣頻發(fā)的地區(qū)之一，時(shí)常會(huì)引發(fā)大風(fēng)災(zāi)害性氣象[1 3] ，強(qiáng)風(fēng)地區(qū)大多缺少植被覆蓋，地表裸露，而風(fēng)速又往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于起沙風(fēng)速，因此地表的沙粒在大風(fēng)的作用下撞擊動(dòng)車組，使得高速列車的氣動(dòng)特性明顯變差[4] 。沙塵環(huán)境屬于多相流中的氣 固兩相流問題，多采用歐拉 歐拉模型和歐拉 拉格朗日模型進(jìn)行模擬計(jì)算。歐拉 歐拉模型主要描述兩相的運(yùn)動(dòng)，用于高濃度離散相的問題;歐拉 拉格朗日模型適用于離散相的體積分?jǐn)?shù)在10%～12%以下的問題[5] ，而且關(guān)注離散相的運(yùn)動(dòng)軌跡。C.Paz等人[6] 采用歐拉 拉格朗日方法研究了高速列車在沙塵環(huán)境中的運(yùn)行安全性;熊紅兵等人[7] 研究了沙塵暴環(huán)境下高速列車運(yùn)行時(shí)的氣動(dòng)特性;李田等人[8] 采用歐拉 歐拉方法研究了不同沙塵暴環(huán)境下高速列車的動(dòng)力學(xué)性能;倪守隆[9] 采用歐拉 歐拉方法研究確定了高速列車在沙塵暴環(huán)境下運(yùn)行的安全域;高琛光[10] 采用歐拉 拉格朗日方法研究了不同風(fēng)速、不同風(fēng)向、頭尾中間車設(shè)備艙的流動(dòng)特性。王洪濤等人[11] 通過實(shí)驗(yàn)研究了近地面的沙粒體積分?jǐn)?shù)隨高度的變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，即使是風(fēng)速很高，但在接近地面處，沙粒相所占的體積分?jǐn)?shù)也只是在10-4 量級(jí)，在很靠近沙床表面時(shí)，沙子的濃度隨風(fēng)速變化不大，沙粒在空氣中所占的體積分?jǐn)?shù)在10-4 量級(jí)以下，遠(yuǎn)小于10%，因此本文選用歐拉 拉格朗日模型進(jìn)行研究。經(jīng)過以上分析，目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于高速列車在沙塵環(huán)境下的空氣動(dòng)力學(xué)研究正處于起步階段，以往的研究所采用的沙粒濃度也相對(duì)較低，本文應(yīng)用歐拉 拉格朗日方法建立沙塵環(huán)境下高速列車空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，開展沙塵環(huán)境下高速列車的空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算，研究車速、沙粒濃度對(duì)高速列車空氣動(dòng)力學(xué)性能的影響。

　　1 計(jì)算模型

　　一般情況下，高速列車明線運(yùn)行時(shí)，其外部流場(chǎng)為不可壓縮的定常流[12 13] ，工程中的流場(chǎng)計(jì)算多是采用基于雷諾時(shí)均方法的湍流模型，因此，高速列車?yán)@流流場(chǎng)控制方程為定常不可壓縮雷諾時(shí)均Navier-Stokes方程，質(zhì)量以及動(dòng)量守恒方程分別為[14]

　　j xj =0 (1)

　　ρ j i xj =- xi + ij xj + xj -ρu′i u′j -Mi (2)

　　式中， j為氣流速度在j方向的時(shí)間平均值;xj為j方向的坐標(biāo)，ρ為氣體密度;ui為i方向氣流的速度;xi為i方向的坐標(biāo);p為壓強(qiáng);u′i 為i方向氣體湍流脈動(dòng)速度;ui 為氣流速度在i方向的時(shí)間平均值;uj為j方向氣流的速度;u′j 為j方向氣體湍流脈動(dòng)速度; 為氣體壓力的時(shí)間平均值; ij 為黏性應(yīng)力張量的時(shí)間平均值;-ρu′i u′j 為雷諾應(yīng)力;Mi為相間動(dòng)量交換第i個(gè)分量。

　　本文研究高速列車在沙塵環(huán)境中運(yùn)行所引起的空氣流動(dòng)屬于湍流流動(dòng)，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)湍流模型多種多樣，本文選取的剪切應(yīng)力傳輸模型(shear stress transfer，SST)廣泛應(yīng)用于在高速列車的空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算中[15 18] ，具有比較高的精度，其表達(dá)式為

　　κ i xi = xj Γκ κ xj +Gκ-Yκ (3)

　　ρ ω i xi = xj Γω ω xj +Gω-Yω+Dω (4)

　　式中，Γκ和Γω、Yκ和Yω分別為κ和ω的擴(kuò)散率和湍流耗散項(xiàng);Gκ為κ的湍流生成項(xiàng);Gω為ω的湍流生成項(xiàng);Dω為交叉擴(kuò)散項(xiàng)。

　　應(yīng)用歐拉 拉格朗日方法建模時(shí)，假設(shè)沙粒是球形的，且不會(huì)發(fā)生變形，只考慮空氣阻力和重力的作用，沙粒之間的相互作用不予考慮，在歐拉 拉格朗日參考框架下，沙粒運(yùn)動(dòng)方程為

　　duΡi dt = 18μ ρΡ d2Ρ cReΡ 24 ui -uΡi + gi ρΡ -ρ ρΡ (5)

　　式中，uΡi 為沙粒速度第i個(gè)分量;t為時(shí)間;μ為動(dòng)力黏度;ρΡ為沙粒密度;dΡ為沙粒粒徑;c為沙粒曳力系數(shù);ReΡ為相對(duì)雷諾數(shù);gi為重力加速度第i個(gè)分量。

　　2 數(shù)值模型及邊界條件設(shè)定

　　2.1 計(jì)算區(qū)域及邊界條件

　　依照中國(guó)鐵路某高速列車(china railway high-speed，CRH)的幾何外形，建立高速列車三維幾何模型，采用頭車 中間車 尾車構(gòu)成的3節(jié)車編組模型，其中頭車26.5 m，中間車25 m，尾車26.5 m，整車78 m，寬

　　3.38 m，高3.7 m。對(duì)列車進(jìn)行簡(jiǎn)化，保留擋風(fēng)板，忽略轉(zhuǎn)向架、門把手、受電弓等細(xì)部特征[19] 。本文CFD計(jì)算是模擬風(fēng)洞吹風(fēng)的方式，在計(jì)算域流場(chǎng)中，假設(shè)列車靜止不動(dòng)，在列車前側(cè)計(jì)算域入口設(shè)置大小等于速，方向與車速相反的來流風(fēng)速，沙塵入射面選為計(jì)算區(qū)域前端入口。連續(xù)相邊界條件為：列車前側(cè)計(jì)算區(qū)域設(shè)置為速度入口，列車后側(cè)計(jì)算區(qū)域設(shè)置為壓力出口，計(jì)算區(qū)域底面及列車表面采用無滑移壁面條件。離散相邊界條件為：地面邊界條件設(shè)置為trap，列車壁面邊界條件設(shè)置為reflect，入口和出口邊界條件均設(shè)置為escape。沙塵環(huán)境計(jì)算區(qū)域及邊界條件如圖1所示，列車鼻尖距離計(jì)算域左側(cè)為110 m，距離計(jì)算域右側(cè)為290 m。

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