动车组隧道等速交会转向架侧向力规律分析

伍志明

中车广东轨道交通车辆有限公司广东江门 529000

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摘要：本文基于动车组CRH2列车模型，采用滑移网格、数值计算研究等方法，利用Gambit软件建立带有转向架的动车组两车隧道等速交会的结构化-非结构化混合网格模型，再运用Fluent仿真计算软件模拟计算动车组在隧道内分别以160km/h、200km/h、250km/h、300km/h、350km/h等5种速度进行等速交会，并整理计算数据研究分动车组两车隧道等速交会时转向架的侧向力规律。

关键词：CRH2；隧道交会；转向架；侧向力

1.研究目的和意义

在高速列车交会时，其产生的列车空气动力学效应更为复杂，因为隧道内空间条件有限，使得隧道内被排挤的空气不能像明线会车那样形成绕流，从而产生相当大的压力瞬变，即压力波。当压力瞬变过大会危及列车的行车安全。而转向架作为铁道车辆的重要组成部分，其对列车交会压力波、气动力（矩）以及列车运行平稳性能的影响较大。而目前国内外对高速列车隧道空气动力学问题研究主要在压力波的问题上，对隧道等速交会下转向架侧向力研究较少，因此对动车组两车隧道等速交会时转向架的侧向力进行深入全面的研究就显得极为必要。

2.列车空气动力学的基本控制方程

本文研究共有5种不同的等速交会工况，分别是160km/h、200km/h、250km/h、300km/h、350km/h这5种速度在隧道内进行等速交会运行。模拟的隧道会车速度在160—350km/h之间，其流场雷诺数Re>106，因此认为隧道内流场处于湍流状态，同时在两列车交会时，相对速度超过320km/h，因此隧道内马赫数M>0.3。为了所有工况模拟计算得出的数据更具可比性，所有模拟交会过程均考虑空气的可压缩性。所以在建立动车组两车隧道等速交会数学模型时，要将流场设定为可压缩三维湍流瞬态流场，其控制方程为三维雷诺平均N-S方程，湍流模型设为k-e两方程模型。

综合国内外的列车空气动力学研究，CFD的数值模拟计算所得数据与实车试验的数据对比误差并不大，所以本文采用CFD数值模拟的方法来研究动车组两车隧道等速交会时转向架的气动载荷（侧向力）规律是可行的。

3.动车组等速隧道交会物理模型

高速列车是一个体积非常庞大的物体，其外形也是相当的复杂。由于计算机计算资源有限，在进行模拟数值计算时，且在确保计算结果准确度前提下，需要对列车模型进行简化。本文的研究对象为CRH2动车组模型，而该编组主要有4M4T或6M2T的8节车、8M8T的16节车的编组，列车长度可达数百米。在不影响研究对象的前提下，节省计算资源，减少计算量，将实际为8/16车编组的列车简化为头车+中间车+尾车3编组方式，这也是目前国内外相同问题研究中最常用的简化手段，视整列车为一个连续刚体。其中头车和尾车具有流线型，且外形和尺寸相同，长度尺寸约为25.7m，中间车尺寸为25m，总车长76.4m。

同时将车体外型简化，忽略门把手、车灯、受电弓等突出物，但底部转向架结构保留，认为车表面为光滑曲面、整车表面摩擦力相等。

计算模型中的隧道为截面100m2，线路为直线，不存在坡度，线间距5.0m。忽略隧道安全避洞、排水沟和轨道细部结构，隧道壁面和轨道面化简成具有一定表面粗糙度的表面。

本文采用的是单孔复线隧道，其长为300m，横断截面面积为100m3，线间距为5.0m，初始时刻两列车分别在隧道外两端距隧道口50m，相向而行进行会车，列车会车结束，出隧道距隧道口50m时终止计算。

在列车隧道会车问题中，观测列车、通过列车和隧道都一直处于相对运动的状态。针对这个问题，本文采用了滑移网格技术来解决这个问题。此时需要将计算区域分为两个部分，移动部分（小域）和固定部分。固定部分的主要为两列车在隧道外的外流场（大域）以及隧道内的内流场，对于两列车在隧道内交会的情况，移动部分又分为两个小域，小域主要是由列车附近周围流场和列车运行方向前后的流场区域组成。隧道外的外流场计算域（大域）的长宽高分别为300m、120m、60m，隧道内流场的计算域为截面100m3，长300m。

边界条件是数值分析中重要参数，是以实际情况为基础结合有限元技术的仿真模拟参量，是求解矩阵方程的前提。本文在Gambit软件中定义的边界主要有壁面（WALL）、交换面（INTERFACE）、压力入口（PRESSURE-INLET）、压力出口（PRESSURE-OUTLET）。具体的隧道中模拟列车交会的边界条件见下图3.6。

此外，在模型进行模拟仿真计算之前，还需要将模型进行离散化，即网格划分。本文研究模型是采用非结构化网格-结构化网格来离散的混合网格模型，只有包裹列车的那部分小域采用非结构网格来离散，其他部分均采用结构化网格来离散，整体模型网格数量达1100万，网格质量达到0.84，符合计算要求。

因本文模拟计算的5种速度工况所需的计算模型一致，且算法设置相同，所以在每种工况的模拟计算前只需对初始条件进行设置，即设置每种工况下动车组的运行速度。而边界条件的设置主要有壁面（WALL）、交换面（INTERFACE）、压力入口（PRESSURE-INLET）、压力出口（PRESSURE-OUTLET）。监测点的布置在动车组隧道等速交会模型的观测车一共设了32个监测点，其中头车和尾车各设置了有13个监测点，中间车设置了6个监测点；隧道内设置了5个等间距的监测点。

4动车组等速隧道交会下转向架的侧向力分析

动车组在列车转弯或有环境横向风时会受到水平方向的气动作用力（侧向力）。许多研究表明动车组在运行时所受到的气动作用力的大小与车速的平方成正比，随着车速的提高，低速运行时不成为问题的气动作用力在高速时就必须引起足够的重视。而动车组会车时还在原来的气动作用力的基础上产生一个扰动。而动车组在进入隧道时还会引起入口气动效应，导致隧道内气体压力产生波动。而转向架作为动车组运行的关键部件，其也会受到相应得到气动作用力（侧向力）作用。本文主要研究动车组在等速会车扰动影响和入口效应影响下转向架的气动作用力（侧向力）。

按观测车转向架所受侧向力最大值排序：zxj6>zxj1>zxj5>zxj2>zxj4>zxj3

按观测车转向架所受侧向力最小值排序：zxj5>zxj4>zxj6>zxj2>zxj3>zxj1