乔英俊，何德华 ，陈厚嫦,吴宁

(1.中国工程院战略咨询中心，北京 100088； 2.中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京 100081)

0 引言

新疆是世界上铁路风灾最严重的地区之一.既有入疆铁路于2013年新建成通车的兰新二线均途经新疆大风频发区段，其中兰新二线是时速200 km/h以上的高速铁路，线路通过的风区包括安西风区、三十里风区、烟墩风区、百里风区、达坂城风区等，这些地区地形地貌条件特殊，多为戈壁形成的风口结构，气流经风口风速增大，形成大风区域，在大风区域内大风频繁，风力强劲且风向较固定，部分区段年均大于8级大风天气达到208天，最大风速60 m/s，相当于17级风[1- 4].如此频繁和强劲的大风对列车特别是高速开行的动车组产生很大的影响，在大风区段铁路频遭大风袭击而中断运输的情况数不胜数，因大风引起的晚点、停运所导致的巨大损失更是无法计算.目前，我国列车在大风区域的运行遵循以下原则，一方面为了保证运营安全规定列车在极端天气下采取不同程度的限速甚至停轮；另一方面为了满足旅客出行需要提出少限速、少停轮的运营目标.铁路运营部门对极端大风条件动车组运行特别是高速运行的研究还处于起步阶段，缺乏对列车大风条件下运行状况的数据支撑研究.本文通过理论计算和实车试验相结合的方式，采用理论计算对列车在横风下的流场状态进行数值模拟，对比了路堤条件下有、无挡风结构时动车组的外流场；采用实车测试，测试了列车在风区运行不同工况下的气动载荷变化情况，探究了列车风区运行的气动效应变化规律，对测试结果进行了对比分析.对列车风区稳定、持续、安全运行提供了有效的指导建议[5- 6].

1 动车组横风条件下运行流场仿真分析

1.1 横风条件下列车空气动力学仿真模型

高速行驶的列车会使周围的空气(流场)受到强烈扰动，随着列车运行速度的不断提高流场扰动也不断增强，在强横风的作用下，列车所处的气动环境将变得更加复杂，列车运行安全及稳定性将受到严重影响[3].因此为确保高速列车在横风作用下的运行安全，研究高速列车气动性能非常重要.

本文采用动车组的三节车模型，考虑转向架和导流板等细部结构，建立几何模型.三节车计算模型中，头车、中间车和尾车分别包括了1/2，1，1/2的车厢连接部分.路堤和桥梁工况模型均按兰新二线百里风区最高防风设施设置，其中路堤高10.89 m，设有单侧挡风墙，高度为4 m.桥梁为槽型桥，双侧设有挡风屏，挡风屏高度3.5 m，并有开孔.分别建立计算模型，交会计算的几何模型与动车组在路堤上运行的基本上一样，只是在被风轨侧增加了一列动车组，模型见图1.

图1 单侧挡风墙下动车组交会计算模型

采用相对运动条件模拟列车附近的外流场.设定列车静止，地面移动，空气来流以及与列车运行速度反向等值的速度绕流列车，横风以与列车成90°的方向吹向列车，主流方向空气来流的速度为车速.试验工况选择了路堤有、无挡风墙两种条件下，列车以不同风速和不同车速运行时的空气动力学流场进行计算.

1.2 典型工况列车外流场分析

由于动车组所受空气作用力由列车周围流场产生，列车周围的流场分布情况直接影响列车各个部分气动载荷的大小，而且列车尾流结构反映了全车各部分分离状态和相互作用的综合效果，包含了车身绕流的大量信息，因此需要对列车周围流场进行研究.本文以车速250 km/h、风速为20 m/s时的流场为例，对路堤有挡风墙结构和无挡风墙结构进行了对比分析，分别见图2、图3.

图2 路堤无防风结构的流场

图3 路堤有防风结构的流场

通过设置不同车速、不同风速，对路堤工况下有无挡风墙结构进行数值模拟，得到如下规律：

(1)在横风的作用下，不同挡风结构下列车风风场的涡流结构差异明显.在横风作用下，原有的边界层流动和尾流被破坏，在列车与挡风墙背后出现了大尺度涡.并且，沿车身向后，在不同断面上，各漩涡的起始位置在高度方向上呈底部、中部和顶部交替变化，转向架处的涡流更是复杂;

(2)在横风的作用下，有无挡风墙对列车表面的压力分布具有重要影响.无挡风墙时，在列车的迎风侧，最大正压区位于头车鼻尖处，车身大部分区域为正压，压力值沿着列车的高度方向逐渐减小，并在尾车处出现负压；在列车的背风侧，头车出现大面积的负压区，车身基本为负压，压力值沿着列车的高度方向变化不大，仅在尾车处出现正压.有挡风墙时，压力分布随着横风而变化，非常复杂，可能出现迎风侧比背风侧压力更低的情况;

(3)在横风的作用下，有、无挡风结构，列车受到的气动载荷差异明显，相同车速和风速下，路堤有挡风墙好于路堤无挡风墙.

2 动车组在大风条件下运行试验研究

2.1 动车组大风科学试验介绍

中国铁道科学研究院于兰新二线开通前后先后组织了10次大风科学试验，对动车组在百里风区强风条件下运行性能进行了多次试验，获取了在不同地形条件、不同车速、不通风速下的列车受到横向气动载荷及横向加速度数据.数据分析中选择最能表征大风影响的车体两侧压差参数(气动横向力)作为主要分析对象，以动力学横向加速度为辅助分析参数.实时测量取得动车组在不同运行环境及横风条件下关键性能指标，探索动车组运行速度—风速风向—空气动力学-动力学性能间的关系，总结不同地段环境风对动车组产生气动横向力-横向动力学参数的影响规律，为动车组在大风环境下的运行安全性评估方法的制定提供基础数据.

2.2 实车测试方法

试验期间，两侧压差通过车载测试系统实时监测动车组车体各部位的空气压力，车外测点主要布置在头车司机室侧窗、变截面以及车体中部气流变化不大的区域，气动横向力通过两侧对称位置的压力直接计算实时获取.车体加速度信号通过安装在车体地板以及侧墙的横向加速度传感器进行监测，实时获取车体横向振动加速度信号.

自然风速和角度利用车载风速仪装置(见图4)测得，通过时空同步系统与地面远方来流风速建立关系，以进一步对比分析车载风速以及远方来流风速与车辆气动横向力的相关性.

图4 大风试验用车载风速仪及安装位置

2.3 风速对列车气动性能的影响

环境风风速对列车气动性能的影响比较复杂，是风速与车速矢量叠加之后的结果.实车试验中风速分布较广，为最低限度降低风向角、地形、防风设施等因素对气动横向力带来的影响，分析选取列车运行速度相近且运行方向相同的数据进行，风速与两侧压差最大正值和最大负值散点及其拟合曲线如图5所示.

(a) 正值

(b) 负值

从列车两侧压差随车速的变化散点图可以看出，由于大风具有脉动性强的特点，风速瞬时变化很快，气动横向力在不同速度大风下的气动横向力分布比较散乱，高速运行中强风在列车车体的载荷变化剧烈.但整体上，两侧压差随风速变化趋势明显，两侧压差的最大值随风速增大而增大，最大负值也随风速的增大而增大.在横风风速30 m/s以上时，两侧压差(幅值)可达6 000 Pa以上，影响列车安全运行.

2.4 不同地形条件下列车两侧压差变化

在实车试验中，重点分析列车通过不同的线路地形及过渡段类型时两侧压差的变化情况，以此评估不同挡风设施防风效果.图6～图9分别为列车通过防风明洞、路堤挡风墙、隧道以及路堑和路堤过渡段过程中两侧压差的变化曲线.

图6 列车通过防风明洞时两侧压差变化

图7 列车通过路堤挡风墙时两侧压差变化

图8 列车通过隧道时两侧压差变化

图9 列车通过过渡段时两侧压差变化

从上图中可以看出列车在通过防风明洞、路堤挡风墙、隧道过程中两侧压差变化明显减小，尤其是在防风明洞和隧道内时两侧压差值接近零，说明隧道和防风明洞具有非常好的防风效果，能够有效的降低大风对列车运行气动横向力影响.特别的，由图7可以看出，在路堤工况下，有无挡风墙结构，列车的两侧压差数值显著不同，在有挡风墙的情况下，两侧压差明显较小，这也佐证了数值计算的结论.综合四种工况下，在列车通过路堑与路堤交替变化区域(称为过渡段)时，由于地形地貌复杂造成动车组外部流场变化较大，导致动车组所受两侧压差发生剧烈变化，会对列车运行产生显著的影响，下一节对此做深入分析.

3 列车通过风区过渡段的气动性能

通过上节两侧压差实时数据的监测发现，列车在大风作用下通过某些特定的区段时，两侧压差产生较大程度的突变，突变的同时便随着列车的晃车现象，通过在同一区段多次往返试验比对发现，两侧压差突变跟晃车现象均与列车运行里程具有相关性，即主要分布在路肩-堑顶过渡段之中.尽管由于环境风风速和风向的不稳定性，导致压差变化幅值和其出现位置以及晃车幅度有所变化，但由于地面设施位置固定，监测结果证明晃车点的位置具有很高的重复性.

3.1 列车通过过渡段气动横向力变化情况

为深入分析风区过渡段气动力突变情况的规律，选取大风试验过程中动车组运行气动力突变的地段，各区段的气动力突变地段统计如图10所示.

测试结果表明，多个过渡段两侧压差(横向力)短时间内突然变向，即由负变正或由正变负，这对车辆的晃动影响较大.突变点主要出现在不同防风设施过渡地段，尤其是路堑进、出口.当动车组通过过渡段时，由于边界条件的突然变化，导致外部流场发生突然变化，从而引起了两侧压差的突变，由上图可以看出，列车在大风条件下驶过连续过渡段时，会产生1 000～3 000 Pa的两侧压差变化，致使列车产生晃车现象.

图10 列车通过连续过渡段时两侧压差变化

3.2 列车通过过渡段车体横向加速度变化情况

针对车体振动的典型特征，在车体地板横向中部位置和侧墙垂向高1.7 m位置分别安装了横向加速度传感器.图11和图12分别为通过过渡段时地板横向加速度和侧墙横向加速度散点图，图中加速度的单位为重力加速度单位g，1g=9.81 m/s2.试验显示，侧墙横向加速度明显大于底板面的横向加速度，整体上侧墙横向加速度为车体地板面的横向加速度的1.5倍左右，说明车体下心滾摆明显.

图11 车体地板面横向加速度散点图

图12 车体侧墙横向加速度散点图

从上图列车横向加速度测试数据可以看出，列车在横风条件下运行时，随着运行速度的提高，车体的加速度值不断增加，在横风下侧墙的加速度明显大于地板.与过渡段的两侧压差数据进行比较，横向加速度变化与两侧压差变化也基本一致，说明测试结果正确.

4 挡风设施过渡段工程补强效果分析

为了减小列车通过过渡段的两侧压差突变，铁路部门对部分防风过渡段的进行了补强施工，主要措施为对过渡段的路堤部分进行挖方、路堑挡风墙进行加高及延长等.为对比分析防风设施补强前后的效果，选取了进行工程补强措施的9处典型过渡段区域进行对比，列车以相同速度(180 km/h)同方向通过这9处过渡段区域的两侧压差对比情况见图13.

图13 过渡段工程补强前后两侧压差比较

由补强前后两侧压差对比变化可以看出，经过工程补强措施后过渡段的列车空气动力学性能(两侧压差)均得到了不同程度的改善，普遍的两侧压差均比补强前减小30%～80%，其中两侧压差最大减小为84.89%，工程补强效果明显.

5 结论

本文从分别用数值计算和实车测试的方法对列车在风区运行的气动性能进行了研究，得到如下结论：

(1)目前对大风条件下列车运行的仿真计算研究较多，多从动力学及安全性能方面开展研究，但是缺乏实际大风条件下动车组开行状况的边界条件，尚未建立符合实际情况的风区动车组运行研究的理论及实体模型进行系统研究;

(2)列车在横风的作用下，不同挡风结构下列车风风场的涡流结构和列车表面的压力分布均差异明显.在横风的作用下，有、无或不同挡风结构，列车受到的气动载荷差异明显，相同车速和风速下，路堤有挡风墙好于路堤无挡风墙;

(3)风区铁路设置防风明洞、隧道、路堤挡风墙对抵御风害具有非常好效果，通过挡风设施时列车受两侧压差变化明显减小，尤其是在防风明洞和隧道内时两侧压差值接近零，说明挡风设施能够有效的降低大风对列车运行的影响;

(4)风区过渡段对列车运行过程中的气动横向力影响很大，风区过渡段是动车组在大风区段运行的影响敏感区段，应重点考虑风区过渡段的防风、挡风设施布置;

(5)经过工程补强后列车通过过渡段的两侧压差明显减小，实验数据显示可减小30%～80%，此结论具有很好的理论应用价值和意义，建议对兰新全线风区过渡段进行摸底排查并进行工程补强以增强线路的抵御风害能力.

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