非均匀风沙环境下高速列车气动特性

孟建军; 张同健; 孟高阳; 李怡璇; 王宗辉

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2503138

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (13) :5700-5711 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2503138

交通运输

非均匀风沙环境下高速列车气动特性

孟建军 ¹^,²^,³ ,
张同健 ¹^,²^,³ ,
孟高阳 ¹^,²^,³ ,
李怡璇 ¹^,²^,³ ,
王宗辉 ¹^,²^,³

作者信息 +

Aerodynamic Characteristics of High-speed Trains in Inhomogeneous Wind-sand Environment

MENG Jian-jun ¹^,²^,³ ,
ZHANG Tong-jian ¹^,²^,³ ,
MENG Gao-yang ¹^,²^,³ ,
LI Yi-xuan ¹^,²^,³ ,
WANG Zong-hui ¹^,²^,³

Author information +

文章历史 +

摘要

为研究非均匀风沙条件对高速列车气动特性的影响,基于Standard k-ε湍流模型的雷诺时均法和欧拉-欧拉两相流模型,采用指数律廓线构建非均匀风沙环境下的高速列车空气动力学计算模型。通过分析不同风沙流速度和车速条件对列车气动特性及流场影响,得到以下结论:在非均匀风沙流作用下,列车迎风侧与背风侧的表面压力分布呈现明显非对称性,最大和最小风压区均偏于迎风一侧;相较于车速条件,风沙流速度变化对列车周围流场结构的影响更大,随着风沙流速度的增加,背风侧气流漩涡半径增大并向风沙流方向移动,且流场速度与高度的正相关性增强,导致迎风侧与背风侧流场的非对称加剧;在所有计算工况中,头车的气动侧力和侧滚力矩大于中车和尾车,而气动升力小于中车和尾车,由此可知:气动侧力对列车倾覆力矩的贡献要大于气动升力;此外,随着风沙流速度或列车运行速度的增加,头车气动载荷的变化幅值均大于中车和尾车,导致头车的运行稳定性最差。

Abstract

To study the effect of inhomogeneous wind-sand conditions on the aerodynamic characteristics of high-speed trains, based on the Reynolds time-averaged method of Standard k-ε turbulence model and Euler-Euler two-phase flow model, the aerodynamic calculation model of high-speed trains under non-uniform wind and sand environment was constructed by exponential law profile. By analyzing the influence of different wind-sand flow velocity and vehicle speed conditions on the aerodynamic characteristics and flow field of the train, the following conclusions were obtained. Under the action of inhomogeneous wind-sand flow, the surface pressure distribution on the windward and leeward sides of the train is asymmetric, and the maximum and minimum wind pressure zones are biased to the windward side. Compared with the speed condition, the change of wind-sand flow velocity has a greater influence on the flow field structure around the train. With the increase of wind-sand flow velocity, the radius of the airflow vortex on the leeward side increases and moves towards the direction of the wind-sand flow, and the positive correlation between flow field velocity and height increases, which leads to the asymmetry of the flow field on the windward side and the leeward side. In all the calculation conditions, the aerodynamic side force and roll moment of the head car are larger than those of the middle car and the tail car, while the aerodynamic lift is smaller than that of the middle car and the tail car, and the aerodynamic side force plays a more significant role than the aerodynamic lift in the overturning moment of the train. In addition, with the increase of wind-sand flow velocity or train running speed, the variation amplitude of the aerodynamic load of the head car is greater than that of the middle car and the tail car, resulting in the worst running stability of the head car.

Graphical abstract

关键词

非均匀风沙流 / 高速列车 / 气动特性 / 指数律廓线模型 / 数值模拟

Key words

inhomogeneous wind-sand flow / high-speed train / aerodynamic characteristics / exponential profile model / numerical simulation

引用本文

引用格式 ▾

孟建军, 张同健, 孟高阳, 李怡璇, 王宗辉. 非均匀风沙环境下高速列车气动特性[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(13): 5700-5711 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503138

MENG Jian-jun, ZHANG Tong-jian, MENG Gao-yang, LI Yi-xuan, WANG Zong-hui. Aerodynamic Characteristics of High-speed Trains in Inhomogeneous Wind-sand Environment[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(13): 5700-5711 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503138

登录浏览全文

4963

注册一个新账户忘记密码

兰新高速铁路东起甘肃省兰州市,西至新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市,全长1 776 km,沿途穿越百里风区、安西风口、烟墩风区、百里风区、三十里风区和达坂城风区五大风区^[1]。其中,百里风区的多年平均大风日数多达206 d,最大记录风速可达64 m/s,三十里风区和达坂城风区多年平均大风日数多达148 d,最大风速也在60 m/s以上,以上地区均属于特大风区^[2]。特大风区中的风沙灾害是高速铁路运营所面临的首要问题,在这种强风沙环境下,高速列车的安全运行面临巨大隐患,它不仅会引起高速列车出现紧急制动、脱轨和停运等安全事故,严重时还可能会倾覆行车车辆、摧毁行车设备,造成严重的铁路运营安全事故^[3-4]。

现阶段,针对风沙环境下高速列车气动特性的研究,国内外学者多采用欧拉法构建风沙环境并结合数值计算模拟进行分析。Bai等^[5]为研究铁路曲线半径参数在风沙环境下对高速列车运行安全的影响,采用欧拉-拉格朗日法构建风沙流的边界条件,分析不同曲线半径和风沙载荷下高速列车的动态响应。Xiong等^[6]针对中国北方沙尘暴天气频发的特点,利用欧拉-欧拉两相流模型求解沙尘暴天气下高速列车周围流场特性,模拟不同沙尘暴等级和无沙条件下列车的空气动力性能。Wang等^[7]采用滑移网格建立在不同运行速度和桥梁高度下列车通过桥梁过渡段的空气动力学计算模型,结合欧拉-欧拉两相流模型模拟风沙流,分析风沙环境下高速列车通过桥-路过渡段的气动特性。李文涛等^[8]为了研究风沙耦合作用对高速列车运行状态的影响,采用数值模拟方法计算列车在平地、路堤和桥梁上行驶时的气动特性的变化规律;李美香等^[9]通过建立风沙环境下高速列车空气动力学计算模型,研究不同沙粒浓度、不同风速以及不同车速条件下列车的气动特性;李田等^[10]结合车辆-轨道耦合动力学和空气动力学,提出了一种针对沙尘暴环境下高速列车安全性的半耦合求解方法,基于此方法,进一步研究了在不同沙尘暴条件下高速列车的空气动力学性能。

综上,针对风沙环境下高速列车气动特性已较为全面。然而,现有研究中高速列车周围风沙环境模拟多基于均匀风场,未充分考虑近地表风速沿高度方向的变化规律,亟待进一步探究。现以兰新高速铁路沿线的强风沙环境为背景,采用指数律廓线模型构建风沙流边界条件,在通过风洞试验验证数值模拟方法正确性的基础上,利用数值模拟方法探究非均匀强风沙环境对列车气动特性的影响,旨在为强风沙流中列车的气动结构优化设计和运行安全评估提供经验参考。

1 数值计算方法

1.1 列车几何模型

选用国内运营的某型号高速列车组作为研究对象。考虑到计算能力限制,同时确保计算结果的精度,对列车组的受电弓、风挡、转向架等特征进行平顺简化处理^[11]。列车几何模型如图1所示,利用SolidWorks软件建立1∶1的三编组列车模型,包含头车、中车和尾车。其中,头车和尾车长度为26.5 m,中车长度为25 m,列车总长度为78 m,车体高度为3.7 m,宽度为3.38 m。忽略铁轨结构后,车体底面距离地面0.38 m,以模拟高速列车实际运行情况。

1.2 基本控制方程

欧拉-欧拉两相流模型通过引入体积分数,将风沙流中的气相和沙相看作是充满整个流场的连续介质,相较于欧拉-拉格朗日两相流模型可以大幅缩短计算时间,目前被广泛应用于多相流环境下列车气动特性研究^[12-13]。后续涉及的非均匀风沙流环境,主要是大风和沙粒相互耦合作用的结果,故采用欧拉-欧拉两相流模型对其进行模拟。

由于所涉及的列车最高运行时速为350 km/h,最大风沙流速度为30 m/s,对应的马赫数小于0.3,故将列车周围流体进行不可压缩黏性假设^[14]。

1.3 计算域和边界条件

如图2所示,根据《铁路应用空气动力学第4部分:列车空气动力学性能数值仿真规范》(TB/T 3503.4—2018)^[15],以车体顶面与地面之间的高度差为特征高度,设置空气动力学模型中的计算域和边界条件。其中,计算域的尺寸选取为450 m×120 m×50 m。将距离头车鼻尖中心82 m的计算域前端设置为速度入口1,方向与x轴正方向相同,大小分别设定为列车运行速度和沙粒速度;将距离列车右侧面38 m的计算域右端设置为速度入口2,方向与y轴正方向相同,大小分别设定为横风速度和沙粒速度。将距离尾车鼻尖中心290 m的计算域后端设置为压力出口1;将距离列车左侧面78 m的计算域左端设置为压力出口2。

为消除地面附加层对流场模拟结果的影响,将距离车体底面0.38 m的计算域底端设置为滑移地面,设定方向与列车运行方向相反,大小与列车运行速度相等。同时,为了消除边界干扰,将计算域顶端设置为对称边界条件。

1.4 网格划分

列车周围网格分布如图3所示,基于Fluent Meshing中Ploy-Hexcore网格对流体计算域进行离散化处理。为了准确模拟非均匀风沙流在车身周围的分布特性,同时确保车身周围体网格的平滑过渡,在车身附近区域设置两层加密体网格。此外,为了保证车身近壁面处流场分布的准确性,在车身近壁面处设置了12层的边界层网格,第一层网格高度为0.002 m,增长率为1.2。

1.5 数值求解方法

采用Fluent中的稳态压力基(pressure-based)求解器进行数值计算,并基于有限体积法(finite volume method,FVM)对控制方程进行离散化处理,耦合求解方法采用Phase Coupled SIMPLE算法,湍流模型选用Standard k-ε模型^[16],k方程和ε方程分别为式(1)和式(2),边界层选取标准壁面函数。

(1)

$\begin{array}{l}\frac{\partial \left(\mathit{\rho }\mathit{k}\right)}{\partial \mathit{t}}+\frac{\partial \left(\mathit{\rho }\mathit{k}{\mathit{u}}_{\mathit{i}}\right)}{\partial {\mathit{x}}_{\mathit{i}}}=\frac{\partial }{\partial {\mathit{x}}_{\mathit{j}}}\left[\left({\mathit{\mu }}_{1}+\frac{{\mathit{\mu }}_{\mathit{t}}}{{\mathit{\sigma }}_{\mathit{k}}}\right)\frac{\partial \mathit{k}}{\partial {\mathit{x}}_{\mathit{j}}}\right]+\\ \mathit{　}\mathit{　}{\mathit{\mu }}_{\mathit{t}}\frac{\partial {\mathit{u}}_{\mathit{j}}}{\partial {\mathit{x}}_{\mathit{i}}}\left(\frac{\partial {\mathit{u}}_{\mathit{j}}}{\partial {\mathit{x}}_{\mathit{i}}}+\frac{\partial {\mathit{u}}_{\mathit{i}}}{\partial {\mathit{x}}_{\mathit{j}}}\right)-\mathit{\rho }\mathit{\epsilon }\end{array}$

(2)

$\begin{array}{l}\frac{\partial \left(\mathit{\rho }\mathit{\epsilon }\right)}{\partial \mathit{t}}+\frac{\partial \left(\mathit{\rho }\mathit{\epsilon }{\mathit{u}}_{\mathit{i}}\right)}{\partial {\mathit{x}}_{\mathit{i}}}=\frac{\partial }{\partial {\mathit{x}}_{\mathit{j}}}\left[\left({\mathit{\mu }}_{1}+\frac{{\mathit{\mu }}_{\mathit{t}}}{{\mathit{\sigma }}_{\mathit{\epsilon }}}\right)\frac{\partial \mathit{\epsilon }}{\partial {\mathit{x}}_{\mathit{j}}}\right]+\\ \mathit{　}\mathit{　}{\mathit{C}}_{1}\frac{\mathit{\epsilon }}{\mathit{k}}\frac{\partial {\mathit{u}}_{\mathit{j}}}{\partial {\mathit{x}}_{\mathit{i}}}\left(\frac{\partial {\mathit{u}}_{\mathit{j}}}{\partial {\mathit{x}}_{\mathit{i}}}+\frac{\partial {\mathit{u}}_{\mathit{i}}}{\partial {\mathit{x}}_{\mathit{j}}}\right)-{\mathit{C}}_{2}\mathit{\rho }\frac{{\mathit{\epsilon }}^{2}}{\mathit{k}}\end{array}$

式中:ρ为气相密度;k、ε分别为湍流动能和湍流动能耗散率;μ₁、μ_t为层流和湍流黏性系数;C₁、C₂、σ_k、σ_ε均为经验常数,取值为C₁=1.44,C₂=1.92,σ_k=1.0,σ_ε=1.3。

为了更准确地模拟列车行驶过程中的真实风沙环境,采用指数律廓线模型[式(3)]对横风速度进行模拟,并设定沙粒速度为横风速度的1/5,将横风和沙粒速度编写为UDF程序加载至Fluent中。

(3)

$\mathit{u}={\mathit{u}}_{10}{\left(\frac{\mathit{z}}{{\mathit{z}}_{10}}\right)}^{\mathit{\alpha }}$

式(3)中:z为相对于地面的高度;u为z高度处的风速;z₁₀为基准高度,取值为10 m;u₁₀为基准高度10 m处的风速;α为普朗特系数,通常取值范围为0.1~0.4,取0.2^[17]。

图4展示了百里风区9个测风站的平均年极值风速分布曲线^[18],并以风速20 m/s为例,结合式(3)分析距离地面不同高度处均匀风和非均匀风的差异性,如图5所示。

经过野外调研,兰新高铁沿线风沙流中沙粒为稀相,粒径主要分布在0.75~1.25 mm^[19],故将沙粒直径设置为1 mm。同时,取沙相密度ρ_s为2 650 kg/m³,沙相动力黏度μ_s为0.047 Pa·s,空气相密度ρ_a为1.225 kg/m³,空气相动力黏度μ_a为1.789 4×10^-5 Pa·s。颗粒黏度采用Gidaspow模型,摩擦黏度采用Schaeffer模型,曳力系数采用Syamlal-obeien模型。由文献[6]可知,空气中的沙相体积分数与风速相关,并通过实地测量给出了不同风速条件下的沙相体积分数,如表1所示。

1.6 数值模拟方法及网格验证

为验证高速列车数值模拟的准确性,进行了高速列车明线运行工况分析,设定车速为300 km/h,并将所得到的数值模拟数据与相同工况下的风洞试验数据进行对比。此外,将气动载荷进行归一化以便分析结果对比,公式为

(4)

${\mathit{C}}_{{\mathit{F}}_{\mathit{i}}}=\frac{{\mathit{F}}_{\mathit{i}}}{0.5\mathit{\rho }{\mathit{u}}^{2}\mathit{A}}$

式(4)中:F_i为气动载荷;ρ为空气相密度;u为风速;A为车体横截面积。

建立了列车以300 km/h速度在明线运行的空气动力学模型,并分别采用粗网格、中网格、细网格进行计算,网格数分别为192万、543万、991万。随后,将计算结果与相同工况下的风洞试验数据进行比较,结果如表2所示。从表2中的数据可知,对于整车气动阻力系数,3种尺度网格的计算误差分别为8.42%、5.99%、3.67%;对于整车气动升力系数,3种尺度网格的计算误差分别为8.62%、6.22%和4.62%。由此可知,3种尺寸网格的计算误差均小于10%,说明所采用数值模拟方法和网格的精度较高,考虑到计算能力的限制,在后续的数值模拟计算中选用中尺度网格。

2 列车表面压力分布

表面压力分布是列车气动特性的重要组成部分,能够直观地反映列车在高速运行时的受力情况以及周围流场的分布,对于分析非均匀风沙环境中列车的气动性能具有重要意义。以列车运行速度250 km/h,风沙流速度20 m/s为例,给出相应的压力分布云图,如图6所示。

从图6可以看出,在非均匀风沙流的影响下,高速列车迎风侧和背风侧表面压力分布存在显著差异。在迎风侧,列车表面从头车鼻尖至尾车流线型过渡区域普遍呈现正压,仅在尾车鼻尖及其流线型过渡区域出现负压。在背风侧,列车的头车和尾车鼻尖区表现为正压,而其余表面区域则为负压。对于顶部表面,列车在头车鼻尖偏向迎风侧的区域和尾车鼻尖区呈现正压,剩余顶部区域均为负压,其中顶部迎风侧圆弧过渡区域的负压值最小。对于底部表面,列车所有区域均为负压,其中头车导流板底沿处的负压值最小。此外,列车表面所受到的最大正压区位于头车鼻尖处,但列车高速运行会对迎风侧的空气产生挤压作用,导致头车鼻尖中心面不再为驻点位置,最大正压区和最小负压区均会偏向头车鼻尖迎风侧。

为了更清晰地分析列车表面压力的变化趋势,选择了列车表面上的两条封闭截线,分别位于头车和尾车鼻尖中心所在的水平面和垂直面上,并记为L₁和L₂。通过提取两条截线上的列车表面压力变化曲线(图7),便于直观地监测列车表面压力随车体位置的变化情况,具体包括:列车迎风侧、背风侧、顶面和底面。

由图7可见,在迎风侧,列车表面压力从头车鼻尖区的最大正压值迅速下降,随后在头车流线型过渡区域压力上升至稳定的正值,并持续至尾车流线型过渡区域后下降到负压,接着进入尾车鼻尖区后,表面压力迅速回升,并达到该区域的最大正压值。在背风侧,列车表面压力从头车鼻尖区的最大正压值急剧下降,随即在头车流线型过渡区域又逐渐上升至稳定的负压,直至尾车鼻尖处开始上升,达到该区域的最大正压值。对于底部表面,列车表面压力从头车鼻尖处最大正压值骤降至底面最小负压值,随后迅速上升,并在头车流线型过渡区域逐渐达到稳定的负压,保持到尾车鼻尖处后再次上升,并增至该区域的最大正压值。对于顶部表面,列车表面压力从头车鼻尖区最大正压值骤降至顶面最小负压值,随后逐渐上升至稳定的负压,并保持至尾车流线型过渡区域后开始上升,最终达到尾车鼻尖区的最大正压值。

综上所述,通过对列车各表面的压力分布分析可知,非均匀风沙环境会导致列车迎风侧和背风侧、顶部表面和底部表面出现非对称的压力分布现象。其中,头车表面压力的非对称分布现象尤为明显,且波动幅度较大。因此,相较于中车和尾车,非均匀风沙流对头车运行稳定性的影响更为显著,为了进一步探究上述结论,后续将进行列车车体周围流场分布和车体气动力的研究。

3 车体周围流场分布

列车表面压力是由列车运行时产生的列车风和非均匀风沙流共同作用的结果。因此,探究不同列车运行速度和风沙流速度工况下列车周围流场压力、流速及流线分布变化,对深入分析列车的运行稳定性具有重要意义。列车在流线型过渡区的外形曲面变化较为复杂,导致该区域流场的变化也相对复杂,而在车体外形成型区域,流场则趋于稳定。基于此,选取头车和尾车的流线型过渡区域以及中车外形成型区域的相应截面作为主要分析对象,分别记为P₁、P₂、P₃(图1)。

3.1 风沙流速度对车体周围流场的影响

以列车运行速度250 km/h为例,分别给出风沙流速度为10、20、30 m/s条件下P₁、P₂、P₃截面的压力分布云图以及流速流线分布图,如图8和图9所示。

从图8可以观察到,在P₁截面和P₂截面上,迎风侧的风压为正值,背风侧的风压为负值。此外,越靠近车体的区域,迎风侧的正风压值越大,背风侧的负风压值越小。随着风沙流速度的增加,迎风侧车体附近的正风压值显著增大,而背风侧车体附近区域的负风压值则明显减小。由此可以推断,头车和中车的流场结构受风沙流速度的影响较大;在P₃截面上,迎风侧和背风侧的风压均为负值,且越靠近车体的流场区域,负风压值越小。随着风沙流速度的增加,迎风侧车体附近的负风压值略有减小,而背风侧车体附近的负风压值略有增大。由此可以推断,尾车的流场结构受风沙流速度的影响较小。

从图9可以观察到,在所选列车截面中,除P₁截面外,P₂与P₃截面的背风侧均形成了漩涡现象,其中,P₃截面上所形成的漩涡效应尤为显著;随着风沙流速度的增加,漩涡的半径逐渐扩大,同时漩涡的位置向风向移动,导致背风侧漩涡的影响区域增加;随着风沙流速度的增加,风沙流在高度方向的非均匀性进一步增强,进而在与列车风的相互作用过程中,风沙流的主导作用得到加强,导致列车周围流场的速度与高度方向之间呈现更加显著的正相关性。

3.2 列车运行速度对车体周围流场的影响

以风沙流速度20 m/s为例,分别给出列车运行速度为200、250、300 km/h条件下P₁、P₂、P₃截面的压力分布云图和流速流线分布图,如图10和图11所示。

从图10可以观察到,在P₁截面和P₂截面上,迎风侧的风压为正值,背风侧的风压为负值。此外,越靠近车体的区域,迎风侧的正风压值越大,背风侧的负风压值越小。随着列车运行速度的增大,迎风侧车体附近的正风压值缓慢增大,而背风侧车体的负风压值则缓慢减小。由此可以推断,头车和中车的流场结构受列车运行速度的影响较小;在P₃截面上,迎风侧和背风侧的风压均为负值,且越靠近车体的流场区域,负风压值越小。随着列车运行速度的增大,迎风侧和背风侧车体附近的负风压值均略有减小,由此可以推断,尾车的流场结构受列车运行速度的影响较小。

从图11可以观察到,在所取列车截面中,除P₁截面外,P₂与P₃截面的背风侧均形成了漩涡现象。其中,P₃截面所形成的漩涡效应最为显著;随着列车运行速度的增加,漩涡的半径逐渐缩小,同时漩涡的位置会向风向相反的方向移动,导致背风侧漩涡的影响区域减小;随着列车运行速度的增加,所产生的列车风不断增强,从而在与风沙流的相互作用过程中,列车风的主导作用逐渐加强,这导致列车周围流场的速度与高度方向之间的正相关性减弱。

4 车体气动载荷变化

通过对列车表面压力分布和流场结构的分析可知,非均匀风沙流会导致列车所受的合成风在高度方向上表现出明显的非均匀性。这种非均匀性特征对列车的气动特性产生了显著影响,且在不同的列车运行速度和风沙流速度工况下,表现出较大的差异。为了进一步探究高速列车在非均匀风沙环境下气动特性的变化规律,从风沙流速度和列车运行速度两个方面进行研究,计算并分析列车气动侧力、气动阻力、气动升力及侧滚力矩的变化趋势。

4.1 风沙流速度对车体气动载荷的影响

图12展示了列车以250 km/h速度运行时,气动载荷随风沙流速度变化的曲线,表3列出了各车和整车气动载荷变化幅值的具体数值。从图12可以看出,在所有风沙流速度的计算条件下,头车气动侧力和侧滚力矩的绝对值均大于中车和尾车,而头车气动升力的绝对值则小于中车和尾车。随着风沙流速度的增大,头车和整车的气动阻力显著减小,中车气动阻力基本保持不变,尾车气动阻力显著增大。另外,各车和整车气动侧力、气动升力和侧滚力矩显著增大。根据表3,头车的气动载荷变化幅值均大于中车和尾车,且中车的气动载荷(除气动阻力)变化幅值均大于尾车。

综上所述,在所有风沙流速度的计算条件下,头车所受气动侧力和倾覆力矩的绝对值最大,而其所受气动升力的绝对值最小。随着风沙流速度增加,相较于中车和尾车,头车的气动载荷变化幅值最大。对于气动阻力,列车的流线型设计有效地降低了头车和整车的气动阻力,而由于中车两端受到头车和尾车的约束,其气动阻力变化幅度相对较小。

4.2 列车运行速度对车体气动载荷的影响

图13展示了当风沙流速度为20 m/s时,气动载荷随列车运行速度变化的曲线,表4列出了各车气动载荷变化幅值的具体数值。从图13可以看到,在所有列车运行速度的计算条件下,头车气动侧力和侧滚力矩的绝对值均大于中车和尾车,而头车气动升力的绝对值均小于中车和尾车。随着列车运行速度增加,各车和整车的气动阻力均显著增大;头车、中车和整车的气动侧力显著增大,尾车的气动侧力显著减小;头车气动升力显著减小,而中车、尾车和整车气动升力均呈现增大趋势;各车和整车侧滚力矩均显著增大。根据表4,头车的气动载荷变化幅值均远大于中车和尾车,中车的气动载荷(除侧滚力矩外)变化幅值均小于尾车。

综上所述,在所有列车运行速度工况下,头车所受气动侧力和倾覆力矩的绝对值最大,而其所受气动升力的绝对值最小。随着列车运行速度增大,相较于中车和尾车,头车的气动载荷变化幅值最大,同时出现了头车升力和尾车气动侧力减小的现象。列车运行速度的增大使得形成的列车风在与非均匀风沙流合成过程中的作用占比增大,从而导致合成气流在沿车体发展过程中的非定常效应增强。

5 结论

通过构建基于指数律廓线的非均匀风沙环境下高速列车空气动力学模型,并采用数值模拟方法进行气动特性分析,得到以下结论。

(1)在非均匀风沙环境中,列车表面的压力分布呈现明显的非对称性。其中,最大正压区位于头车鼻尖中心略偏于迎风侧区域,最小负压区位于头车导流板底沿中心略偏于迎风侧区域。在车身外形成型区域,迎风侧表面呈现稳定的正压区,其余表面均呈现稳定的负压区。

(2)与列车运行速度相比,风沙流速度的变化对列车周围流场结构的影响更为显著。随着风沙流速度的增加,背风侧气流漩涡的半径逐渐增大,并向风沙流方向移动。同时,列车周围流场的速度与高度方向之间的正相关性变得更强,迎风侧与背风侧流场的非对称性也显著增强。

(3)在所有工况计算结果中,头车所受的气动侧力和侧滚力矩的绝对值均大于中车和尾车,而气动升力的绝对值则小于中车和尾车,表明气动侧力对列车倾覆力矩的贡献大于气动升力。

(4)在所有工况计算结果中,头车的气动载荷变化幅值明显大于中车和尾车。由此可知:在非均匀风沙环境中,头车的运行稳定性最差。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

[1]	黄双林. 兰新高铁防风标准研究[J]. 铁道工程学报, 2019, 36(6): 14-17, 73.

[2]	Huang Shuanglin. Research on the wind break standard of Lanzhou-Urumqi high-speed railway[J]. Journal of Railway Engineering Society, 2019, 36(6): 14-17, 73.

[3]	高婧. 新疆大风时空变化特征及环流背景研究[D]. 兰州: 兰州大学, 2010.

[4]	Gao Jing. Research on the temporal and spatial distribution characteristics of strong wind and circulation feature of windy weather in Xinjiang[D]. Lanzhou: Lanzhou University, 2010.

[5]	赵传徽, 李德仓, 李文昊, 等. 横风环境下高速列车运行安全性研究[J]. 科学技术与工程, 2024, 24(30): 13136-13144.

[6]	Zhao Chuanhui, Li Decang, Li Wenhao, et al. Operation safety of high-speed trains under crosswind conditions[J]. Science Technology and Engineering, 2024, 24(30): 13136-13144.

[7]	肖建华, 姚正毅, 屈建军, 等. 兰新铁路百里风区极端风况特征及形成机制[J]. 中国铁道科学, 2016, 37(3): 130-137.

[8]	Xiao Jianhua, Yao Zhengyi, Qu Jianjun, et al. Characteristics and formation mechanism of extreme wind in Hundred-Li wind zone along the Lanzhou-Xinjiang railway[J]. China Railway Science, 2016, 37(3): 130-137.

[9]	Bai Y, Zhang Z N, Wang Z F, et al. Research on the dynamic response of high-speed trains under different curve radii caused by wind-sand flow[J]. Journal of Applied Fluid Mechanics, 2024, 17(10): 2266-2281.

[10]	Xiong H B, Yu W G, Chen D W, et al. Numerical study on the aerodynamic performance and safe running of high-speed trains in sandstorms[J]. Journal of Zhejiang University-SCIENCEA, 2011, 12(12): 971-978.

[11]	Wang P, Huang N, Qi Y, et al. Investigating the mutual feedback between wind-sand fields and a running train on the bridge-road transition section of a railway[J]. Sustainability, 2023, 15(19): 14210.

[12]	李文涛, 金阿芳, 李虎, 等. 不同类型风沙环境下高速列车气动特性分析[J]. 机械设计与制造, 2022(6): 1-5.

[13]	Li Wentao, Jin Afang, Li Hu, et al. Analysis of aerodynamic characteristics of high-speed trains in different types of sandy environment[J]. Machinery Design & Manufacture, 2022(6): 1-5.

[14]	李美香, 于梦阁, 文恒, 等. 风沙环境下高速列车气动特性分析[J]. 铁道车辆, 2023, 61(2): 19-25.

[15]	Li Meixiang, Yu Mengge, Wen Heng, et al. Analysis of aerodynamic characteristics of high-speed trains in aeolian environment[J]. Rolling Stock, 2023, 61(2): 19-25.

[16]	李田, 张继业, 张卫华. 沙尘暴环境下的高速列车运行安全分析[J]. 工程科学与技术, 2012, 44(S2): 5-8.

[17]	Li Tian, Zhang Jiye, Zhang Weihua. Running safety analysis of a high-speed train under sandstorm environment[J]. Advanced Engineering Science, 2012, 44(S2): 5-8.

[18]	王胜男, 傅镇, 杜礼明. 基于Q涡量法的路堤上450 km/h高速列车气动特性[J]. 科学技术与工程, 2025, 25(29): 12671-12680.

[19]	Wang Shengnan, Fu Zhen, Du Liming. Aerodynamic characteristics of 450 km/h high-speed train on embankment based on Q-vorticity method[J]. Science Technology and Engineering, 2025, 25(29): 12671-12680.

[20]	张乐, 李田, 蔡路, 等. 雪粒参数对高速列车转向架区域雪粒堆积的影响[J]. 机械工程学报, 2020, 56(10): 216-224.

[21]	Zhang Le, Li Tian, Cai Lu, et al. Effect of snow parameters on snow accumulation in high-speed train bogies[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2020, 56(10): 216-224.

[22]	罗文昊, 李宗义, 张涛. 风沙环境下不同线路类型对高速列车气动特性影响研究[J]. 铁道标准设计, 2022, 66(11): 36-42.

[23]	Luo Wenhao, Li Zongyi, Zhang Tao. Research on the influence of different line types on aerodynamic characteristics of high-speed trains in windy and sandy environment[J]. Railway Standard Design, 2022, 66(11): 36-42.

[24]	田红旗. 列车空气动力学[M]. 北京: 中国铁道出版社, 2007.

[25]	Tian Hongqi. Train aerodynamics[M]. Beijing: China Railway Publishing House, 2007.

[26]	国家铁路局. 铁路应用空气动力学: 列车空气动力学性能数值仿真规范: TB/T 3503.4-2018[S]. 北京: 中国铁道出版社, 2018.

[27]	National Railway Administration of the People’s Republic of China. Railway applications-aerodynamics-part 4: requirements for train aerodynamic simulation: TB/T 3503.4-2018[S]. Beijing: China Railway Press, 2018.

[28]	金阿芳, 谢繁荣, 热依汗古丽·木沙. 挟沙强横风环境下高速列车的冲蚀性能[J]. 科学技术与工程, 2022, 22(12): 5020-5026.

[29]	Jin Afang, Xie Fanrong, Reyihanguli Musha. Erosion performance of high speed train under strong cross wind with sand[J]. Science Technology and Engineering, 2022, 22(12): 5020-5026.

[30]	孙兴林, 张宇清, 张举涛, 等. 青藏铁路路基对风沙运动规律影响的数值模拟[J]. 林业科学, 2018, 54(7): 73-83.

[31]	Sun Xinglin, Zhang Yuqing, Zhang Jutao, et al. Numerical simulation on the influence of subgrade of Qinghai-Tibet railway on wind-sand movement[J]. Scientia Silvae Sinicae, 2018, 54(7): 73-83.

[32]	唐士晟, 史永革, 张小勇. 新疆铁路百里风区大风特征统计分析[J]. 铁道技术监督, 2011, 39(1): 36-40.

[33]	Tang Shisheng, Shi Yongge, Zhang Xiaoyong. Statistical analysis on characteristics of the strong wind along the 100-kilometer wind area in Xinjiang region[J]. Railway Quality Control, 2011, 39(1): 36-40.

[34]	屈建军, 王涛, 牛清河, 等. 兰新高铁戈壁特大风区风沙灾害形成机理及防沙技术[J]. 中国科学: 地球科学, 2023, 53(2): 277-286.

[35]	Qu Jianjun, Wang Tao, Niu Qinghe, et al. Mechanisms of the formation of wind-blown sand hazards and the sand control measures in Gobi areas under extremely strong winds along the Lanzhou-Xinjiang high-speed railway[J]. Science China Earth Science, 2023, 53(2): 277-286.

[36]	Yao S B, Guo D L, Sun Z X, et al. Multi-objective optimization of the streamlined head of high-speed trains based on the Kriging model[J]. Science China Technological Sciences, 2012, 55: 3495-3509.