横风下风屏障位置优化对450 km/h交会列车气动安全性的影响

王胜男; 杜礼明; 傅镇

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2503739

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (9) :3967-3977 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2503739

交通运输

横风下风屏障位置优化对450 km/h交会列车气动安全性的影响

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Impact of Crosswind Barrier Position Optimization on Aerodynamic Safety of High Speed Trains Meeting at 450 km/h

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摘要

在横风环境下,高速列车交会时的气动载荷突变易引发车体冲击与运行安全隐患。以450 km/h高速列车为对象,构建风-列车-路堤风屏障耦合三维模型,研究风屏障位置对交会列车气动性能的影响规律。结果表明:无风屏障时,迎风车头波正波幅值显著增大,气动力波动剧烈;风屏障内交会可有效抑制气动力波动,各车厢横向力降幅达38.4%,轮轨垂向力与脱轨系数分别降低38.4%和16.7%;而风屏障端部交会导致背风侧涡旋增多,流场紊乱,脱轨风险增加26.2%。通过Q准则涡量分析发现,风屏障内交会时头车高压区扩散,尾部负压区减小,气流扰动显著降低;端部交会则因气流分离加剧,引发高能涡旋聚集。仿真验证表明,风屏障位置优化可有效降低气动载荷,提升列车运行安全性与稳定性。研究结果为高速铁路风屏障设计与运营管理提供了理论依据。

Abstract

Under crosswind conditions, abrupt changes in aerodynamic loads during the meeting of high-speed trains are prone to cause car body impacts and potential operational safety hazards. A three-dimensional coupling model of wind-train-embankment wind barrier was established for a 450 km/h high-speed train, and the influence law of the wind barrier position on the aerodynamic performance of the meeting train was studied. The results show that when there is no wind barrier, the amplitude of the positive windward head wave increases significantly, and the aerodynamic force fluctuates violently; train meeting inside the wind barrier can effectively suppress the fluctuation of aerodynamic force, with the lateral force of each carriage reduced by 38.4%, and the wheel-rail vertical force and derailment coefficient decreased by 38.4% and 16.7% respectively. However, train meeting at the end of the wind barrier leads to an increase in vortices on the leeward side, resulting in a turbulent flow field and a 26.2% increase in derailment risk. Through Q-criterion vorticity analysis, it was found that during train meeting inside the wind barrier, the high-pressure area of the leading car spreads, the negative-pressure area at the tail decreases, and the airflow disturbance is significantly reduced. In contrast, train meeting at the end leads to intensified airflow separation, which triggers the accumulation of high-energy vortices. Simulation verification indicates that the optimization of wind barrier positions can effectively reduce aerodynamic loads and improve the operational safety and stability of trains. The research results provide a theoretical basis for the design and operation management of wind barriers in high-speed railways.

Graphical abstract

关键词

横风 / 高速列车 / 风屏障 / 交会列车 / 450 km / h

Key words

crosswind / high-speed train / wind screen / train passing / 450 km / h

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王胜男, 杜礼明, 傅镇. 横风下风屏障位置优化对450 km/h交会列车气动安全性的影响[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(9): 3967-3977 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503739

WANG Sheng-nan, DU Li-ming, FU Zhen. Impact of Crosswind Barrier Position Optimization on Aerodynamic Safety of High Speed Trains Meeting at 450 km/h[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(9): 3967-3977 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2503739

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“八纵八横”高速铁路主通道布局由中国于2016年在《中长期铁路网规划》中正式提出,规划总里程约4.5万km。根据《新时代交通强国铁路先行规划纲要》,到2035年,全国铁路营业里程将达20万km左右,其中高速铁路里程约为7万km^[1]。为有效防范强横风诱发的列车脱轨、倾覆风险,并减少因大风导致的限速与停运频次,常在铁路线路两侧设置风屏障,以营造相对低风速的运行环境。研究表明,风屏障对列车编组中不同位置车辆的防风效果存在显著差异。鉴于我国地域辽阔、风环境复杂多样,科学选型与合理布设风屏障对提升高速列车在强横风条件下的运行安全性具有重要意义^[2]。中外学者对横风条件下高速列车在风屏障内运行时气动效应开展广泛研究。张田等^[3]推导出列车进出风屏障时车体风荷载计算公式,讨论车体风载突变对列车运行安全影响。杜礼明等^[4]采用流固耦合方法分析风屏障在不同工况下应力及变形量,发现风屏障自振频率与列车风所引发的振动频率存在显著差异,二者未形成共振条件,因此不会出现共振现象。何旭辉等^[5]研究发现风屏障对上游列车气动特性影响大,下游列车由于处于尾流中,受之影响小。何玮等^[6]通过风洞试验研究风屏障透风率对车-桥系统气动性能的影响,结果表明风屏障透风率为10%时,列车及车-桥系统在侧风下受到的气动力均较小,利于行车安全。陈宁等^[7]研究表明风屏障对保障强风区过桥车辆安全性有重要意义,透风率为50%、高度为2 m的风屏障能达到最优防风效果。王玉晶等^[8]对不同风屏障开孔形式进行研究,得出随着开孔边数增加,各车辆阻力系数先减小后增大,开孔形式为格栅形时阻力系数最大。Chen等^[9]借助大尺度节段模型风洞试验,研究不同风屏障对桥面不同位置处车辆气动力的影响,发现风屏障可显著降低车辆气动力,提高行车安全性。Xiang等^[10]通过风洞试验研究不同风向角下风屏障高度对移动列车气动力特性的影响,发现风向角较小时,风屏障高度越高防风效果越好。史康等^[11]提出新型百叶窗型风屏障可大幅降低车-桥系统力矩系数,相比于同等透风率下的普通格栅式风屏障,百叶窗型风屏障防风效果更好。王立东等^[12]采用最优拉丁超立方试验设计方法,选择优化参数初始样本点集,发现风屏障透风率对列车气动力影响最大。赵文斌等^[13]提出风屏障对背风侧车道的屏蔽效果较迎风侧车道更好。

现有研究存在以下几个问题:一是多集中于风屏障基本防风效果及对列车整体气动性能的影响,对风屏障在不同位置时高速交会列车气动性能的细致影响缺乏深入探究;二是试验速度低于400 km/h,缺乏对高速交会(≥450 km/h)瞬态流场系统分析;三是未充分考虑风屏障端部效应对列车气动性能的影响,风屏障端部气流分离与高速列车耦合作用机制尚不明确。现以450 km/h高速列车为对象,构建风-列车-路堤风屏障耦合三维模型,系统研究风屏障位置对450 km/h交会列车动态气动效应的影响;深入分析风屏障端部效应对列车气动性能的影响;在不同风屏障位置下,对列车气动载荷、流场特性及运行安全性进行综合评估。Q准则涡量法有物理内涵明确、阈值灵活且能同步捕捉不同尺度涡旋的优势,结合Q准则涡量分析,阐明端部流场紊乱与气动风险的内在关联,提出风屏障位置优化策略,以期为高速铁路防风设计提供精细指导。

1 仿真模型构建与数值方法

1.1 仿真模型与参数设置

数值计算采用三节联挂简化车体模型^[14],以1∶1比例对某动车组建模,将其简化为头中尾3车编组,编组总长82 m,头尾车均长28.5 m,中车长25 m,车体高3.85 m。忽略小零件,如转向架、受电弓等,改善网格质量,降低计算量,如图1所示。

风屏障结构形式参考实际应用场景,采用铁路沿线广泛应用的直立式结构。高度为3.95 m,沿线路方向长度为100 m,长度覆盖关键影响区域,使列车获得持续且有效的风力防护。

图2为路堤截面模型,构建基于复线路堤。路堤顶部宽统一设定为17.9 m,该尺寸充分考量复线铁路线路布局实际需求。选取路堤高度为6 m,选取坡率为铁路工程常见的1∶1.5,对应的坡度系数为1.5。风屏障模型在计算域中的位置可根据研究需求进行调整,以模拟不同风屏障位置对列车气动性能影响。

1.2 计算域与网格划分

高速列车交会时,两车相对运行速度达500~700 km/h,列车周边气流马赫数已超过0.3,需在气动特性分析中纳入空气压缩性影响^[15]。采用滑移网格技术与层铺技术模拟高速列车在安装风屏障路堤上的交会过程^[16],整体计算域划分为移动区域1、2和固定区域3,列车周围网格以列车运行速度滑移,固定区域则对应外部流场空间,保持静止状态。网格信息传递通过1、2区域与区域3之间交界面实现,如图3所示。

设置计算域高度为50 m,长400 m,宽100 m。列车交会开始前两车鼻尖相距100 m,列车线间距为5 m。如图4所示,AECG为速度入口,ABCD、BFDH、FEHG为压力出口。地面与车体表面采用无滑移边界条件进行约束,对近壁面流动特性模拟使用标准壁面函数,定义靠近侧风入口的列车为迎风车(CAR1),距离侧风入口较远的列车命名为背风车(CAR2)。

采用ICEM CFD对模型流场划分,采用六面体和四面体网格划分方法,如图5所示。车体表面设8层边界层,第1层边界层网格厚度为0.6 mm。选用具有二阶精度的离散格式进行方程求解和基于压力修正的SIMPLE计算方法,风场加载条件采用均匀风。

为研究横风环境下路堤风屏障距离高速列车交会不同位置对迎风车气动效应的影响,将侧风速度设为恒定值17.1 m/s,研究450 km/h运行速度下高速列车的各种等速交会工况。选取6种交会工况进行分析,两车头车鼻尖交会处位于正中间。如图6所示,工况1为路堤无设置风屏障时,两列车等速交会的情况;工况2为路堤设置风屏障,风屏障两端分别止于迎风车与背风车鼻尖;工况3为设置风屏障右端止于两车鼻尖开始交会处;工况4为设置风屏障左端始于两车鼻尖开始交会处;工况5为设置风屏障右端止于迎风车头车鼻尖;工况6为设置风屏障左端始于背风车头车鼻尖。

为准确分析列车交会时车体表面各部分的受力变化情况,在迎风车会车侧头部(1~3)、中部(4~6)、尾部(7~9)分别设置如图7所示的压力监测点。

1.3 网格无关性验证

利用不同网格加密方案得到的对比结果如表1所示。当列车通过风屏障区段过程中,中等网格和细密网格对应的横向力极大值非常接近,而粗糙网格结果明显低于前两者。综上可知,中等网格和细密网格这2种方案得到的流场信息基本一致,即网格质量达到中等方案水平后,计算结果对网格尺寸依赖性较小,且中等网格最节约资源,因此采用中等网格做后续研究。

1.4 数值方法验证

据2008年西南交通大学在京津高速铁路CRH3型车会车压力波试验^[17],模拟测得相同运行条件,两列车线间距5 m,以330 km/h等速会车时的压力波,在距观测列车车头鼻尖约25 m处设立3个监测点,如图8所示,并求平均值。如表2和图9所示,数值模拟结果与实验测试数据误差不超过10%,验证了模型及数值方法的有效性和精确度。

2 风屏障与列车交会位置距离对迎风车气动效应的影响

2.1 迎风车交会侧气动压力变化

在迎风车会车侧头部、中部、尾部每3个监测点取平均值,图10展示不同交会工况下迎风车交会区域测点的气动压力动态响应特性。分析结果表明,随着迎风车头车鼻端与尾车前端相继穿越背风车区域时,所有压力监测点的测量数据均呈现出典型的双极性格局:先是“正压-负压”交替头波,随后出现“负压-正压”转换尾波。头车位置气动压力波头波受限于风屏障的不同位置,其影响最为突出。与无风屏障路堤交会工况1相比,当高速列车在风屏障内交会时,在路堤风屏障端部区域,横风气流发生流动分离并伴随速度增大现象,这种加速气流与背风侧列车形成强烈气动耦合效应,导致交会工况下迎风车所受瞬态气动载荷明显提升。研究结果显示,各类运行工况中,头波正压峰值普遍呈现上升态势,且工况6下增幅最大为7.1%,在工况2~6下,头车头波正波与尾波全波与工况1相比变化均极小,工况2、3、4头波全波幅值增大幅度明显,如表3所示。由图10(b)可知,两中间车相交会时,在工况2下,中间车头波全波幅值最小,因中间车交会位置位于风屏障内,受风屏障抑制作用,中间车交会头波正波明显减小。

背风车运行至测点2时,对比无风屏障路堤交会,在路堤风屏障端部交会各工况头波幅值均提升。

在工况2、3和5下,背风车车头通过迎风车尾部监测点时,位于风屏障内,受风屏障挡风效应的影响,不同工况下各测点尾波全波幅值均显著小于头波。在列车交会过程中,各测点监测到尾波时刻,背风车均已驶入路堤风屏障防护区域内。得益于风屏障挡风作用,相较于头波幅值,各工况下各测点处尾波的全波幅值均呈现出减小趋势。

2.2 迎风车气动横向力与升力分布特征

图11所示为迎风车头车不同距离处放置风屏障对交会迎风车气动效应变化情况。由图11可知,交会过程中,迎风车尾车横向力受风屏障位置的影响最为显著。

相较于无风屏障的工况1路堤列车交会场景,工况2中当迎风车头车进入风屏障防护区后,其横向气动力因风屏障的遮蔽效应而显著降低。在后续与背风车交会过程中,横向力波动幅度较其他工况更为平缓。头车气动阻力呈现先缓慢递减而后小幅震荡的变化趋势,其下降梯度明显大于其他工况。

在工况3~工况6条件下,迎风车头车在交会阶段受到风屏障端部高速分离流与背风侧瞬态列车风的联合作用,其阻力与横向力的极值均呈上升趋势,工况3的增量最为显著。根据图11(b)、图11(c)、图11(e)、图11(f)所示数据,风屏障布置位置对迎风车的中间车及尾车气动载荷影响相对有限,除工况3和工况5外,其余工况中间车与尾车的横向力演变规律基本相似,工况5列车开始运动时受风屏障端部影响,导致横向力波动较大,工况3由于在交会时,侧风对列车的一部分力被风屏障阻挡而减小。迎风车头车和中间车的气动力峰值均在工况2时达到最小,尾车阻力峰值在工况6时迎来最小值。

在交会的阶段,工况2与工况4的迎风车头车与背风车尾车交会处于风屏障区域内,受风屏障遮蔽效应影响,在这两个工况下各车厢横向力与阻力波动幅度远小于其他工况,且在工况4条件下所受气动力最小,交会结束后,相比于工况4,工况2迎风车完全驶出风屏障区,各车厢气动力明显增大。

2.3 列车与风屏障表面压力分布特征

当高速列车在路堤上行驶时,受到侧风影响,列车侧面会受到风压作用。风压分布的变化可能导致列车产生侧倾力矩,影响列车稳定性。特别是在风速较大时,气动压力呈非线性增长,侧倾力矩显著增大,当超过临界阈值时,对列车安全性构成威胁,而安装风屏障可有效提高列车运行安全性,显著改善列车在强风条件下的抗倾覆稳定性。如图12所示,在风速为17.1 m/s、列车运行速度为450 km/h的工况2条件下,研究获取迎风侧列车通过风屏障区域时,不同时间节点的头尾压力场分布云图。这些可视化结果展示了列车头尾区域在风屏障影响下的非定常压力演化特征。

在列车运行0.05 s时,迎风车头部鼻尖刚刚驶入风屏障内,0.3 s时,列车头车完全驶入风屏障内,0.45 s时,两列车头部在风屏障内交会,当列车更多驶入风屏障时,即由0.05 s运行至0.3 s,在迎风侧列车头部压力分布呈现出明显的高压区集中,头部正压最大值为7 005.5 Pa,随着驶入风屏障距离的增加,高压区逐渐向偏离风屏障一侧的车头中部扩散,由0.3 s运行至0.45 s,受到背风车气动力的影响,头车高压集中区域压力变化较为剧烈,此时头部正压最大值为5 379.9 Pa,降低23.2%。在不同时间段内,车尾迎风侧与背风侧压力分布变化相对较小,车尾负压区域随着驶入风屏障距离的增加而逐渐减小。

图13(a)~图13(c)为列车在工况2、工况3和工况6下靠近迎风车侧风屏障,在列车头车交会时,其迎风侧与背风侧压力分布云图。

由图13可知,风屏障迎风侧承受较大的压力,总体大于背风侧,所受压力均为正值,压力值在风屏障底部较高,随着高度的增加逐渐减小。风屏障背风侧压力相对较小,并在靠近迎风车头车和尾车处压力变化幅度大且产生负压区域,由此可知风屏障压力分布范围和强度与风屏障位置以及列车的交会状态密切相关。

2.4 迎风车周围流场分布与变化

2.4.1 不同高度列车周围流场分布

列车交会初始阶段不同高度截面速度流场分布情况如图14所示,图14(a)为工况1即在无风屏障下列车交会时列车周围流场不同高度流速分布,图14(b)为工况2即两头车交会完全处于风屏障内时列车周围流场不同高度流速分布。

由图14可知,在列车交会初始阶段,受对向列车来流影响,两交会侧车身之间流场出现显著低速区域,随高度增加,该低速区域呈现逐渐减小的趋势。图14(a)与图14(b)对比,在同一高度截面流场速度,有风屏障流场低速区域明显大于无风屏障情况,无风屏障时,两头车背风侧区域流速大于迎风侧,侧风风速增大到一定程度,由于两侧流速大小差异巨大,极易导致车辆侧翻。而在有风屏障时,两头车左右两侧速度分布大致相近。由此可见,风屏障对降低列车交会时周围流场速度有很大影响,设立风屏障有利于车辆平稳运行。由图14(b)可知,在距离车底部高0.365 m时,平均流速为11.5 m/s,在距离车底部高2.532 m时,流速为18.8 m/s,随着高度增加,风屏障防风效果减弱,车身左、右两侧流场速度分布对称性增强,但两头车交会中心处流场低速区面积增大。

2.4.2 不同时刻交会列车周围涡量分布

选取工况2分析交会不同时刻截面迎风车与风屏障周围流场涡量演变,图15(a)~图15(e)分别为列车头部刚驶入、完全进入、与背风车头部交会、与背风车尾车交会和驶出风屏障不同阶段。距离列车表面越近,涡量越大,表明气流在接近车体时以较快的速度移动。

在0.05~0.5 s,随着迎风车头部逐渐深入,风屏障两侧涡量趋向单一化,高能涡量区域逐渐减小,风屏障上端涡随着时间推移面积逐渐增大,并偏向列车一侧,在0.25 s时,涡量最值为33.6,相比于0.05 s时减小16%,0.5 s时,涡彻底脱离风屏障。说明风屏障的阻挡与背风车交会进一步扰乱了流场,促使漩涡脱落速度加快。在0.5~1 s,风屏障两侧涡量变化趋向丰富,涡旋区域逐渐靠近风屏障,1 s时,在风屏障迎风侧出现高能涡量,气流在此处流动速度加快。

2.4.3 基于Q准则识别交会列车头车周围涡结构

Q涡量法能精准预测列车风的作用强度,为铁路沿线防护设施设计提供依据,建立列车气动特性与路堤环境之间耦合关系。Q准则源于速度梯度张量▽V, ▽V可拆分为对称张量A,表示某点的变形,反对称张量B,表示某位置的旋转,即

(1)$A=\frac{1}{2}(▽V+▽{V}^{\mathrm{T}})$

(2)$B=\frac{1}{2}(▽V-▽{V}^{\mathrm{T}})$

Q准则的表达式为

(3)$Q=\frac{1}{2}\left(=B{=}_{\mathrm{F}}^{2}-=A{=}_{\mathrm{F}}^{2}\right)$

式中:‖‖_F表示矩阵的Frobenius范数;Q>0表示在流动中旋转占主导地位,Q越大,则表明此处流体旋转率越大,存在涡旋的可能性也越大^[18-19]。图16中,Q准则阈值取Q=25。

如图16(a)所示,两车头在无风屏障下交会,受横风影响,在列车背风侧均产生逐渐偏离车头的絮状涡流。如图16(b)所示,两车头完全在风屏障内交会,在屏障右侧产生大量团状涡流,相较于工况1,两车侧条状涡流区减小,迎风车头车高能涡量区增加,背风车鼻尖上侧涡量值降低,这是因为横向风受到路堤斜坡影响,气流向上分离,以及风屏障阻挡,与列车来风耦合复杂,导致头车交会空气流动复杂,产生大量涡流,这是图10与表3在工况2、4下,头波波动幅值大的原因。如图16(c)所示,头车在交会时位于风屏障端部,其流线型顶部区域涡量值相较工况1无风屏障阻挡时均降低,位于风屏障外的背风车背风侧涡流区再次出现,而风屏障内迎风车背风侧涡流区出现无条状涡流。

2.5 安全性分析

选取工况1、2、3交会情形,将各车厢所受的侧向力、升力、阻力、侧滚力矩、点头力矩和摇头力矩向指定点简化,如图17所示。

基于Simpack软件建立列车三编组动力学模型。考虑到头车所受气动影响最显著,着重开展头车在横风气动载荷下的动力学特性研究,参照《高速动车组整车试验规范》和文献研究成果,确定安全限值:轮重减载率为0.80,脱轨系数为0.80,轮轨垂向力为170 kN,轮轴横向力P=10+P₀/3,其中P₀为轮轴载荷。

选取不同工况下头车的4个安全系数最大绝对值,具体计算结果如图18所示;4项动力学性能指标均在头车交会完全处于风屏障内时最小,在两头车交会位于风屏障端部附近达到最大,但在3种工况下,4项安全性指标均未超处安全限值。工况3相对于工况1,即两头车交会位于风屏障端部附近与无风屏障下相比,轮轴横向力、轮轨垂向力、轮重减载率和脱轨系数分别增加19.5%、15.8%、8.2%和26.2%。这说明高速列车在风屏障端部交会时,会导致迎风车行车安全性降低,在设计中,铁路部门需加强风屏障端部的轨道结构强度、增加监测频次,并严格限制列车在此区域的运行速度,避免因气动力过大引发安全事故。工况2相对于工况1,即头车交会完全处于风屏障内与无风屏障相比,轮轴横向力、轮轨垂向力、轮重减载率和脱轨系数分别降低9.1%、38.4%、10.2%和16.7%。这说明风屏障作为重要的铁路安全防护设施,在保障列车在侧风条件下安全运行方面发挥关键作用,提高了运行安全性。

3 结论

(1) 风屏障位置对交会列车的压力分布、气动力变化以及流场结构均有显著影响。迎风车头车在风屏障内交会,其头部正压最值下降23.2%。风屏障迎风侧压力大于背风侧,且压力集中在风屏障底部。列车在风屏障内以450 km/h等速交会过程中,气动力波动现象减弱,各车厢横向力数值呈现下降趋势,降幅达 38.4%。

(2) 在风屏障内交会迎风车车身左右两侧流场速度分布对称性增强。在高度为2.532 m时,流速相比 0.365 m 时上升 63.5%。列车在风屏障端部交会,列车背风侧产生多个涡旋,流线密集程度增大。在风屏障内相比于在端部交会,涡量减小16%,漩涡脱落速度加快且彻底脱离风屏障。根据Q准则判断在风屏障内交会,气流扰动降低,速度波动减小,列车两侧条状涡流区域明显小于在端部位置。

(3) 相比于无风屏障,头车在风屏障端部交会,轮轴横向力和脱轨系数分别增加19.5%和26.2%,在风屏障端部列车面临更高脱轨风险,需严格限制车辆运行速度。头车在风屏障内交会,轮轨垂向力和脱轨系数分别降低38.4%和16.7%,风屏障内部能有效改善列车交会时受力状态,极大提升运行安全性。然而本文研究存在一定局限性,未考虑实际线路复杂风场。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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