1. 引言

随着我国高速铁路的飞速发展，列车高速运行时引发的空气动力学问题也日益突出，尤其当两列车交会时，两车之间的气流受到挤压，在列车表面产生很强的瞬态压力冲击，有可能会使车窗玻璃受气动冲击而损坏，如果压力波传入密封性不好的客室还可能导致乘客耳鸣、头晕等不适症状。此外，各节车厢也会受到交变的气动作用力和力矩冲击，有可能引发列车横向、垂向振动以及蛇形运动，不但加剧了轮轨磨耗，影响列车安全、稳定运行，而且严重情况下甚至会产生列车脱轨、倾覆等重大的事故。

 

气动力在列车交会过程中变化剧烈，对列车系统动力学行为的影响非常明显，交会时列车振动剧烈，头车和尾车的安全性和舒适性明显降低。然而，高速列车明线会车压力波和气动作用力(矩)变化规律，以及影响它们大小的主要因素如两列车运行速度、列车外形尺寸和线间距或车间距等参数之间具体关系式还很欠缺。

 

为了实现高速列车的安全、舒适、低能耗等要求，必须对列车交会过程气动特性进行深入细致的研究。本文基于XFLOW数值仿真计算软件模拟列车等速交会的情况，XFLOW中的无网络方法是基于粒子和具有完整拉格朗日函数的方法，意味着不再需要对经典的流体区域划分网格，同时表面复杂性不再是一种限制因素。XFLOW 能够解决运动的物体和可变形部分，能够适应低质量的输入几何?；?XFLOW 的软件特点，可以最大程度上还原列车的运行环境，区别于普通计算流体动力学（CFD）软件的数值风洞模拟，XFLOW软件数值计算过程中可以更为直观的观察列车交会时的气动特性。

 

2. 明线交会数值计算模型

2.1 几何模型

一列完整的列车由机车和多节车辆组成，长度较长。本文采用 3 节车模型进行明线会车的数值模拟，即整个模型由一节头车、一节中间车、一节尾车和两个车间风挡组成，头车和尾车具有相同的外形。头车长 26.25m，中间车长 25m，尾车长 26.25m，列车总长、宽、高分别为 79.2m、3.32m、3.8m。实际列车表面并非光滑的，而是有许多大小不一的凹凸物，如车灯、受电弓等，对上述细部特征进行简化处理为一系列光滑曲面构成的几何体。列车模型如图 1 所示。

 

 

图 1 列车几何模型

 

2.2 计算域及边界条件

当建立明线会车计算区域时，考虑到计算流场的充分发展以及气流的绕流影响，计算区域的尺寸取值应当足够大。在理论上，列车周围流场的计算区域应该无限大，但在实际数值模拟中只能采用有限的空间，在不影响列车附近流体的流动的情况下应选取合适的计算区域，即计算区域的边界离动车组表面要足够远，使得动车组运行所产生的高速气流对边界区域的气流流动的影响很小。但是计算区域越大，将导致计算速度降低。为了在提高计算速度的同时保证计算精度，选取比较合适的计算区域，如图 2 所示，其中明线会车外流场长度 460 m，外流场高度 60 m，列车与轨道所处地面之间的距离为 0.376m，两车相距100m，线间距 5 m，会车速度为 250km/h。由于会车的对称关系，两列车分别命名为通过列车和观察列车，分析时可以重点分析观察列车周围的绕流流场即可。

 

 

图 2 列车明线交会计算域

 

采用 XFLOW 软件中的刚体自由运动方法模拟列车之间的相对运动，整个流场区域固定，列车分别以 250km/h 的速度相向运动。列车外流场的数值模拟在有限区域内进行，在区域边界上需给定适当的边界条件。边界条件能否正确建立，直接影响数值计算的正确性和计算精度。确定边界条件要求在数学上满足适定性，在物理学上具有明确意义。外流场沿 x 方向的两个边界均为压力出口边界条件，地面设置为滑移边界，其余边界设置为固定壁面。总计算时间为 2.5s。

 

3. 明线交会数值计算结果

对列车绕流流场的数值模拟，需要综合考虑物理量的场分布。涡量是速度的旋度，即速度一阶导数的线性函数。因此，通过压力、速度与涡量三个物理量可揭示列车明线交会时的列车绕流流场特性。

 

3.1 压力分布

图 3 给出了两列车交会过程中，不同时刻列车表面的压力分布。由图可得，列车表面正压主要集中在列车头车鼻尖区域、排障器区域以及一位端转向架区域；负压主要集中在车间风挡区域、尾车流线型区域以及列车大部分车体区域。列车表面出现不连续的正压区和负压区，主要原因是，气流流过车体表面时，气流在列车表面分离会形成局部负压区，再附时会形成局部正压区，而气流分离以及再附的位置随列车的运行不断变化，因此造成了列车表面局部正负压区。交会过程中，列车表面压力不断变化，列车交会侧表面压力变化非常剧烈。

 

 

 

图 3 列车明线交会不同时刻表面压力分布

 

图 4 给出了列车交会时，流场横截面的压力分布情况。列车未交会时，两列车周围绕流流场几乎一致，两列车头部鼻尖交会前，列车周围流体压力已经开始增加，列车开始交会瞬间，两列车周围流体受到排挤作用，流体压力变化剧烈。整个交会过程中，列车交互侧流体压力变化较大。

 

图 5 给出了流场中两个测点的压力时程曲线，测点位置如图 2 所示。测点 1 位于两列车所处轨道的中心位置，测点 2 距通过列车的非交会侧车体表面 1 m。由图 5 可得，在两列车头车交会时，测点处会产生一个正、负脉冲，即头波，两列车会有明显的“排斥-吸引”感；在最大负脉冲出现后，列车其他部位交会时测点压力开始等幅波动，直到通过列车的尾车鼻尖经过观察列车尾车鼻尖时，会产生一负、正脉冲，即尾波，两列车会有明显的“吸引-排斥”感。

 

 

图 4 列车明线交会不同时刻垂向截面压力分布

 

 

图 5 流场测点的压力时程曲线

 

3.2 速度分布

图 6 和图 7 分别给出了列车交会过程中，不同时刻纵向截面和垂向截面上的速度分布情况。由图 6 可得，在靠近头车鼻尖上游区域，气流受到运动列车的干扰，气流在列车的带动下开始运动，因此列车头部附近的流体速度较高。在头车排障器下游车底空间、列车头车前端出现加速区，主要原因是排障器尖点扰动与车底/地面挤压效应综合作用而形成。列车尾部气流非常紊乱，交会过程中，列车尾部气流的紊乱程度加剧。

 

 

图 6 列车明线交会不同时刻纵向截面速度分布

 

 

图 7 列车明线交会不同时刻横向截面速度分布

 

由图 7 可得，在头车鼻尖下游两侧车体周围区域及头/尾车流线型肩部上方区域，高速列车在交会时表现出局部加速效应。在尾车鼻尖下游区域，高速列车在交会时形成了紊度较高的回流区，在该回流区不同速度等级的低速区相互掺混，并且在该回流区两侧外围区域出现加速区，表现出强烈的掺混效应；受到交会车体的挤压作用，致使在回流区里面出现更多的加速区和更多的低速区，从而气流的掺混效应变得更强，而且回流区长度变得更长。即使列车交会完成之后，交会对列车周围绕流的影响仍然存在。

 

3.3 涡量分布

图 8 给出了不同时刻列车交会过程中的列车周围流场的涡量分布情况。由图可得，高速列车交会时转向架区域、头车排障器区域与尾流区等为强涡量区域。车体两侧强涡量分布区域是由于交会过程中气体受到车体挤压造成的，该区域低速区域与高速区交替分布；尾流区的强涡量区外形均以带状涡占主导，并且各强涡量区域并不连续，相互之间以弱涡量区域连接。列车单独在明线运行时，列车周围绕流呈对称分布，列车交会时，导致列车原本周围绕流流场受到干扰，流场结构破坏，列车两侧涡结构发展更迅速。

 

 

 

图 8 列车明线交会不同时刻涡量分布

 

4. 结论

通过对比列车交汇过程中，压力场、速度场以及涡量的分布规律可得如下结论：

（1）列车整个交会过程中，列车表面测点首先会产生一个正、负脉冲的头波，之后表面压力开始等幅波动，直到通过列车的尾车鼻尖通过观察列车尾车鼻尖时产生一负、正脉冲的尾波。交会过程式列车表面压力剧增将导致列车侧窗破裂等危险事故发生。

 

（2）列车高速运行时，其周围流场是一个非常复杂的三维粘性湍流流场。气流从列车表面不断分离形成一系列脱落涡，漩涡不断向下游发展形成一系列大尺度涡。强涡区主要分布在列车一位端转向架、头车排障器附近、头车流线型区域以及列车尾涡区。

 

（3）列车交会时，列车周围原有的绕流流场结构受到破坏，列车表面脱落涡的速度加快，流场强涡区的发展速度变快。列车交会侧的气流受到挤压，气流向下游发展速度更快，进一步造成列车尾涡区更加紊乱。

 

资料来源：达索官方