摘要
列车在高速运行时，如果受到强横风作用，空气动力学性能显著改变，侧向力和侧翻力矩会显著增加，列车脱轨、倾覆的可能性大大增加，对列车运行安全造成严重影响，同时在横风环境下列车所受的阻力与无横风时对比有很大区别，列车阻力的变化会变得更加复杂，因此高速列车的横风效应气动特性应得到高度重视，横风效应气动特性包括横风作用下的侧向稳定性和横风作用下的气动阻力特性两方面。国内外的高速列车具有不同的形状特征，比如CRH380A型车头车变截面长度为12m，CRH2的约为9.6m，CRH3的约为6.5m，ICE的约为4.7m，变截面长度的增加使列车头车鼻尖至车肩区段过渡更平缓。为探讨高速列车不同车型的横风效应气动特性，基于 Navier-Stokes方程和k-ε湍流模型，采用数值计算方法，计算分析了CRH2、CRH3、CRH380A和德国ICE型高速列车在不同列车运行速度、不同横风速度25种工况下的侧向力、侧翻力矩和阻力。不同横风速度包括20m/s、25m/s、30m/s、35m/s、40m/s五种，不同列车运行速度包括200km/h、250km/h、300km/h、350km/h、400km/h五种。通过比较CRH2、CRH3、CRH380A和德国ICE型高速列车之间的横风效应气动特性，判断哪种车型在横风作用下的气动特性最优。计算结果表明： 1. 高速列车在横风条件下运行时，头车受到的侧向力和侧翻力矩最大，中间车其次，尾车最小，列车头车是侧向力、侧翻力矩最严峻的车厢，分析列车的侧向稳定性只需要针对头车进行即可。 2. 不同车型头车的侧向力、侧翻力矩随列车运行速度和横风速度的变化规律相同。列车在横风作用下运行时，头车的侧向力和侧翻力矩随着横风速度和列车运行速度的增大而增大，高速列车在遇到横风时，降速行驶可以减小头车侧向力和侧翻力矩，从而降低头车发生侧翻的风险。总体上，当横风速度恒定时头车所受的侧向力、侧翻力矩与列车运行速度成线性关系；当列车运行速度恒定时头车所受的侧向力、侧翻力矩与横风速度成二次平方关系。风速对于头车侧向力和侧翻力矩的影响要大于车速对于头车侧向力和侧翻力矩的影响。 3. 在横风环境下，车头背风侧处会出现较大面积的负压区，在较小车速和较大风速的工况下，头车的最大负压绝对值要大于最大正压值，并且最大负压区的面积也随着横风速度的增大而增大，因此头车的压差阻力会出现负值，头车的阻力方向有可能与列车运行方向相同。 4. 不同车型整车所受的阻力随列车运行速度和横风速度的变化规律相同。整车阻力主要受中间车和尾车阻力的影响，并且横风速度对整车阻力影响很小，其主要受列车运行速度的影响。随着列车运行速度的增加，整车阻力大致呈与车速的二次平方关系快速增长。 5. 受电弓侧挡板会使安装的那节车厢的侧向力和侧翻力矩大幅增加，并会给后面车厢的侧向稳定性带来不利影响，同时会使后面车厢的阻力变化更加复杂。 6. 在横风作用下，CRH3 型列车头车在车头鼻尖到车肩过渡区段出现的正压值和负压绝对值总体上都要小于CRH2、CRH380A和ICE型列车头车，因此CRH3型高速列车在横风作用下的侧向稳定性最优，要优于CRH2、CRH380A和ICE车型。侧翻力矩是衡量列车倾覆的重要指标，CRH3 和 CRH380A 型列车在侧翻力矩系数上相差不大，说明CRH380A型列车的侧向稳定性与CRH3型列车相差不大。 7. 在横风作用下，CRH380A 型列车车体表面的正压值和负压绝对值都要小于CRH2、CRH3和ICE型列车，因此CRH380A型列车在横风作用下气动阻力特性要优于CRH2、CRH3和ICE型列车。各车变截面长度大小关系与横风作用下的阻力系数大小关系刚好相反，说明平缓的变截面过渡使整车在横风环境下所受到的阻力减小。 8. 综合而言CRH380A和CRH3型高速列车的横风效应气动特性要优于CRH2和ICE型高速列车。 本文工作对高速列车横风作用下的侧向稳定性和气动阻力特性研究有一定的借鉴作用，对高速列车车型的比选和优化有一定的参考价值。
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