网站原创摘 要：
为研究横风下桥梁高度对高速列车会车性能的影响,基于空气动力学和列车系统动力学,分析指数风分布下不同高度桥梁周围的流场,建立高速列车多体系统动力学模型,模拟横风下列车在不同高度桥梁上会车时的表面压力特性和气动载荷特性.将得到的气动力作为外加载荷作用于列车上,分析桥梁高度对高速列车会车安全性能的影响.结果表明：当列车在环境风下交会时,背风侧列车的气动力波动大于迎风侧列车的气动力波动；当监测点风速固定且桥梁高度小于15m时,随着桥梁高度的增加,列车的气动载荷最大幅值和安全指标最大幅值均有所减小；当桥梁高度为15～30m时,随着桥梁高度的增加,列车的气动性能和动力学性能基本保持不变.
关 键 词：
高速列车；桥梁高度；指数风；环境风；列车交会；空气动力学；列车系统动力学
中图分类号：U270.11；TB115.1
文献标志码：B
0引言
高速列车在线路上交会时,压力突变会对车体造成强烈的瞬态冲击,严重影响列车的安全性和乘客的舒适性.[1]高速列车经常运行在大风地区,尤其在山区的风口地段,列车绕流流场明显改变,增大脱轨、翻车的可能性.[2]强环境风对列车运行的安全性有重要影响,文献[36]研究强横风环境下列车的气动特性和安全性.
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目前,高速铁路线路以高架桥为主,为更好地模拟大气边界,高广军等[7]研究指数分布下列车在不同高度桥梁上运行的气动性能；文献[810]研究无环境风下列车交会时车体表面压力、气动载荷及交会时气流诱发的振动等问题.
高速列车交会越来越频繁,而且会不可避免地遇到环境风.国内外的研究很少综合考虑环境风和交会对高速列车气动性能及运行安全的影响.董亚男[11]研究侧风环境下列车在特定桥梁高度下会车时的气动性能和横向稳定性,但是其模型中入口速度边界条件在高度上的分布为常值,无法较好地模拟大气边界,偏离实际.此外,国内外尚无相关文献研究环境风作用下桥梁高度对列车交会的气动性能和动力学性能的影响.
本文研究不同高度桥梁周围的风场分布,对比分析高速列车在不同高度桥梁上会车时的气动性能,并基于列车多体动力学模型研究横风下桥梁高度对高速列车会车安全性的影响.
1高速列车空气动力学计算
1.1几何模型和区域网格
列车模型采用三节编组形式,即由外形相同的头车、尾车和一节中间车组成,保留转向架区域的主要结构（构架和轮对）,忽略受电弓、车间连接及其他细部结构.
为便于分析,将交会的两列列车分别定义为迎风车和背风车,桥梁和车体位置见图1.为研究列车交会过程中车体表面压力波的变化规律,在车体交会侧的相应位置（头车车门和车窗处、中间车车窗处、尾车车窗和车门处）布置监测点,列车侧面测点布置见图2.流场区域的长度为500m,交会的两车头车鼻尖相距50m,尾部距离出口均为150m,迎风侧入口到迎风车的轨道中心线距离为60m,背风侧出口距离为80m,顶端边界距离地面80m,计算区域侧视图见图3.
1.2数值验证
为验证计算模型和网格的合理性,以高速列车在平地上以250km/h等速交会时相应测点压力波的变化为例,将试验得到的会车压力波与数值仿真结果进行对比[12].列车交会试验结果见图5,仿真结果见图6.由于试验列车为8车编组,所以中间车通过另一列车的时间段（中间平稳段）比数值仿真的时间段长.由图5和6可知,数值仿真结果与试验结果的峰值和变化趋势基本一致,因此本文的计算模型和计算方法可行.