考慮轉(zhuǎn)向風(fēng)作用的車-橋系統(tǒng)氣動力特性研究

考慮轉(zhuǎn)向風(fēng)作用的車-橋系統(tǒng)氣動力特性研究

對于具有轉(zhuǎn)向風(fēng)的車輛，在一定速度內(nèi)通過橋梁的軸向運(yùn)動（通常是交通工具），實際流量向量為自然風(fēng)速度向量w和車輛運(yùn)動速度向量v的合成（如圖1所示，是自然風(fēng)的方向角，是車輛的方向角。在車輛（列車）運(yùn)動過程中，上部存在一定的減壓區(qū)，對車輛的提升系數(shù)有重大影響。此外，由于車身空氣的壓縮和車身空氣的拖動，車身的動態(tài)特性產(chǎn)生了明顯的三維繞射效應(yīng)，影響了車輛的動態(tài)特征。當(dāng)車輛在橋道上行駛時，車輛的存在會改變橋道的動態(tài)范圍。因此，橋梁段的氣特征隨列車的到達(dá)和離開而變化。同時，由于橋中的車輛位于橋中，橋道的幾何形狀會影響橋中車輛的動態(tài)負(fù)荷。在分離迭代的車輛-橋耦合振動分析中，考慮到側(cè)面風(fēng)的影響，需要考慮車輛和橋梁的氣動力參數(shù)，以及車輛和橋梁之間的運(yùn)動影響。針對車-橋系統(tǒng)氣動繞流特性的研究主要包括CFD數(shù)值模擬和模型風(fēng)洞試驗.對于二維靜態(tài)車-橋系統(tǒng)繞流,數(shù)值模擬的計算工作量不大,可較方便地改變系統(tǒng)參數(shù),如風(fēng)速、風(fēng)攻角、車輛類型、橋梁類型及車-橋組合狀態(tài)等,但難以考慮車輛運(yùn)動的影響.基于三維數(shù)值模擬,可應(yīng)用多重參考系法、混合平面法、滑動網(wǎng)格法分析車輛運(yùn)動對氣動繞流的影響.采用三維數(shù)值模擬可以考慮車-橋系統(tǒng)的相互氣動影響及車輛運(yùn)動效應(yīng),但三維數(shù)值模擬的計算量較大,且其精度有待驗證.Kwon等在風(fēng)洞中通過移動地板模擬車輛運(yùn)動,研究了列車外形對車輛行駛阻力的影響.Suzuki等在風(fēng)洞中通過改變車-橋組合模型的風(fēng)向角模擬車輛運(yùn)動的影響,并分析了車輛阻力系數(shù)與橋梁梁高的關(guān)系.葛玉梅等采用節(jié)段模型風(fēng)洞試驗研究了車-橋系統(tǒng)的氣動特性,通過改變測力天平與車輛或橋梁模型的連接來測量車輛和橋梁模型的氣動力.李永樂等采用交叉滑槽系統(tǒng),通過組合節(jié)段模型試驗分別測試了車-橋系統(tǒng)中車輛和橋梁的氣動力,并利用線狀結(jié)構(gòu)氣動力的余弦規(guī)則以考慮車輛運(yùn)動對車-橋系統(tǒng)氣動力的影響.Charuvisit等在風(fēng)洞試驗中,將車輛模型安裝在直線電機(jī)導(dǎo)軌的移動基座上,以模擬車輛的運(yùn)動,主要研究車輛通過橋塔尾流時氣動力的變化.Baker在大氣邊界層風(fēng)洞試驗中,通過移動車輛模型測試了車輛的氣動力和氣動彎矩,并討論了模擬試驗的復(fù)雜性及解釋試驗結(jié)果的困難性.已有的多數(shù)風(fēng)洞試驗研究僅針對車輛或僅針對橋梁,對車輛運(yùn)動及車輛與橋梁間相互氣動作用考慮不夠.為探討車輛運(yùn)動對車-橋系統(tǒng)氣動特性的影響,本文基于自主研制的移動車輛模型風(fēng)洞試驗系統(tǒng),針對軌道交通車輛(如火車、輕軌)和公路交通車輛(如汽車),分別采用三車模型和單車模型,測試了不同工況下車輛和橋梁各自的氣動力系數(shù),討論了車速、風(fēng)向角、車輛所處軌道位置以及車輛類型等對車輛和橋梁氣動特性的影響.1試驗設(shè)計與試驗方案為考察車輛運(yùn)動的影響,根據(jù)西南交通大學(xué)XNJD-3風(fēng)洞試驗段尺寸,研制了一套移動車輛模型風(fēng)洞試驗系統(tǒng).本文基于該試驗系統(tǒng),以實際軌道交通車輛和橋梁為原型,車輛模型和橋梁模型均按1/45的幾何縮尺比加工制作.針對軌道交通車輛和公路交通車輛,分別采用三車模型和單車模型(圖2).對軌道交通車輛的研究只針對中間車,頭車和尾車均未嚴(yán)格模擬,僅相當(dāng)于氣動過渡段.通過在車輛模型前側(cè)和后側(cè)設(shè)置氣動過渡段,以保證中間車(氣動測力段)氣動力的穩(wěn)定性,減弱車頭和車尾處端部三維繞流的影響.對于公路交通車輛,為更好地對比頭車和尾車的氣動過渡作用,單車模型直接取三車模型的中間測力車,以便三車模型和單車模型2種情況下氣動力系數(shù)的對比,未嚴(yán)格模擬公路交通車輛的外形.沿來流方向,在橋梁模型上從迎風(fēng)側(cè)到背風(fēng)側(cè)設(shè)置A、B、C、D四個軌道位置,車輛可分別沿4個軌道運(yùn)行(圖3),以考察不同軌道位置的影響.試驗中取6、8和10m/s三種風(fēng)速,設(shè)定0、4、6和8m/s四種車速.設(shè)定數(shù)據(jù)采集時間為12s,采樣頻率為909Hz.為減小動態(tài)試驗數(shù)據(jù)的誤差并兼顧試驗效率,對每一工況重復(fù)進(jìn)行5次測試.2影響車輛行駛速度的決定2.1車輛困難立地類型為考察車輛(三車模型)以不同速度運(yùn)行時對車輛和橋梁氣動力系數(shù)的影響,試驗設(shè)置了車輛位于迎風(fēng)側(cè)軌道A(圖3)、風(fēng)速為10m/s、車速v分別為0、4、6、8m/s的試驗工況.不同車速下平穩(wěn)段車輛的三分力系數(shù)見圖4~6(橫坐標(biāo)已換算為從原點(diǎn)開始的相對位置,下同).從圖4~6可見,車輛三分力系數(shù)均有所波動,這主要是由于試驗中裝置的振動干擾以及車速不穩(wěn)定引起的.不同車速下車輛阻力系數(shù)存在一定差異,但差異不明顯.對于升力系數(shù),車輛運(yùn)動時,由于頭車的分流作用,使車輛上方產(chǎn)生負(fù)壓區(qū),從而使車輛的升力系數(shù)明顯增大.車輛升力系數(shù)時程曲線整體向下偏斜,這主要是因為車速在較短的時間內(nèi)從0增大到設(shè)定值,此時頭車的分流及由車輛運(yùn)動引起的繞流尚未達(dá)到穩(wěn)造成的.車輛力矩系數(shù)有增大的趨勢,但規(guī)律性不顯著.橋梁的三分力系數(shù)見圖7~9.從圖7~9可見,當(dāng)車輛未到達(dá)測力梁段時,不同車速下橋梁的三分力系數(shù)較接近;當(dāng)車輛運(yùn)行到測力梁段上方(橫坐標(biāo)5.25~6.75m處)時,橋梁阻力系數(shù)和升力系數(shù)急劇下降,而力矩系數(shù)急劇上升,車輛的存在對橋梁氣動力系數(shù)影響較明顯.采用雙重平均的方法得到各工況下車輛和橋梁氣動力系數(shù)的最終取值(表1).從表1可知,當(dāng)車輛靜止(v=0m/s)時,車輛升力系數(shù)為負(fù),而車輛運(yùn)動時為正,說明車輛運(yùn)動對其升力系數(shù)影響較大.車輛阻力系數(shù)、力矩系數(shù)隨車速增大的變化規(guī)律不明顯,原因可能是由于三車時頭車和尾車氣動過渡段的存在,使不同車速下中間氣動測力段的繞流場相對穩(wěn)定,加之車輛橫斷面較為規(guī)則,車輛運(yùn)動引起的三維繞流的影響有限,從而使車輛沿來流方向的氣動力變化較小.關(guān)于橋梁的三分力系數(shù),車速增大時,橋梁阻力系數(shù)有增大的趨勢,而橋梁升力系數(shù)和力矩系數(shù)對車速的變化不敏感.2.2單車模型時的各因素三車模型相當(dāng)于軌道交通車輛(如火車、輕軌),而單車模型則相當(dāng)于公路交通車輛(如汽車).為考察車輛以不同速度運(yùn)行時對車輛、橋梁氣動力系數(shù)的影響,試驗中同樣設(shè)置了單車位于迎風(fēng)側(cè)軌道A、風(fēng)速為10m/s、車速分別為0、4、6和8m/s的試驗工況.單車模型時,車輛氣動力系數(shù)時程、測力梁段處橋梁的氣動力系數(shù)時程與三車模型時的變化趨勢相似.不同工況下車輛的三分力系數(shù)和車輛位于測力梁段時橋梁三分力系數(shù)的最終取值見表2.從表2可見,車輛的三分力系數(shù)隨車速變化的規(guī)律較明顯:車輛阻力系數(shù)和升力系數(shù)均隨車速提高而增大,而力矩系數(shù)則隨車速提高而減小至負(fù)值.這說明,與三車相比,單車時車輛氣動力系數(shù)對車速更為敏感.車輛靜止時,橋梁阻力系數(shù)和力矩系數(shù)的絕對值比車輛運(yùn)動時大,而升力系數(shù)的絕對值比車輛運(yùn)動時小,車速對橋梁氣動力系數(shù)的影響規(guī)律不明顯.3角效應(yīng)3.1合成風(fēng)向角和速度的確定對于側(cè)向風(fēng)作用下沿橋梁軸向以一定速度行駛的車輛,其實際風(fēng)向角是來流速度矢量與車輛運(yùn)動速度矢量合成后風(fēng)速與橋梁軸向的夾角(圖1).對于三車模型,車輛位于迎風(fēng)側(cè)軌道A時,在不同風(fēng)速(6、8和10m/s)和不同車速(4、6和8m/s)組合情況下,合成風(fēng)向角β的取值見表3,車輛、橋梁氣動力系數(shù)隨風(fēng)向角變化的情況見圖10和圖11.可見,車輛、橋梁氣動力系數(shù)對風(fēng)向角的變化不敏感.3.2車輛阻力和升力系數(shù)對于單車模型,當(dāng)車輛位于迎風(fēng)側(cè)軌道A時,車輛、橋梁三分力系數(shù)隨風(fēng)向角的變化見圖12和圖13.可見,車輛阻力系數(shù)和升力系數(shù)隨風(fēng)向角減小而增大,表明車速加快會導(dǎo)致車輛阻力系數(shù)和升力系數(shù)增大;而橋梁三分力系數(shù)和車輛力矩系數(shù)對風(fēng)向角的變化不敏感.對比分析不同風(fēng)向角下單車模型與三車模型車輛、橋梁的三分力系數(shù)可知,單車模型氣動力系數(shù)的變化規(guī)律較三車模型明顯,說明頭車和尾車的氣動過渡作用在一定程度上減小了車輛運(yùn)動對中間車氣動力系數(shù)的影響.4軌道位置的影響4.1不同位置軌道車輛—三車模型為考察車輛位于不同軌道位置時車輛和橋梁三分力系數(shù)的變化,試驗中設(shè)置了風(fēng)速為10m/s、車速為8m/s、車輛分別位于A、B、C、D四個軌道位置的試驗工況.不同軌道位置時車輛和橋梁三分力系數(shù)的最終取值見圖14.從圖14可見,車速為8m/s時,從軌道A到軌道D,車輛三分力系數(shù)均依次減小,其中車輛力矩系數(shù)減至負(fù)值;橋梁阻力系數(shù)總體上依次增大,升力系數(shù)依次減小,而力矩系數(shù)變化不大.為進(jìn)一步分析車輛在不同位置軌道運(yùn)行時對橋梁氣動特性的影響,圖15~17給出了風(fēng)速為10m/s、車速為8m/s、車輛依次位于軌道A、B、C、D時橋梁三分力系數(shù)時程曲線.可見,當(dāng)車輛位于軌道A、B、C時,橋梁三分力系數(shù)的總體變化趨勢相近,且當(dāng)車輛位于測力梁段上方(橫坐標(biāo)7.25~8.75m處)時,橋梁阻力系數(shù)和力矩系數(shù)的絕對值均迅速減小;而當(dāng)車輛位于軌道D時,橋梁阻力系數(shù)和力矩系數(shù)的變化規(guī)律不明顯.車輛分別沿軌道A、B、C、D運(yùn)行時,橋梁升力系數(shù)均為負(fù)值,且依次減小.4.2單車模型下的車輛極限力為考察軌道位置對單車模型車輛和橋梁氣動力的影響,試驗設(shè)置了風(fēng)速為10m/s、車速為8m/s、車輛分別在軌道A、D上運(yùn)行的試驗工況.在相同的風(fēng)速、車速和軌道位置條件下,單車模型情況下測力梁段處橋梁三分力系數(shù)的時程曲線與三車模型的變化趨勢相似.不同工況下車輛的三分力系數(shù)和車輛處于測力梁段上方時橋梁三分力系數(shù)的最終取值見表4.可見,單車位于A軌道時,車輛阻力系數(shù)和升力系數(shù)比位于軌道D時大,車輛力矩系數(shù)在軌道D時變?yōu)樨?fù)值;橋梁升力系數(shù)和力矩系數(shù)均為負(fù)值(位于軌道D時絕對值較大),而對于橋梁阻力系數(shù),位于軌道D時比位于軌道A大,與三車模型的變化情況類似.5車輛氣動過渡模型氣動力系數(shù)隨車速和速度的變化基于移動車輛模型風(fēng)洞試驗系統(tǒng),通過對不同車輛模型(三車模型和單車模型)時車輛、橋梁三分力系數(shù)在多種工況下進(jìn)行的測試和分析,可得以下主要結(jié)論:(1)側(cè)向風(fēng)作用下車輛(包括軌道交通車輛和公路交通車輛)通過橋梁時,車輛的存在對車下梁段氣動力系數(shù)的影響較明顯,但車速變化對橋梁氣動力系數(shù)的影響較為有限.(2)側(cè)向風(fēng)作用下車輛通過橋梁時,對于軌道交通車輛的中間車輛(相當(dāng)于三車模型的中間車),車輛阻力系數(shù)和力矩系數(shù)總體上隨車速增大存在增大的趨勢,但車速的影響較有限.由于頭車的分流作用,使車輛上方產(chǎn)生負(fù)壓區(qū),從而使運(yùn)動車輛的升力系數(shù)明顯增大.對于實際列車,隨列車長度增大,頭車分流對中間車輛升力系數(shù)的影響將逐漸減弱.(3)與軌道交通車輛(對應(yīng)于三車模型)相比,公路交通車輛(對應(yīng)于單車模型)的氣動力系數(shù)對車速更敏感,車輛阻力系數(shù)和升力系數(shù)隨車速提高而增大,而力矩系數(shù)隨車速提高而減小.(4)軌道交通車輛在橋上運(yùn)行時,隨合成風(fēng)向角的變化,車輛氣動力系數(shù)和橋梁氣動力系數(shù)均有一定變化,但不敏感;而對于公路交通車輛,車輛阻力系數(shù)和升力系數(shù)均隨合成風(fēng)向角減小而增大.這表明頭車和尾車的氣動過渡作用,在一定程度上減小了車輛運(yùn)動對軌道交通中間車輛氣動力系數(shù)的影響.(5)對于軌道交通車輛和公路交通車輛,當(dāng)車輛從迎風(fēng)側(cè)軌道到背風(fēng)側(cè)軌道時,車輛三分力系數(shù)均不斷減小;橋梁阻力系數(shù)