横风作用下铁路货车d型棚布的气动升力分析

横风作用下铁路货车d型棚布的气动升力分析

铁路卡车衬布（简称衬布）是铁路卡车的辅助设备。它用于将防水、危险和其他货物运到需要翻新的宽体汽车。长期以来,由于铁路棚车不足,粮食、化肥等大宗货物运输多采用敞车苫盖篷布装运,货车篷布在铁路运输中对货物运输量的增加起到了重要作用。当货车篷布在大风地区运行时候,篷布、篷布绳索、篷布绳网受到的气动力增大,经常出现篷布脱落或绳索挂坏运输设备的现象;同时,在电气化区段如果篷布、绳网被掀翻,将直接危及接触网的安全。目前对大风环境下客运列车气动性能研究较多,对货车篷布气动性能的研究很少。本文作者对横风作用下篷布的气动升力进行了数值模拟计算,并与实车试验进行对比,分析了列车在大风地区运行时,列车运行速度和横风风速对其气动升力的影响,总结出篷布所受的气动升力随着列车车速和横风风速的变化规律。1非结构网格生成技术Fluent6.0是一个具有强大功能的流场数值计算软件,采用目前应用最广又较成熟的有限体积法对方程求解;采用非结构网格生成技术对计算区域进行离散,并可生成混合网格;其自适应功能非常强,能对网格进行细分或粗化。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术,Fluent6.0能达到最佳的收敛速度和求解精度。Fluent6.0提供了多种湍流模型,这里我们选取工程上应用较广的k-ε双方程模型。控制方程具体形式见参考文献。2计算模型、区域、边界条件和网络计算2.1列车计算结果为了保证数值计算的准确性和计算机资源的有效利用,本次计算对敞车计算模型作了如下简化:不考虑车辆转向架,省略车辆细微结构,如车钩等装置;采用四车联挂(机车和3节敞车)。采用三角形的篷布支架,超车帮0.75m,篷布采用D型铁路篷布(其规格为15m×5.3m,面积为79.5m2)。列车计算模型如图1所示,苫盖篷布敞车模型如图2所示,篷布计算模型如图3所示。篷布在货车运行过程中会受到气动升力的作用,当货物出现沉降时,为模拟篷布与货物之间空气的流动情况,计算模型中给定篷布距离敞车边缘距离为0.02m,即篷布与货物之间流道尺寸为0.02m,具体见图4。2.2通过改善来流速度以提高模型阻塞比计算区域的确定应考虑到气流绕流和流场的充分发展,因此,计算区域的宽和高应远大于车体的截面尺寸。对于计算区域的高度尺寸而言,列车模型对气流通道的阻塞,使通道变窄,流速有所增加,相当于改变了来流速度,应该尽量增大计算区域的高度尺寸,以减少模型阻塞比对计算结果的影响。对于入口方向长度而言,为了便于入口边界条件的给定,入口截面应当尽量远离车体,以避免受到列车绕流的影响,并且保证入口速度分布均匀。对于出口方向长度而言,由于空气的粘性,在列车背风一侧有漩涡产生。为了使列车背风侧的空气流动得到充分发展,应尽可能使出口区域边界远离车体模型,以便于出口边界条件的给定。经过试算比较与分析,计算区域的长度为400m,宽度为300m,高度为80m,如图5所示。2.3合成风解压计算数学模拟列车外流场的数值模拟是在有限区域内进行的,因此,在区域边界上需给定边界条件。确定边界条件要求在数学上满足适定性,在物理上具有明显的意义。本次采用合成风方法进行模拟计算,即通过给定计算区域入口速度的方法综合考虑列车运行速度与风速的影响。入口ABCD、ABEF为速度入口条件;出口EFGH、CDGH为压力出口,静压为零;地面(即ADEH面)给定滑移边界条件,方向与车速方向相反,大小相等,以体现与列车之间的相对运动。流域的顶面与两侧面以及车体表面给定光滑的无滑移的壁面边界条件。2.4车桥地区密网格和稀疏网格间的过渡采用非结构化网格对计算区域进行离散。车体靠近壁面的网格要求较细,而远离车体部分的网格则采用稀疏网格,密网格和稀疏网格之间以一定的增长因子均匀过渡,这样既保证精度要求,又减小计算量并加快收敛速度。车体表面单元为三角形网格,考虑到货物沉降后对篷布气动力的影响,计算模型中篷布与货物之间存在间隙,此区域网格较密,计算模型总网格数为160万个左右。计算模型沿车辆纵向的剖面网格图如图6所示,篷布网格图如图7所示。3计算结果和分析3.1布外表面压力图8为列车速度为64km/h,横风风速为31.5m/s时,篷布外、内表面压力分布图。从图8可以看出:篷布内、外表面基本上都为负压,篷布外表面由于空气流速较快,负压值较大;而篷布内表面由于空气流速较慢,负压值较小;在内外压差的作用下,整张篷布受到向上的气动升力。3.2列车车速对重、速度值的影响选取横风风速为31.5m/s(11级风),列车速度分别为64,80,90,100,120km/h来研究列车速度对篷布所受气动升力的影响。表1为横风风速一定、不同列车车速情况时篷布所受气动升力计算结果。图9为根据表1数据得到的篷布升力随着列车车速变化曲线。从表1和图9可以看出:当横风风速一定时,随着货车运行速度增加,整张篷布所受向上的气动升力增大。3.3不同横风风速对加强重负荷时于选取列车车速为120km/h,横风风速分别为20.7(8级风)、25.5(10级风)、31.5(11级风)、35.3(12级风)、41.4(13级风)来研究横风风速对篷布所受气动升力的影响。表2为列车运行速度一定、不同横风风速情况时的篷布气动力计算结果。图10为根据表2数据得到的篷布升力随横风风速变化曲线。从表2和图10可以看出:当列车车速一定时,随着横风风速增大,篷布受到的气动升力相应增大,篷布所受气动升力近似与风速的平方成正比。3.4实车试验结果图11为实车试验时无网D型篷布各绳索拉力测点布置图。表3列出了实车试验时(货车速度为64km/h,风速为31.5m/s)无网D型篷布各篷布绳索所受拉力。由文献可知:1m2干燥篷布(包括涂覆织物)的重量为840g,D型篷布长为15m,宽为5.3m。通过计算可以得到整块D型篷布的重量为66.78kg,重力加速度取10m/s2。由表3数据可得实车试验时无网D型篷布绳索所受合拉力为24934N,篷布升力值等于试验所有绳索受到的合拉力与篷布重量之和。试验与计算结果对比见表4。由表4可知:计算与试验结果仅相差6.8%,证明文中所用数值计算方法可行。4风速随转速的变化(1)列车速度一定时,篷布所受气动升力随横风风速的增加而