cca2018風(fēng)工程全文集版08車輛空氣動(dòng)力學(xué)

1,1,司天文2（1.西南交通大學(xué)橋梁工程系,2.第一勘察設(shè)計(jì)院,陜西西安摘要：風(fēng)災(zāi)是軌道交通安全的主要自然，然而強(qiáng)季風(fēng)和臺(tái)風(fēng)時(shí)往往都伴隨著U=20m/sV=350km/hIh=200mm/h，桁架橋上運(yùn)行車輛升力及阻力增大系數(shù)可達(dá)到3.4%和2.4%；升力及阻力增大系數(shù)與車輛運(yùn)行速度成反比，與車輛氣脈動(dòng)力增大系數(shù)簡(jiǎn)化，可為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。：移動(dòng)車輛，非定常氣動(dòng)力，雨滴載荷，氣動(dòng)導(dǎo)納函數(shù)，增引了風(fēng)驅(qū)雨作用下車輛的氣動(dòng)力性能，結(jié)果表明降雨對(duì)車輛運(yùn)行阻力影響較大。然而[8]15%~25%。因此有必要對(duì)風(fēng)驅(qū)雨載荷進(jìn)一步研究。移動(dòng)車輛非定常氣動(dòng)基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目,編號(hào)當(dāng)高速列車運(yùn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)橫向平均風(fēng)速U和合成平均風(fēng)速VRw，平均偏航角脈動(dòng)將發(fā)生脈動(dòng)。[9]基于Baker的非定常氣動(dòng)力的計(jì)算理論，推導(dǎo)得到22 bu1

C'i(

i=Fi

HVRCi()+HU

2C()cot FstFbu（i=D,L,M）分別為平均風(fēng)作用力和抖振風(fēng)作用力;C(（i=D,L,M） 導(dǎo)納函數(shù)進(jìn)行描述；在時(shí)域內(nèi)，Dendatpiersol

Fbu=1HC2CicothUt i FF h=2nV/L2e-2nV/ 紊流假定，獲得移動(dòng)點(diǎn)風(fēng)譜的關(guān)系。對(duì)波長(zhǎng)小于300m時(shí)，紊流假定近似正確，當(dāng)平均風(fēng)速U=30m/s時(shí)，假定的使用范圍為頻率n>0.1Hz。一般而言，車輛的主要頻率在0.1Hz以上，因此，凍結(jié)假定于移動(dòng)車輛的研究是合適的 1

Sn''Snu

cSnuuuu

1c v

1

Sn''

;nV U cvvU2V2cuuU2V2;SunSvn分別為固定點(diǎn)的縱向脈動(dòng)功率譜和側(cè)根據(jù)我國《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]SimiunSun=

u* 1u*u*nSvn u*

1u*nSwn u*

1 0o~45o航偏角，學(xué)者[10]常用C=Ksin 氣動(dòng)力氣動(dòng)力系2---

偏航角（a）6m高路堤道床構(gòu)造圖 圖16m高路堤車輛氣動(dòng)力系數(shù)平地(頭車平地（中間車6m高路堤（頭車桁架橋（中間車----47風(fēng)雨作用下雨滴的沖擊md2x dxCD 6rUdt md2y

6rVdt d2

6rW

a

dt

wy、z方向的風(fēng)速分量；雨滴質(zhì)量m4r3 3；R為雷諾數(shù)；C為雨滴的阻尼系數(shù)。 Gumnkinzer實(shí)驗(yàn)獲得了重力方向、不同直徑雨滴的阻力系數(shù)。在風(fēng)驅(qū)雨的過程中，1mm的雨滴近似于圓形，因此實(shí)驗(yàn)獲得的阻力系數(shù)可較準(zhǔn)確模擬不同方向阻尼系1mm的雨滴近似風(fēng)前面近似為平面，如果此時(shí)水平方向利用實(shí)驗(yàn)阻力系數(shù)，此時(shí)阻力將偏大。為了減小誤差，運(yùn)動(dòng)方程中CDZCDX、CDYU U V Wdxdydz dt dt dtR a

8mg2

300m~500m以下風(fēng)場(chǎng)。雨滴在不同的地表狀況下，對(duì)應(yīng)著不同的冪指數(shù)α，四類地表粗糙度分別為0.12、0.16、0.22和0.3。500m10、3050m/s三種工況，利用四種冪指數(shù)，可獲得不同高度處的風(fēng)速，雨滴直徑1、35mm三種。將不同參數(shù)帶入式9中，利用newmark-βd0H,d,

0

- 3

式中，雨滴d范圍0.5~5mm，風(fēng)坡面α范圍為0.12~0.3，高度H1~200m。當(dāng)解方程不同，比文獻(xiàn)[16]中擬合取值1.4大，比文獻(xiàn)[3]中擬合取值1.9[3]小。因此本文利用已有的進(jìn)行計(jì)算，其表達(dá)式為 d1147Vterm95001exp1.77 度（VR。當(dāng)結(jié)構(gòu)表面較光滑且摩擦系數(shù)小時(shí)，可忽略雨滴VR變化引起的作用力，只考慮雨滴Vh變化引起的作用力。Xingfu根據(jù)實(shí)驗(yàn)擬合得到雨滴碰撞力曲線的峰值表達(dá)式為FkV2d wk102m-1d為雨滴密度，V

p1=2.7e-4,p2=2.6e-8,q1=-0.04,q2=0.006,q3=4.8e-5,q4=2.2e-6因此下一個(gè)雨滴對(duì)前一個(gè)雨滴的碰撞過程有較大影響。現(xiàn)假設(shè)下一個(gè)雨滴與表面發(fā)生碰撞時(shí)，前一個(gè)雨滴的碰撞作用結(jié)束。兩個(gè)雨滴之間的時(shí)間間隔可以表示為t Palmer譜表示：nhdn0expd 式中：n0=8000m-3·mm-1λ=4.1Ih-021mm-1Ih為雨強(qiáng),mm·h-1d為雨滴直徑，單位為mm。F

ntd Vpeakh VhddFkAV3d td h 式中：V為雨滴與結(jié)構(gòu)的相對(duì)速度，A FdDk

3

kAUU

d33

w

dVhnh

kAU33U2U

d33ntdw

h式F 3kAU

d3

hUt

h

sdtdD033F k33

AU d

td

h h0Vterm。相對(duì)速度VpVterm與車輛速度的合成速度，作用力向下，為正。利用式13和式h0 F

AV

d3ntd

0風(fēng)驅(qū)雨作用力特0

32用力相比，可以得到2

2k dntd 2k

dntdst h

h VC( R

R V3d td2Lst w0 h2L

VRCi(氣動(dòng)力參數(shù)，其余參數(shù)如表2所示，各種參數(shù)對(duì)平均作用力的影響。220320603002200-隨著參數(shù)變化規(guī)律，結(jié)果繪于圖2。從圖2可以看出：圖2(a)中車輛運(yùn)行速度從100km/h～350km/h，對(duì)應(yīng)的風(fēng)偏角均小于45。升力及2(b)5m/s～30m/s311級(jí)暴風(fēng)，并且風(fēng)偏角也2(c)2(d)為不同風(fēng)坡面系數(shù)及高度計(jì)算結(jié)果，也反應(yīng)了風(fēng)速比對(duì)雨滴氣動(dòng)2(e)50mm·h-1～300mm·h-1。升力及阻力絕對(duì)值隨著速度增大而增大，圖升升43氣動(dòng)力氣動(dòng)力增減值氣動(dòng)力增減值22110 車輛運(yùn)行速度（a）

0 橫風(fēng)速度（b）升升氣動(dòng)力增減氣動(dòng)力增減值氣動(dòng)力增減值 風(fēng)坡面系（c）升升

高度

氣動(dòng)氣動(dòng)力增減值

雨強(qiáng)（e）

平地(頭車 （f）2 st95.8U027V088exp(0.0039I st-1500U1V087exp(0.0043I

U=20m/s350km/hdt=0.05s。根據(jù)車輛氣動(dòng)力（2），考慮權(quán)重函數(shù)及不考慮權(quán)重函數(shù)時(shí)，計(jì)算出橫風(fēng)作用下脈動(dòng)側(cè)向力時(shí)程，如圖33可以看出，權(quán)重函數(shù)對(duì)時(shí)程信號(hào)有明顯的修正作用，脈動(dòng)力峰值明顯減小，脈動(dòng)力均方根值從22588N減小為15869N，減小30%。根據(jù)雨滴脈動(dòng)力（21），考慮權(quán)重函數(shù)及不考慮權(quán)重函數(shù)兩種工況，計(jì)算出降雨影響下的脈動(dòng)側(cè)向力時(shí)程，如圖4所示，計(jì)算參數(shù)如表1所示4可以看出，雨滴脈動(dòng)力16398N減小為16175N，減小1.4%。將橫風(fēng)作用下和風(fēng)雨共同作用下脈動(dòng)力繪制于圖5，可以看出風(fēng)雨共同作用下峰值略微增大，其中脈動(dòng)力均方根值從15869N16175N，增大1.9%。圖3權(quán)重函數(shù)對(duì)脈動(dòng)側(cè)向力影 圖4權(quán)重函數(shù)對(duì)風(fēng)雨脈動(dòng)側(cè)向力影53k

d tdbu w h

i 行單一變量研究，可以獲得側(cè)向脈動(dòng)力的變化規(guī)律，結(jié)果繪于圖6。從圖6可以看出：U>15m/s時(shí)，增大系數(shù)基本不變 氣動(dòng)力增減值氣動(dòng)力增減值氣動(dòng)力增減值 2 車輛運(yùn)行速度

0 橫風(fēng)速度（b）氣動(dòng)氣動(dòng)力增減值 雨強(qiáng)6 st118U023V067exp(0.0039I 結(jié)

照風(fēng)速U=20m/s，車V=350km/h，雨Ih=200mm/h，桁架橋上運(yùn)行車輛升力及阻力增大系數(shù)可達(dá)到3.4%和2.4%。U>15m/s時(shí)，增大系數(shù)不受風(fēng)增大系數(shù)，可為工程計(jì)算提供依據(jù)。參考文獻(xiàn)ChoiECC.Wind-drivenrainonbuildingfacesandthedriving-rainindex[J].JournalofWindEngineering&IndustrialAerodynamics,1999,79(1–2):105-122.BlockenB,CarmelietJ.Spatialandtemporaldistributionofdrivingrainonalow-risebuilding[J].Wind&StructuresAnInternationalJournal,2002,5(5):441-462.ChoiECC.Wind-drivenrainanddrivingraincoefficientduringthunderstormsandnon-thunderstorms[J].JournalofWindEngineering&IndustrialAerodynamics,2001,89(3–4):293-308.ChoiECC.VariationofWind-DrivenRainIntensitywithBuildingOrientation[J].JournalofArchitecturalEngineering,2014,6(4):122-128.AbadieMO,MendesN.Numericalassessmentofturbulenceeffectontheevaluationofwind-drivenrainspecificcatchratio[J].InternationalCommunicationsinHeat&MassTransfer,2008,35(10):司天文 風(fēng)雨聯(lián)合作用下大跨鋼桁拱橋橋上地鐵交通行車安全性研究 .風(fēng)雨聯(lián)合對(duì)高速運(yùn)動(dòng)客車動(dòng)力作用數(shù)值模擬[D].中南大學(xué)于淼.低矮建筑風(fēng)雨作用效應(yīng)的數(shù)值與實(shí)測(cè)研究[D].浙江大學(xué),張繼業(yè),張衛(wèi)華.隨機(jī)風(fēng)作用下高速列車非定常氣動(dòng)載荷的計(jì)算方法[J].計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào),2013,30(3):356-361.BakerCJ.Thesimulationofunsteadyaerodynamiccrosswindsontrains[J].JournalofWindEngineering&IndustrialAerodynamics,2010,98(2):88-99.XZLi,JXiao,etal.Anyticalmodelforthefluctuatingwindvelocityspectraofamovingvehicle.JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics[J].2017,164,34-43.JTG/TD60-01—2004公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].:人民交通,BSEN14067-1:Railwayapplications-Aerodynamics-Symbolsandunits[S],FedericoChelia,RobertoCorradia,etal.Windtunneltestsontrainscalemodelstoinvestigatetheeffectofinfrastructurescenario,JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics[J].2010,164:Mingwang,Xiao-ZhenLi,Anexperimentalysisoftheaerodynamiccharateristicsofahigh-speedtrainonabridgeundercrosswinds,JournalofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics[J].2018,177:92-100.FuX,LiHN,YiTH.Researchonmotionofwind-drivenrainandra