城市建筑群与侧风对高速磁悬浮列车空气动力性能的耦合效应

《Sustainable Cities and Society》：Coupling effect of urban building clusters and crosswinds on the aerodynamic performance of high-speed maglev trains

高速磁浮列车在复杂城市建筑群与交叉风耦合作用下的气动特性研究。基于上海磁浮线1:10缩比模型，采用大涡模拟（LES）结合计算流体动力学（CFD）方法，系统分析不同建筑群布局（单、双、三、四簇）和风向角（45°-90°）对列车气动载荷、表面压力分布及流场结构的影响，揭示建筑间隙与城市道路对风场加速效应的放大机制，为高风速环境下磁浮列车运营安全提供理论支撑。

　　

毛建峰|王曦|刘一康|余志武|李峥|邓E

中南大学土木工程学院，中国长沙410075

摘要

中国高速磁悬浮列车的运行速度已达到430公里/小时。城市建筑群与侧风之间的空气动力耦合严重限制了磁悬浮列车的运行安全。以上海磁悬浮线路为原型，开发了一个包含侧风-城市建筑群-列车-桥梁系统的计算流体动力学（CFD）模型。采用大涡模拟（LES）方法研究了1至4种建筑群布局以及45°至90°范围内的风向角对列车空气动力载荷和流场结构的影响。使用1:10比例的模型，在列车速度恒定且侧风速度均匀的条件下，研究结果表明：（1）当列车穿过不同类型的建筑群布局的城市道路或开阔区域时，列车头车的平均侧向力系数C_z、升力系数C_y和倾覆力矩系数C_mx的最大增幅分别为42.28%、180.34%和37.97%；（2）当列车穿过单个建筑群的间隙时，列车迎风面的峰值压力达到建筑物后面的1.26倍；而当列车穿过两个建筑群之间的城市道路时，这一数值增加到2.87倍；（3）单个建筑群的间隙使桥梁迎风面的峰值风速增加到来风速度的1.17-1.78倍；而两个建筑群之间的城市道路则使这一数值增加到来风速度的1.29倍；（4）穿过建筑间隙或城市道路会显著增大列车尾流的涡旋结构，从而增加车体两侧的压力差和相关的空气动力载荷，且这些效应随着风向角的增加而加剧。这些发现为磁悬浮列车在城市风环境中的运行风险预防提供了理论依据。

引言

高速磁悬浮列车在现代城市环境中的广泛应用潜力日益明显，这归因于它们的高运行速度、优越的爬坡能力和较低的维护成本（毛等人，2025年；杨等人，2022年）。中国现有的高速磁悬浮列车的运行速度已达到430公里/小时，目前正在积极研发超过600公里/小时的速度。随着磁悬浮列车的设计速度不断提高，高速移动列车与周围环境之间的耦合产生的非稳态气流对运行安全和稳定性产生了限制（例如冯等人，2025年；李等人，2025年；王等人，2025年；张等人，2025年）。城市风场是影响列车高速运行稳定性的主要空气动力激励源（王等人，2025年），而不规则的城市建筑群布局会加剧风场的不稳定性（文等人，2025年）。建筑间隙和城市道路会在风场中引起局部加速效应（汉娜等人，2002年）。因此，详细研究现实城市风场如何影响磁悬浮列车的空气动力性能对于确保未来城市铁路网络的安全可靠运行具有重要的实际意义。

关于磁悬浮列车在侧风环境中的空气动力性能的研究已经取得了进展，建立了城市风场对列车空气动力性能影响的基本理解。例如，已经证明了侧风角度变化对磁悬浮列车空气动力载荷的主导影响，侧风角度的增加会导致迎风面表面压力系数的显著升高，同时伴随背风面的降低（张等人，2018年）。还建立了侧风速度与列车周围涡旋结构强度之间的正相关关系（张等人，2025年）。从空气动力力的角度来看，侧风引起的不对称性导致阻力、升力和侧向力分别增加了4.2%、3.2%和16.4%（徐等人，2025年）。利用计算流体动力学（CFD）方法的分析表明，列车尾流结构和压力分布对侧风的敏感性很高，尤其是在与编组长度效应相关的情况下（黄等人，2024年；谭等人，2020年）。关于空气动力稳定性，不断上升的侧风速度会加剧空气动力特性的变化，从而使得稳定性控制变得更加复杂（黄等人，2025年）。周期性非稳态风激励会放大列车周围的空气动力波动，使得悬浮控制更容易受到侧风条件的干扰，并对列车稳定性产生不利影响（刘等人，2023年）。已经证明了比例-积分-微分-加速度（PIDA）控制策略在抑制侧风引起的空气动力偏移方面的有效性，强调了侧风在列车空气动力安全中的关键作用（田等人，2023年）。

同时，磁悬浮列车的空气动力特性也受到周围建筑环境的深刻影响。在开阔环境中，两列列车相交时观察到的压力峰值远高于单列列车（高等人，2019年；黄等人，2019年）。通过吹吸技术和主动空气动力控制措施，已经实现了空气动力阻力和侧风风险的降低（车等人，2023年；郭等人，2024年），同时也研究了列车通过隧道时的压力变化及其相应的缓解策略（陈等人，2023年；金等人，2024年；刘等人，2019年；熊等人，2020年）。此外，还研究了涉及车站（孟等人，2025年）、隧道（郝等人，2025年）和隔音屏障（刘等人，2023年；刘等人，2023年）的空气动力效应。在城市尺度上，建筑群的几何变化会对来流结构产生明显的重塑效应。磁悬浮列车穿过多建筑群的城市建筑群——这些建筑群具有不同的建筑高度（金等人，2024年；库比利莱等人，2024年）、密度（胡安等人，2021年；李&权，2026年）和空间尺度（李等人，2019年）——会引发诸如屏蔽、局部加速和流场重新分布等复杂现象（金等人，2025年）。强调了建筑布局模式和来风方向对建筑群内流动特性的显著影响（李&马克，2021年）。城市形态在城市风场分布中的主导作用已经得到澄清，形态差异导致了风速增强和湍流加剧的不同区域（曹等人，2024年；孔等人，2025年）。大涡模拟（LES）方法的应用证实，高遮挡比的建筑群会在建筑顶部和间隙处促进局部加速和湍流能量的增加，可能在列车路径上产生复杂且不可预测的空气动力环境（田等人，2025年）。尽管上述研究提供了关于侧风机制、运行环境和城市风场形成过程的宝贵见解，但大多数研究依赖于开阔环境或简化的建筑布局。尚未充分研究磁悬浮列车在真实城市建筑群布局和侧风共同作用下的空气动力特性。这一限制阻碍了现有研究准确捕捉城市风场中磁悬浮列车运行风险的能力，从而限制了在人口密集的城市地区开发具有韧性的、安全的和可持续的高速磁悬浮线路基础设施。

在本研究中，开发了一个包含侧风-城市建筑群-列车-桥梁系统的计算流体动力学（CFD）数值模型，以上海磁悬浮线路为原型（图1）。探讨了城市建筑群的空间布局如何影响磁悬浮列车在侧风条件下的空气动力响应。配置了多种建筑群布局和侧风方向的组合，以模拟列车穿过建筑区和城市道路区域时空气动力载荷、车体表面压力分布和流场结构特征的时间历史演变。进一步阐明了侧风在复杂城市空间中的传播路径变化及其在列车上形成的风诱导风险中的作用。这些发现为优化磁悬浮线路沿线的城市风环境、识别关键风险场景和评估运行安全提供了理论参考和方法框架。本文的结构如下：第2节详细介绍了数值方法和模型构建；第3节提出了结果的分析和讨论，包括列车上的空气动力载荷、车体表面压力分布和流场结构特征；第4节总结了结论。

部分内容摘录

计算模型和案例设置

为了模拟真实城市环境中的风场扰动效应，从AMAP（https://lbs.amap.com/）获取了上海城市地点的矢量数据，然后使用ArcScene软件过滤这些数据以提取建筑形状和高度信息，从而生成三维（3D）场地模型。这些典型的城市环境，以沿磁悬浮线路密集的建筑群为特征，主要影响风场

时间历史特性

分析了在不同城市建筑群布局条件下，磁悬浮列车在侧风和建筑群耦合作用下的空气动力响应的时间历史演变。图8和图9对四种类型城市建筑布局（案例BC1、BC2、BC3和BC4）下的列车头车空气动力载荷系数进行了比较分析，包括侧向力系数C_z、升力系数C_y和倾覆力矩系数C_mx

结论

基于大涡模拟（LES）方法开发了一个1:10比例的计算流体动力学（CFD）数值模型。该模型采用了恒定的列车速度430公里/小时、均匀的侧风速度20米/秒，以及侧风-城市建筑群-列车-桥梁系统。通过该模型，研究了磁悬浮列车穿过四种类型城市建筑群时的空气动力性能——迎风侧单个建筑群、迎风侧条状双建筑群、背风侧

资助

本文报告的研究部分得到了中国国家自然科学基金（项目编号52478321、52078485）、湖南省科技创新计划（项目编号2025RC3028）、湖南省自然科学基金（项目编号2024JJ5427）、中国国家重点研发计划（项目编号2023YFB4302500）以及中南大学基本科研业务费（项目编号2026ZZTS0832）的支持。

作者贡献声明

毛建峰：撰写——原始稿件，监督，资金获取。王曦：撰写——原始稿件，撰写——审阅与编辑，软件，方法论。刘一康：撰写——原始稿件，撰写——审阅与编辑，数据管理，软件，方法论。余志武：资源提供，监督。李峥：调查，正式分析。邓E：验证，撰写——审阅与编辑。

数据可用性

数据可根据请求提供。

未引用的参考文献

刘等人，2023年；刘等人，2023年；王等人，2025年；杨等人，2022年；张等人，2025年

作者贡献声明

毛建峰：撰写——原始稿件，监督，资金获取。王曦：撰写——审阅与编辑，撰写——原始稿件，软件，方法论。刘一康：撰写——审阅与编辑，撰写——原始稿件，软件，方法论，数据管理。余志武：监督，资源提供。李峥：调查，正式分析。邓E：撰写——审阅与编辑，验证。

利益冲突声明

作者声明他们与本工作没有利益冲突。我们声明与提交的工作没有任何商业或关联利益冲突。