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        側(cè)風(fēng)下?lián)躏L(fēng)墻對CRH2列車-簡支梁橋氣動性能的影響*

        2013-03-22 10:23:38何旭輝杜風(fēng)宇冉瑞飛賴慧蕊
        關(guān)鍵詞:風(fēng)速橋梁

        何旭輝,杜風(fēng)宇,冉瑞飛,賴慧蕊

        (中南大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南長沙410075)

        根據(jù)《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》,到2020年,建設(shè)客運專線1.2萬km以上,客車速度目標(biāo)值達到200 km及以上。隨著列車運行速度的不斷提高,在強側(cè)風(fēng)作用下,列車空氣動力性能惡化,對列車安全運行產(chǎn)生極其不利的影響[1-6]。在側(cè)風(fēng)作用下,列車在特大橋梁上極有可能發(fā)生傾覆事故。曾在日本山陰線的余步橋上,超過列車臨界傾覆風(fēng)速的強風(fēng)將列車吹至橋下,造成列車車輛、路軌、橋梁結(jié)構(gòu)受損及人員傷亡的災(zāi)難性交通事故[7]。我國蘭新鐵路自通車以來(統(tǒng)計至2002年),因大風(fēng)而引起的列車脫軌、傾覆事故多達30起,吹翻貨車110輛,而因大風(fēng)引起的晚點、停運造成的損失更是無法計算[8]。橋梁上的風(fēng)速和風(fēng)力相對于地面時更加強勁,車-橋的耦合效應(yīng)也使得列車所受的風(fēng)荷載更為不利。近年來由于大風(fēng)而引起的各種列車事故屢見不鮮,因此,為減少大風(fēng)對運行于橋梁上列車的行車安全所造成的危害,應(yīng)該在高大橋梁上采取相應(yīng)的抗風(fēng)措施。設(shè)置擋風(fēng)墻及其他防風(fēng)設(shè)施,是保證風(fēng)區(qū)新建鐵路列車安全運行的主要措施[9-13]。

        1 數(shù)值計算理論及模型

        側(cè)風(fēng)作用下車橋周圍流場采用三維粘性不可壓縮湍流流動模擬。描述車橋周圍空氣流動的控制方程包括質(zhì)量守恒方程、動量方程及湍流模型方程。在此,湍流模擬選用Realizable k-ε模型。方程具體形式見文獻[14]。

        列車模型選取CRH2型高速列車,其外形復(fù)雜且長細(xì)比較大,受計算機處理能力的限制,對列車模型進行必要的簡化。高速列車中間部分橫截面的形狀保持不變,氣動力的變化在列車中部趨于穩(wěn)定[15]。研究列車靜止于橋上各工況時,采用頭車+中間車+尾車的三節(jié)車簡化模型,其中頭車和尾車的幾何外形完全一樣,且忽略列車外部突出物。橋梁以京滬高速鐵路32 m簡支梁為研究對象,梁寬12.24 m,梁高3.628 m,墩高取10 m,橋梁選取三跨簡支梁模型。

        擋風(fēng)墻模擬采用以下假定:擋風(fēng)墻由一系列均勻分布的橫向欄桿代替,高度定義為擋風(fēng)墻頂面與橋面距離。因研究的擋風(fēng)墻高度及透風(fēng)率變化較多,這里僅給出部分高度3 m不同透風(fēng)率擋風(fēng)墻的示意圖,如圖1所示。擋風(fēng)墻形式表達為A m BC,其中A代表高度(m),B代表透風(fēng)率(%),C代表高度A和透風(fēng)率B下?lián)躏L(fēng)墻的欄桿數(shù)。

        圖1 擋風(fēng)墻示意圖Fig.1 Schematic of wind-break wall

        計算模型采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格來離散。在網(wǎng)格劃分過程中采取試算方法,對不同網(wǎng)格大小的模擬結(jié)果進行對比分析。列車表面網(wǎng)格取0.05~0.20 m,對車頭變化復(fù)雜的部位進行局部加密,橋梁表面網(wǎng)格取0.15~0.40 m。對靠近列車與橋梁表面范圍的體網(wǎng)格進行加密,體網(wǎng)格均選用Gambit的sizefunction完成。車橋網(wǎng)格劃分如圖2所示。

        圖2 網(wǎng)格劃分圖Fig.2 Mesh figure

        2 計算結(jié)果分析

        2.1 雷諾數(shù)

        根據(jù)雷諾數(shù)的定義Re=Vl/υ,假設(shè)運動粘度υ不變,可通過改變速度V和特征長度l來改變雷諾數(shù)Re。Scanlan[16]指出,如果橋梁風(fēng)洞試驗的縮尺比小于1∶300時,應(yīng)重視雷諾數(shù)效應(yīng)。20世紀(jì)80年代初,Schewe[17]在對圓柱的雷諾數(shù)、H形斷面與橋梁斷面進行研究,發(fā)現(xiàn)雷諾數(shù)效應(yīng)不同程度地存在于這些斷面。Schewe[17]通過對機翼、圓柱和橋梁斷面(大海帶東橋引橋)尾跡區(qū)形狀隨雷諾數(shù)變化研究認(rèn)為,雷諾數(shù)對三分力的影響體現(xiàn)在其對尾流形狀的影響。

        在橋梁上設(shè)置擋風(fēng)墻后,車-橋系統(tǒng)的外形改變較大,有必要對雷諾數(shù)的影響進行分析。這里以高4 m、透風(fēng)率20%擋風(fēng)墻為例,通過風(fēng)速和縮尺比的改變,計算了8種工況下列車的氣動力系數(shù)。定義縮尺比為1∶25、風(fēng)速為10 m/s模型的雷諾數(shù)為1,計算結(jié)果見表1。

        表1結(jié)果表明,雷諾數(shù)對列車氣動力有一定的影響。由于頭車外形比中車圓滑,頭車受影響更大。對頭車,工況1與工況3相比,側(cè)力系數(shù)相差6%,升力系數(shù)相差18%,傾覆力矩系數(shù)相差14%,說明模型尺寸與真實值越接近,計算所得結(jié)果越準(zhǔn)確。風(fēng)速增大,氣動力系數(shù)減小,用某一風(fēng)速得出的結(jié)果應(yīng)根據(jù)具體情況進行必要的調(diào)整才能與實際相符。雷諾數(shù)相同時氣動力系數(shù)基本相同。

        2.2 橋梁氣動性能

        在探討列車對有擋風(fēng)墻橋梁氣動性能影響時,研究在安裝不同高度不透風(fēng)擋風(fēng)墻時,橫風(fēng)風(fēng)速10 m/s作用下,橋梁迎風(fēng)側(cè)有、無列車時橋梁的氣動性能。圖3所示為橋梁節(jié)段氣動力系數(shù)隨擋風(fēng)墻高度的變化曲線。

        由圖3可知:隨著擋風(fēng)墻高度增大,有車橋梁的氣動力系數(shù)開始增大,并逐漸超過無車橋梁,但兩者差別不大,說明擋風(fēng)墻超過一定高度后有車橋梁安全性要低于無車橋梁,因此,對于橋梁自身的安全性要加入列車的影響。同時,有車橋梁力矩系數(shù)在擋風(fēng)墻高度超過3.5 m以后基本不再變化。

        擋風(fēng)墻與橋梁固結(jié)在一起,增加了擋風(fēng)面積。對側(cè)力,擋風(fēng)墻越高,迎風(fēng)面正壓力越大,背風(fēng)面負(fù)壓區(qū)域也增大,因而橋梁側(cè)力增大;對升力,橋梁上表面無擋風(fēng)墻時,風(fēng)自迎風(fēng)面翼緣被分流,在靠近迎風(fēng)面部分形成很大的負(fù)壓,隨后慢慢減小;有擋風(fēng)墻時,風(fēng)自擋風(fēng)墻頂端被分流,橋梁上表面形成覆蓋橫向的大型漩渦,整個橋面形成較大的且數(shù)值相當(dāng)?shù)呢?fù)壓,靠近迎風(fēng)側(cè)負(fù)壓小于無擋風(fēng)墻時,靠近背風(fēng)側(cè)負(fù)壓大于無擋風(fēng)墻時。下表面都是靠近迎風(fēng)側(cè)負(fù)壓大,靠近背風(fēng)側(cè)負(fù)壓小,總體上有擋風(fēng)墻時比無擋風(fēng)墻時負(fù)壓大;無擋風(fēng)墻時,由于上表面靠近迎風(fēng)面部分負(fù)壓大得很明顯,所以,整體上無擋風(fēng)墻時升力大,而不同高度的擋風(fēng)墻對橋梁上下表面的影響無太大差別,升力變化不明顯;對力矩,無擋風(fēng)墻時側(cè)力較小,但是升力作用點離矩心遠(yuǎn),且為正,力矩較大;當(dāng)擋風(fēng)墻高度大于1.5 m時,側(cè)力有所增大,且作用點向上移,使得力矩正向增大,但是升力減小,且作用點相比無擋風(fēng)墻時更靠近矩心,綜合而使力矩減小。隨著擋風(fēng)墻高度的增大,側(cè)力不斷增大,側(cè)力作用點不斷往上移,升力變化較小。側(cè)力是制約力矩變化的主要因素,因而,力矩隨著側(cè)力的增加而增大。

        表1 不同雷諾數(shù)下列車氣動力系數(shù)Table 1 Aerodynamic coefficients of train under different Reynolds numbers

        表2 橫風(fēng)下不同欄桿擋風(fēng)墻對列車氣動性能影響Table 2 Influence of differentwind-break wall's railings on train aerodynamic coefficient under cross-wind

        圖3 橋梁節(jié)段氣動力系數(shù)與擋風(fēng)墻高度的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between aerodynamic coefficient of bridge segment and height ofwind-break walls

        2.3 等價透風(fēng)率

        等價透風(fēng)率即擋風(fēng)墻高度、透風(fēng)率相同,只有欄桿數(shù)量不同的情況。表2所示為橫風(fēng)風(fēng)速10 m/s作用下,擋風(fēng)墻高度分別為3.5m和4.0 m,透風(fēng)率為40%,欄桿數(shù)量分別為5,6和7時列車的氣動力系數(shù)

        從表2可以看出:頭車和中車的側(cè)力系數(shù)隨著欄桿數(shù)量的增加有減小的趨勢,但降幅不大;頭車和中車的升力系數(shù)隨著欄桿數(shù)量的增加有增大的趨勢,但增幅亦不大。隨著欄桿數(shù)量的增加,頭車和中車的側(cè)力和升力變化趨勢是相反的。在它們的共同作用下,傾覆力矩系數(shù)變小,變化量相對微弱,在3%以內(nèi)。總體來講,在等價透風(fēng)率下欄桿數(shù)量多的擋風(fēng)墻擋風(fēng)效果要比欄桿數(shù)量少的擋風(fēng)墻擋風(fēng)效果優(yōu)。

        2.4 高度和透風(fēng)率

        側(cè)風(fēng)主要影響列車編組中頭車的運行安全性,或者說側(cè)風(fēng)對列車運行安全性的影響主要由頭車來體現(xiàn)[3]。在風(fēng)速10 m/s橫風(fēng)作用下,對不同高度和透風(fēng)率擋風(fēng)墻下頭車氣動性能的變化規(guī)律進行了研究,結(jié)果如圖4所示。圖4中每條曲線代表在同一透風(fēng)率下列車氣動力系數(shù)隨擋風(fēng)墻高度的變化趨勢。總體而言,3節(jié)車氣動性能變化趨勢一致。在橋面加設(shè)擋風(fēng)墻后,各節(jié)車氣動性能有了明顯的改善。在相同透風(fēng)率時,列車氣動力系數(shù)隨著擋風(fēng)墻高度的變化而迅速減小,但擋風(fēng)墻高度大于3.5 m時減小程度已不再明顯,說明擋風(fēng)墻高度并非越高越好,而是有一個合理的高度范圍內(nèi)。在同一高度擋風(fēng)墻下,列車氣動力系數(shù)隨著透風(fēng)率的增大而增大。

        2.5 風(fēng)偏角

        由前面的分析知,高度為4 m、透風(fēng)率為25%的擋風(fēng)墻對列車的擋風(fēng)效果最好。設(shè)置此種擋風(fēng)墻,在合成風(fēng)速100 m/s下,對不同風(fēng)偏角下列車的氣動力進行研究。合成風(fēng)速原理如圖5所示,列車視為靜止,將環(huán)境風(fēng)速和車速的反向速度進行矢量合成,得到合成風(fēng)速[6]。圖5中:w為環(huán)境風(fēng)速; v為車速;u為合成風(fēng)速;α為風(fēng)向角;β為風(fēng)偏角。圖6所示為頭車、中車、尾車的氣動力系數(shù)隨風(fēng)偏角的變化曲線。

        由圖6可知:對側(cè)力系數(shù),當(dāng)風(fēng)偏角較小時,有頭車、中車和尾車的側(cè)力系數(shù)儀次減小,且三者變化規(guī)律不一致。中車隨著風(fēng)偏角的增大而近似線性增加,75°以后其值超過頭車;頭車變化曲線為上凸形,4 m 25擋風(fēng)墻75°時最大;尾車變化曲線為下凸形,風(fēng)偏角小于45°時為負(fù)值,30°時達到負(fù)向最大;90°時頭車和尾車的側(cè)力系數(shù)基本一樣,與無擋風(fēng)墻時分析結(jié)果一致。對升力系數(shù):4 m 25擋風(fēng)墻下風(fēng)偏角小于60°時,頭車、中車和尾車的升力系數(shù)依次減小,大于60°后與側(cè)力變化規(guī)律一致。對力矩系數(shù),變化規(guī)律與側(cè)力系數(shù)的變化規(guī)律基本一致。

        圖4 擋風(fēng)墻高度與列車氣動力系數(shù)關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between train aerodynamic coefficient and height ofwind-break wall

        圖5 合成風(fēng)速原理Fig.5 Compounded wind velocity principle

        圖6 列車氣動力系數(shù)與風(fēng)偏角的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between aerodynamic coefficients of train and wind deflection angles

        頭車側(cè)力系數(shù)計算值的多項式擬合曲線如圖7所示。從圖7可見:頭車的側(cè)力系數(shù)可以用五次多項式很好地擬合,中車和尾車側(cè)力系數(shù)也同樣適用此種多項式擬合。

        圖7 擬合曲線Fig.7 Fitting curve

        3 結(jié)論

        (1)雷諾數(shù)對列車氣動力有一定的影響。由于頭車外形比中車圓滑,頭車受影響更大。

        (2)擋風(fēng)墻高度的增加會使作用于橋梁上的側(cè)力和力矩系數(shù)增大,升力系數(shù)則變化不明顯。側(cè)力是制約力矩變化的主要因素。

        (3)在等價透風(fēng)率下,欄桿數(shù)量多的擋風(fēng)墻擋風(fēng)效果要比欄桿數(shù)量少擋風(fēng)墻的擋風(fēng)效果優(yōu)。

        (4)在橋面加設(shè)擋風(fēng)墻后,各節(jié)車氣動性能有了明顯的改善。在相同透風(fēng)率時,列車氣動力系數(shù)隨著擋風(fēng)墻高度的變化而迅速減小,但當(dāng)擋風(fēng)墻高度大于3.5m時,減小程度已不再明顯。在同一高度擋風(fēng)墻下,列車氣動力系數(shù)隨著透風(fēng)率的增大而增大。

        (5)風(fēng)偏角對列車氣動性能的影響規(guī)律基本一致。各節(jié)車的側(cè)力系數(shù)可用五次多項式很好地擬合。

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