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        戈壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)擋風(fēng)構(gòu)筑物限制下列車氣動(dòng)力學(xué)特性分析

        2013-09-04 01:45:58程建軍龐巧東
        關(guān)鍵詞:擋風(fēng)墻背風(fēng)車體

        程建軍,龐巧東

        (石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院,新疆石河子 832003)

        1 概述

        新疆戈壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)的大風(fēng)具活動(dòng)頻繁、風(fēng)速高、風(fēng)期長(zhǎng)、季節(jié)性強(qiáng)、風(fēng)向穩(wěn)定、起風(fēng)速度快等特點(diǎn)。對(duì)鐵路有影響的典型風(fēng)區(qū)諸如阿拉山口風(fēng)區(qū)、百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū),在百里風(fēng)區(qū)瞬時(shí)最大風(fēng)速可以達(dá)到64 m/s。強(qiáng)風(fēng)地區(qū)的強(qiáng)風(fēng)空氣流運(yùn)動(dòng)對(duì)途經(jīng)該區(qū)的列車產(chǎn)生兩方面直接破壞作用,一方面強(qiáng)風(fēng)攜沙礫流擊破車窗、損壞車身甚至吹翻列車,另一方面強(qiáng)風(fēng)過(guò)境后,大量沙礫物質(zhì)沉落掩埋軌道,致使列車被迫停駛。因此,戈壁強(qiáng)風(fēng)地區(qū)區(qū)域內(nèi)的鐵路防風(fēng)安全與線路維護(hù)問題十分突出。以蘭新鐵路為例,全線經(jīng)過(guò)的強(qiáng)風(fēng)區(qū)距離為525 km,占蘭新線全長(zhǎng)的54%。自通車以來(lái),屢次發(fā)生列車被迫減速、停運(yùn),甚至發(fā)生整列列車被吹翻的交通事故。為了保障列車的安全運(yùn)行,在大風(fēng)區(qū)鐵路沿線構(gòu)筑了多種擋風(fēng)墻。為了摸清既有擋風(fēng)墻的防風(fēng)效果,為后續(xù)的防風(fēng)沙工程結(jié)構(gòu)物優(yōu)化設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)與參考,本文首先對(duì)兩種典型的擋風(fēng)墻進(jìn)行了墻后流場(chǎng)分析,進(jìn)而對(duì)大風(fēng)對(duì)列車形成的側(cè)向壓力及傾覆力矩進(jìn)行定量分析,獲取既有不同擋風(fēng)構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)形式后的流場(chǎng)特性以及列車氣動(dòng)力學(xué)特性規(guī)律。

        2 數(shù)值模擬模型建立

        2.1 控制方程

        在模擬不同條件下列車氣動(dòng)性能時(shí),由于鐵路沿線擋風(fēng)墻及路基的長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其橫向尺寸,因此在計(jì)算大風(fēng)壓力時(shí)可視其為二維問題處理。由于戈壁鐵路沿線所研究的橫向風(fēng)一般<70 m/s,馬赫數(shù)<0.3,因此在模擬計(jì)算中可按不可壓縮問題處理。另外,本模型不考慮熱量的交換,是單純流場(chǎng)問題,所以不用包含能量方程。因此,本模型所包含的控制方程主要有連續(xù)方程、動(dòng)量方程、和k-ε湍流模型方程等,具體方程如下。

        (1)連續(xù)方程

        (2)動(dòng)量方程

        (3)k方程

        (4)ε方程

        2.2 計(jì)算區(qū)域

        模型中列車距地表高度為0.71 m,寬度為3.3 m。為了讓氣流的繞流和流場(chǎng)發(fā)展充分,盡可能地取較大的計(jì)算區(qū)域。

        本模型計(jì)算區(qū)域的高度寬度分別為100、300 m。此時(shí),擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)流場(chǎng)基本達(dá)到充分發(fā)展,計(jì)算區(qū)域更大時(shí)計(jì)算結(jié)果改變很小。

        2.3 網(wǎng)格劃分

        對(duì)所建模型采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相結(jié)合的形式進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于本模型計(jì)算重點(diǎn)在列車兩側(cè)段,因此該部分網(wǎng)格劃分較密集,而在進(jìn)口和上邊界等劃分較稀疏。這樣劃分既考慮到模擬計(jì)算的收斂時(shí)間和計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力,又充分考慮到了在重點(diǎn)部位劃分密集以保證模擬準(zhǔn)確性的原則,從而嚴(yán)格控制了網(wǎng)格的數(shù)量(本模型網(wǎng)格數(shù)約為100萬(wàn)),提高了計(jì)算的精度和效率。

        2.4 邊界設(shè)置

        本次計(jì)算流場(chǎng)邊界條件設(shè)置如下。

        (1)車體表面:黏性流體在固定邊界上應(yīng)滿足無(wú)滑移邊界條件,因此,在車體表面均按光滑壁面處理,給定無(wú)滑移邊界條件

        (2)入口:在入口截面處,首先指定流體流動(dòng)狀態(tài)為亞音速狀態(tài),X方向按均勻來(lái)流給定速度大小,本文中所有模型入口風(fēng)速均設(shè)置為35.1 m/s(12級(jí)風(fēng)速),Y方向速度為零,即

        (3)出口:采用自由出流;

        (4)地面、擋風(fēng)墻以及計(jì)算區(qū)域的頂部:均給定無(wú)滑移邊界條件,同(1)式。

        3 列車所受大風(fēng)傾覆力矩計(jì)算(圖1)

        圖1 車體受力圖

        通過(guò)數(shù)值模擬可以得到一定風(fēng)速條件下列車表面氣壓p(z),則列車所受風(fēng)力F按下式計(jì)算

        式中,F(xiàn)為列車所受風(fēng)力,N;h為列車總高度,m,取h=4.0 m;l為所考慮車體長(zhǎng)度,m,取單位長(zhǎng)度,即l=1 m;z為列車高度,m;p(z)為高度為z處列車兩側(cè)的風(fēng)壓差,Pa。

        單位長(zhǎng)度列車傾覆力矩按下式計(jì)算

        式中,M為列車所受傾覆力矩,N·m,H為列車所受風(fēng)力作用點(diǎn)高度,m;其他符號(hào)意義同式(3)和(4)。

        單位長(zhǎng)度列車重力矩按下式計(jì)算

        式中,Mc為單位長(zhǎng)度列車重力矩,N·m;m為單位長(zhǎng)度列車質(zhì)量,kg;g為重力加速度,m/s2;ω為軌距,m;L為車體長(zhǎng)度,m。

        列車傾覆的臨界條件:M=Mc。

        4 計(jì)算結(jié)果與分析

        4.1 平坦地表列車所受壓力與傾覆力矩

        計(jì)算分析揭示在平坦地表?xiàng)l件下(圖2),車輛的迎風(fēng)面受到氣流的直接沖擊,而車體背風(fēng)側(cè)處于車體繞流尾流中,因此車輛迎風(fēng)面所受壓力較大,而車輛背風(fēng)面分離較嚴(yán)重,負(fù)壓較大,車輛兩側(cè)所受壓差較大。由于車頂部和底部流速加快,在車體頂部形成一個(gè)順時(shí)針的渦流,在車體背風(fēng)側(cè)形成兩個(gè)渦流:①氣流繞過(guò)列車頂部形成順時(shí)渦流;②氣流繞過(guò)列車底部形成逆時(shí)針渦流。車體背風(fēng)側(cè)風(fēng)壓為負(fù),且沿高度方向分布較為均勻,因此,車體迎風(fēng)側(cè)與背風(fēng)側(cè)壓力之差即可代表車體所受到的側(cè)向氣動(dòng)力(計(jì)算時(shí)忽略車頂所受到的側(cè)向力)(圖3)。結(jié)合模擬結(jié)果計(jì)算分析得到單位長(zhǎng)度車輛受到側(cè)向力差最大,為3 645 N,傾覆力矩也最大,為7 900 N·m。

        圖2 平坦地表氣流運(yùn)動(dòng)流線圖

        圖3 平坦地表車體迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)壓力展開圖

        4.2 路基高度對(duì)風(fēng)壓的影響

        以上數(shù)值分析結(jié)論揭示的是在平坦地表?xiàng)l件下,大風(fēng)對(duì)列車的側(cè)向壓力差與傾覆力矩,但鐵路經(jīng)過(guò)的地區(qū)不少是高度不同的路基。通過(guò)對(duì)不同高度路基條件下列車氣壓與傾覆力矩的數(shù)值模擬,可以揭示其隨著路基高度的變化規(guī)律。

        當(dāng)路基高度為4 m,邊坡坡率為1∶1.5時(shí),氣流運(yùn)動(dòng)流線計(jì)算結(jié)果如圖4所示,車體迎風(fēng)側(cè)仍受到氣流的直接沖擊,壓力較大,最大壓力出現(xiàn)在車體中心偏下部;背風(fēng)側(cè)位于車體尾流中,壓力為負(fù),沿高度方向變化較小。氣流側(cè)向力較大。由于路基的阻滯作用,氣流流線與平坦地表時(shí)相比發(fā)生一些變化,車體背風(fēng)側(cè)上下部同平坦地表一樣形成兩個(gè)渦流,但車頂部渦流與車體背風(fēng)側(cè)上部渦流連成一塊。由于車體迎風(fēng)側(cè)上部壓力較大,因此側(cè)向力作用點(diǎn)與平坦地表相比有上移趨勢(shì)。

        圖4 路基高度為4 m時(shí)氣流運(yùn)動(dòng)流線

        根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果可以得到(圖5),單位長(zhǎng)度列車所受側(cè)向壓力差為7 978 N,傾覆力矩為17 820 N·m。與平坦地表相比,壓力與傾覆力矩分別增加119%和126%。大風(fēng)由于受到路基的阻滯作用,氣流壓力明顯發(fā)生增大效應(yīng),且傾覆力矩增大量大于壓力增大量。而當(dāng)路基坡率不變,高度為2.0 m時(shí),單位長(zhǎng)度列車所受側(cè)向壓力為5 835 N,傾覆力矩為12 834 N·m。說(shuō)明了路基高度越大,增大效應(yīng)也越明顯,列車所受到的側(cè)向壓力與傾覆力矩也越大。

        圖5 路基高度為4 m條件下車體迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)壓力展開圖

        4.3 不同擋風(fēng)墻對(duì)列車的防護(hù)效果

        4.3.1 土堤式擋風(fēng)墻對(duì)列車的防護(hù)效果

        土堤式擋風(fēng)墻常用于路基較低或者平坦地表的條件下,主要影響其擋風(fēng)效果的設(shè)計(jì)參數(shù)是擋風(fēng)墻的高度。按照既有擋風(fēng)墻的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),經(jīng)數(shù)值分析揭示(圖6),強(qiáng)風(fēng)空氣流經(jīng)過(guò)土堤式擋風(fēng)墻時(shí),氣流有一個(gè)上升、流速增加的過(guò)程,氣流在背風(fēng)側(cè)產(chǎn)生一個(gè)較小的渦流,車輛的迎風(fēng)面仍受到氣流的直接沖擊作用,車輛迎風(fēng)面正壓力較大,背風(fēng)側(cè)氣流分離較為嚴(yán)重,基本處于尾流漩渦區(qū),負(fù)壓較大。通過(guò)車體兩側(cè)壓力展開圖(圖7)可以看出,壓力最大值出現(xiàn)在車體偏上位置,致使側(cè)向力作用點(diǎn)處于車體中心位置偏上位置。經(jīng)計(jì)算,單位長(zhǎng)度列車所受側(cè)向壓力差為2 003 N,傾覆力矩為5 066 N·m。

        與未設(shè)置擋風(fēng)墻條件下相比,側(cè)向壓力減少了45%,傾覆力矩減小了36%。

        圖6 土堤式擋風(fēng)墻條件下氣流運(yùn)動(dòng)流線圖

        圖7 土堤式擋風(fēng)墻條件下車體迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)壓力展開圖

        4.3.2 對(duì)拉式擋風(fēng)墻對(duì)列車的防護(hù)效果

        對(duì)拉式擋風(fēng)墻橫截面為矩形,氣流經(jīng)過(guò)對(duì)拉式擋風(fēng)墻時(shí),墻體受到氣流的直接沖擊,氣流被抬升,氣流在擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)形成一個(gè)大的渦流,使得列車幾乎完全處于渦流區(qū)內(nèi),產(chǎn)生這一規(guī)律的主要原因:氣流遇到擋風(fēng)墻受到擠壓,在墻尖處產(chǎn)生流動(dòng)分離,形成一個(gè)很薄的強(qiáng)剪切層;接近底部時(shí),流體又返回分離體內(nèi),補(bǔ)償了由于卷吸而除去的那部分流體,故在對(duì)拉式擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)形成一個(gè)較大的渦流區(qū);接著氣流又在車輛側(cè)墻與頂部的過(guò)渡處產(chǎn)生分離,在車輛的背風(fēng)面也產(chǎn)生旋渦。平坦地表對(duì)拉式條件下氣流運(yùn)動(dòng)流線圖見圖8。

        圖8 平坦地表對(duì)拉式條件下氣流運(yùn)動(dòng)流線圖

        擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)渦流區(qū)的存在,使車輛迎風(fēng)面受到的壓力降低,形成負(fù)壓,沿高度方向先減小后增大,如圖9所示。而車體背風(fēng)側(cè)壓力變化較小。單位長(zhǎng)度列車所受側(cè)向壓力差為-205 N,傾覆力矩為-342 N·m,即側(cè)向壓力與傾覆力矩變?yōu)榉聪蜃饔?。與未設(shè)置擋風(fēng)墻條件下相比,氣流側(cè)向壓力與傾覆力矩絕對(duì)值分別減少了96%和96%,其防護(hù)效果好于土堤式擋風(fēng)墻。

        對(duì)拉式擋風(fēng)墻不僅適用于路基較低條件下,并且適用于路基較高條件下。在路基與擋風(fēng)墻的共同作用下,在其背風(fēng)側(cè)形成一個(gè)大的渦流,如圖10所示,列車幾乎完全處于渦流區(qū)內(nèi),車體迎風(fēng)側(cè)壓力先減小后增大,最后又減小,大部分處于負(fù)壓區(qū),而車體背風(fēng)側(cè)壓力為正,變化不大。單位長(zhǎng)度列車所受側(cè)向壓力差為-511 N,傾覆力矩為-1 124 N·m,即側(cè)向壓力與傾覆力矩變?yōu)榉聪蜃饔?。與未設(shè)置擋風(fēng)墻條件相比,氣流側(cè)向力與傾覆力矩絕對(duì)值均減小86%,防護(hù)效果顯著(圖11)。

        圖9 平坦地表對(duì)拉式條件下車體迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)壓力展開圖

        圖10 路基高度為4 m擋風(fēng)墻防護(hù)條件下氣流運(yùn)動(dòng)流線

        圖11 路基高度為4 m有擋風(fēng)墻防護(hù)條件下車體迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)壓力展開圖

        5結(jié)論

        列車在強(qiáng)橫向風(fēng)作用下的穩(wěn)定性主要是由列車所受到的氣流壓力和傾覆力矩決定,對(duì)拉式擋風(fēng)墻與土堤式擋風(fēng)墻是目前新疆戈壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)所普遍采用的擋風(fēng)構(gòu)筑物,分析不僅表明在平坦地表上對(duì)拉式擋風(fēng)墻的防護(hù)效果好于土堤式擋風(fēng)墻,而且提供了各種既有擋風(fēng)構(gòu)筑物墻后列車的氣動(dòng)力學(xué)特性參數(shù)指標(biāo),為既有擋風(fēng)構(gòu)筑物的優(yōu)化以及后建工程措施提供參考。

        (1)在平坦地表上,當(dāng)橫向風(fēng)速為35.1 m/s時(shí),單位長(zhǎng)度列車所受氣流側(cè)向力為3 645 N,傾覆力矩為7 901 N·m。

        (2)當(dāng)路基高度為4 m時(shí),與平坦地表相比,單位長(zhǎng)度列車所受氣流側(cè)向力增大116%,傾覆力矩增大126%,側(cè)向力作用點(diǎn)向上移動(dòng),路基高度越高,氣流的增大效應(yīng)越明顯。

        (3)在平坦地表上,當(dāng)高度相同時(shí)對(duì)拉式擋風(fēng)墻的防護(hù)效果明顯好于土堤式,高度為3.0 m時(shí),在土堤式擋風(fēng)墻作用下單位長(zhǎng)度列車所受側(cè)向力與傾覆力矩分布減小45%、36%。而在對(duì)拉式擋風(fēng)墻作用下,氣流側(cè)向力與傾覆力矩均為反向作用,絕對(duì)值分別減小94%和96%。

        (4)在路基較高時(shí),對(duì)拉式擋風(fēng)墻的防護(hù)效果同樣較好,氣流作用力與傾覆力矩均為反向作用,單位長(zhǎng)度列車所受氣流側(cè)向力與傾覆力矩絕對(duì)值均減小84%。

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