賴慧蕊，何旭輝，冉瑞飛，杜風(fēng)宇

(1.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410075; 2.高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙410075)

橫風(fēng)作用下，行駛在橋梁上的列車(chē)和橋梁之間存在明顯的氣流相互干擾，增加列車(chē)事故發(fā)生的可能性。我國(guó)蘭新鐵路自1959年通車(chē)以來(lái)至2002年，已發(fā)生30多次風(fēng)致事故，大風(fēng)吹翻列車(chē)110多輛［1］。在我國(guó)迅速發(fā)展的高速鐵路中，橋梁占很大比例，其中尤以簡(jiǎn)支梁居多。強(qiáng)風(fēng)、高速列車(chē)和橋梁這3種不利因素的組合，使得風(fēng)－車(chē)－橋系統(tǒng)安全性大幅降低，成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)之一［2－12］。目前，對(duì)車(chē)－橋氣動(dòng)性能的研究主要有2種方法:風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬。相較于風(fēng)洞試驗(yàn)，數(shù)值模擬耗資較少，能有效節(jié)約成本，縮短研究周期，而且在流場(chǎng)顯示和氣動(dòng)機(jī)理分析等方面得到的結(jié)果更為直觀。另外，數(shù)值模擬計(jì)算可以避免試驗(yàn)中一些無(wú)關(guān)因素的影響，如消除風(fēng)洞壁和模型支架等試驗(yàn)約束條件的干擾。已有多數(shù)數(shù)值模擬研究中對(duì)車(chē)橋系統(tǒng)大多只單獨(dú)針對(duì)車(chē)輛或橋梁，且以二維數(shù)值模擬居多，在三維數(shù)值模擬中對(duì)車(chē)橋系統(tǒng)進(jìn)行研究的成果較少。本文基于大型計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent，采用三維、定常和不可壓縮Navier－Stokes方程，選用適應(yīng)性良好的Realizable k－ε湍流模型，模擬風(fēng)洞試驗(yàn)中橫風(fēng)(均勻風(fēng)0°攻角，90°風(fēng)偏角)作用下高速列車(chē)與32 m簡(jiǎn)支梁橋系統(tǒng)空氣空氣動(dòng)力學(xué)行為，以研究高速列車(chē)與橋梁之間的相互氣動(dòng)影響。

1 數(shù)值模擬

1.1 幾何模型

列車(chē)計(jì)算模型采用高速列車(chē)CRH2頭車(chē)+中車(chē)+尾車(chē)的3節(jié)編組及頭車(chē)+中車(chē)2節(jié)編組形式。忽略列車(chē)表面突出物，列車(chē)車(chē)底部分及轉(zhuǎn)向架用裙板代替近似模擬，取車(chē)底距軌道面0.2 m。橋梁模型選用京滬高速鐵路32m簡(jiǎn)支梁，梁寬12.24m，梁高3.628 m，墩高10 m。對(duì)橋梁上的軌道板、軌道以及通訊、信號(hào)、電力電纜槽進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，略去軌道的影響，將軌道板、砂漿墊層和混凝土支承層合并進(jìn)行模擬。幾何模型縮尺比為1∶25(如圖1所示)。

圖1 三節(jié)編組車(chē)－橋系統(tǒng)模型Fig.1 Threemarshalling vehicle－bridge system model

1.2 計(jì)算區(qū)域、網(wǎng)格劃分及邊界條件

考慮到與數(shù)值模擬對(duì)應(yīng)的風(fēng)洞試驗(yàn)將陸續(xù)在中南大學(xué)“高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室”的高速鐵路風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)中的低速試驗(yàn)段中展開(kāi)。確定計(jì)算域時(shí)以風(fēng)洞尺寸長(zhǎng)×寬×高=18 m×12 m× 3.5 m為參考，結(jié)合文獻(xiàn)［13］并經(jīng)多次試算調(diào)整最終選用計(jì)算域長(zhǎng)×寬×高為10.4 m×12 m×3.5 m (圖2左所示)，滿足阻塞率要求。車(chē)橋沿寬度方向放置，風(fēng)向沿長(zhǎng)度方向。為描述方便，在第2節(jié)計(jì)算部分中涉及幾何尺寸時(shí)均按實(shí)物尺寸描述。

網(wǎng)格劃分采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格(如圖2所示)。計(jì)算域流動(dòng)入口使用速度邊界條件，指定來(lái)流平均速度，如無(wú)特別說(shuō)明風(fēng)速為10 m/s;計(jì)算域流動(dòng)出口使用恒壓邊界條件，出口靜壓設(shè)為O Pa(參考?jí)毫?個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓);其余邊界均設(shè)為無(wú)滑移固體壁面邊界條件。如無(wú)特殊說(shuō)明，湍流度采用一般風(fēng)洞試驗(yàn)均勻來(lái)流湍流度0.5%。

圖2 計(jì)算域(左)及車(chē)橋非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格(右)Fig.2 Computational domain(left)and unstructured meshing of train and bridge(right)

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 風(fēng)速對(duì)車(chē)橋氣動(dòng)性能的影響

除特殊說(shuō)明外，數(shù)值模擬模型選用3跨簡(jiǎn)支梁，3節(jié)編組列車(chē)，以中跨跨中為縱向坐標(biāo)原點(diǎn)，列車(chē)位于主梁中間位置。橋墩縱橋向?qū)? m，各墩中心位置縱向坐標(biāo)分別為－48，－16，16和48 m。考慮到實(shí)際風(fēng)洞中最大風(fēng)速為18 m/s，數(shù)值模擬中取稍大一點(diǎn)為25 m/s。全部風(fēng)速為5，10，15，18和25 m/s共5種。現(xiàn)只以迎風(fēng)側(cè)列車(chē)頭車(chē)和橋梁中跨跨中截面(跨中4 m范圍內(nèi))為例給出計(jì)算結(jié)果(如圖3和表1所示)，其它部位結(jié)論一致。

從數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果來(lái)看，在風(fēng)速為5～25 m/s的范圍內(nèi)，隨著風(fēng)速的加大，車(chē)橋氣動(dòng)力系數(shù)變化均不大，表明雷諾數(shù)對(duì)本文所研究的車(chē)橋系統(tǒng)氣動(dòng)力系數(shù)影響有限。究其原因，是因?yàn)闃蛄航孛嬲w比較鈍，橫風(fēng)作用下繞流分離點(diǎn)較為固定，對(duì)其本身的研究可忽略雷諾數(shù)對(duì)其影響，引入列車(chē)情況下，形成更大鈍體結(jié)構(gòu);具有弧形截面的列車(chē)其繞流點(diǎn)雖與雷諾數(shù)有極大關(guān)聯(lián)，但此時(shí)列車(chē)位于橋梁上表面的分離流之中，分離流中的脈動(dòng)成分弱化了弧形表面附面層的粘性作用，使得列車(chē)氣動(dòng)力系數(shù)對(duì)雷諾數(shù)也不敏感［14－15］。

圖3 不同風(fēng)速對(duì)列車(chē)(上)及橋梁(下)氣動(dòng)性能影響Fig.3 Aerodynamic performances of trains(top)and bridge(bottom)under differentwind speeds

表1 不同風(fēng)速對(duì)列車(chē)和橋梁氣動(dòng)性能影響偏差(%)Table 1 Aerodynamic performances differences of trains(left) and bridge(right)under differentwind speeds

表2為風(fēng)速為10 m/s時(shí)列車(chē)氣動(dòng)力系數(shù)計(jì)算值與風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)試驗(yàn)值比較。升力系數(shù)偏差百分比(偏差百分比=(計(jì)算值－試驗(yàn)值)/試驗(yàn)值)為－2.7%，而側(cè)力系數(shù)偏差百分比為－13.4%，相比較而言，三維計(jì)算升力系數(shù)與試驗(yàn)結(jié)果吻合相對(duì)較好，側(cè)力系數(shù)的差別略大，其主要原因是由于相較于升力，黏性力在側(cè)力中所占比例更大［16］，而風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)不能測(cè)得這一部分黏性力?？傮w而言，數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，經(jīng)驗(yàn)證可用來(lái)探究車(chē)橋系統(tǒng)相互氣動(dòng)影響。

表2 風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值模擬列車(chē)氣動(dòng)力系數(shù)對(duì)比Table 2 Comparison between aerodynamic force coefficients from wind tunnel test and CFD simulation

2.2 列車(chē)對(duì)橋梁氣動(dòng)性能的影響

為分析列車(chē)對(duì)橋梁氣動(dòng)性能的影響，給出橋梁各斷面氣動(dòng)力系數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果如圖4～圖6所示。主梁兩端由于端部效應(yīng)的影響不予考慮。以下列車(chē)對(duì)橋梁三分力系數(shù)的影響進(jìn)行分析。

圖4 橋梁各截面阻力系數(shù)Fig.4 Drag coefficients of bridge sections

圖5 橋梁各截面升力系數(shù)Fig.5 Lift coefficients of bridge sections

圖6 橋梁各截面力矩系數(shù)Fig.6 Moment coefficients of bridge sections

(1)阻力系數(shù):橋梁為裸橋時(shí)，表面的壓強(qiáng)分布及周?chē)L(fēng)速矢量如圖7所示(壓力單位Pa，速度單位m/s，下同)。氣流流向橋梁時(shí)，首先接觸到迎風(fēng)面鈍形翼緣板，氣流被強(qiáng)制分流，往下的氣流受到腹板的阻擋，速度驟降，動(dòng)壓下降，靜壓升高。當(dāng)氣流繞過(guò)橋梁上下表面后，在背風(fēng)側(cè)形成一大一小兩個(gè)漩渦區(qū)，漩渦脫落，背風(fēng)側(cè)腹板及翼緣板出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)，從而使得阻力系數(shù)為正。橋梁上有列車(chē)時(shí)，橋梁表面的壓強(qiáng)分布及周?chē)俣仁噶咳鐖D8和圖9所示。由于列車(chē)的存在阻礙了橋梁上表面氣流運(yùn)動(dòng)，橋梁迎風(fēng)面大部分區(qū)域承受著正壓，且正壓力區(qū)域相較于裸橋工況時(shí)有所擴(kuò)展，峰值有所增大，且背風(fēng)側(cè)腹板處負(fù)壓更大，致橋梁各個(gè)截面的阻力系數(shù)增大15%～20%，橋墩處尤為明顯，迎風(fēng)側(cè)與背風(fēng)側(cè)影響特點(diǎn)一致。

(2)升力系數(shù):梁頂板與迎風(fēng)面腹板交界處，流場(chǎng)在梁段表面附面層出現(xiàn)分離現(xiàn)象，且在橋梁上表面槽道之間形成小的漩渦，上表面出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)，此時(shí)橋梁底板出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)，但總體來(lái)講，上下表面壓力差指向上，所以此時(shí)升力為正。由于列車(chē)的存在，使得橋梁上下表面的壓力分布發(fā)生巨大的變化，位于列車(chē)迎風(fēng)側(cè)的橋面上方形成部分正壓，直接使得升力系數(shù)由正值變?yōu)樨?fù)值。特別是當(dāng)列車(chē)位于背風(fēng)側(cè)時(shí)，橋梁上表面大部分靜壓由負(fù)轉(zhuǎn)為正，使得升力系數(shù)向下的趨勢(shì)更大。列車(chē)的各節(jié)車(chē)廂對(duì)橋梁影響的范圍與阻力系數(shù)分析大致一樣，但是效果卻相反。

圖7 裸橋跨中截面周?chē)o壓圖及速度矢量圖Fig.7 Static pressure diagram and velocity vector diagram ofmiddle section of bare bridge

圖8 迎風(fēng)側(cè)跨中截面周?chē)o壓圖及速度矢量圖Fig.8 Static pressure diagram and velocity vector diagram ofmiddle section in the windward side

圖9 背風(fēng)側(cè)跨中截面周?chē)o壓圖及速度矢量圖Fig.9 Static pressure diagram and velocity vector diagram ofmiddle section in the leeward side

(3)力矩系數(shù):力矩系數(shù)受阻力、升力及矩心影響，各工況中矩心一定，力矩系數(shù)由阻力和升力共同決定。以中跨跨中(即橫坐標(biāo)為0)截面為例說(shuō)明:裸橋的力矩系數(shù)最大為2.64，列車(chē)位于迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)時(shí)，其值分別為0.41和0.87。其他截面與跨中截面類(lèi)似，表明列車(chē)位于橋梁上時(shí)，橋梁的力矩系數(shù)大幅降低，當(dāng)列車(chē)位于迎風(fēng)側(cè)時(shí)尤為明顯，是因?yàn)樵摴r下升力作用位置更偏向迎風(fēng)側(cè)。由前述分析可知:相較而言，列車(chē)對(duì)橋梁阻力系數(shù)的影響較小，對(duì)升力系數(shù)影響較大，力矩系數(shù)變化規(guī)律與升力系數(shù)的變化規(guī)律相似，可見(jiàn)車(chē)下橋梁力矩系數(shù)的變化主要是升力系數(shù)的變化決定。

2.3 橋梁對(duì)列車(chē)氣動(dòng)性能的影響

表3對(duì)比了列車(chē)在平坦地面、橋上迎風(fēng)側(cè)和橋上背風(fēng)側(cè)等不同路況下的氣動(dòng)力系數(shù)。列車(chē)位于橋上時(shí)各節(jié)車(chē)氣動(dòng)力力系數(shù)均要比在平坦地面時(shí)大，且列車(chē)位于迎風(fēng)側(cè)時(shí)氣動(dòng)力系數(shù)大于在背風(fēng)側(cè)時(shí)。傾覆力矩系數(shù)是直接表征列車(chē)側(cè)向傾覆危險(xiǎn)性的1個(gè)系數(shù)，在側(cè)力和升力的共同影響下變化。對(duì)這3個(gè)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理提取出變化百分比:迎風(fēng)側(cè)頭車(chē)的側(cè)力系數(shù)、升力系數(shù)以及傾覆力矩系數(shù)相較在平地時(shí)分別增大26.2%、17.1%和22.8%;中車(chē)的側(cè)力系數(shù)、升力系數(shù)以及傾覆力矩系數(shù)相較在平地時(shí)分別增大13.6%，18.9%和23.6%;尾車(chē)的側(cè)力系數(shù)、升力系數(shù)以及傾覆力矩系數(shù)相較在平地時(shí)分別增大23.2%23%和21.8%;可見(jiàn)列車(chē)在橋梁迎風(fēng)側(cè)運(yùn)行時(shí)較其在地面上運(yùn)行安全性大大降低。

表3 不同工況列車(chē)氣動(dòng)力系數(shù)Table 3 Train aerodynamic coefficients under different conditions

2.4 列車(chē)不同縱向位置對(duì)橋梁氣動(dòng)性能影響研究

考慮到列車(chē)對(duì)橋墩的氣動(dòng)力影響有限，本節(jié)討論中只針對(duì)橋梁截面。兩節(jié)車(chē)廂模型(頭車(chē)+中車(chē))移動(dòng)列車(chē)氣動(dòng)性能試驗(yàn)將在風(fēng)洞展開(kāi)，本節(jié)數(shù)值模擬時(shí)列車(chē)計(jì)算模型也取頭車(chē)+中車(chē)模型，與試驗(yàn)列車(chē)一致(通過(guò)對(duì)兩車(chē)模型和三車(chē)模型數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比知:不考慮尾車(chē)氣動(dòng)效應(yīng)時(shí)，可以用兩車(chē)模型代替三車(chē)模型)。

為分析列車(chē)從靠近簡(jiǎn)支梁橋一端到完全覆蓋簡(jiǎn)支梁橋過(guò)程中對(duì)該簡(jiǎn)支橋梁氣動(dòng)性能影響，建立分析模型如圖10所示。列車(chē)的初始位置取為車(chē)頭位于d4號(hào)橋墩中心上，此時(shí)y=16m，沿著y的負(fù)方向每4 m一步向前移動(dòng)，當(dāng)列車(chē)車(chē)頭位于y=－48m時(shí)結(jié)束，共17步。通過(guò)對(duì)1#號(hào)梁、2#號(hào)梁和3#號(hào)簡(jiǎn)支梁橋氣動(dòng)性能分析實(shí)現(xiàn)對(duì)列車(chē)不同縱向位置時(shí)橋梁氣動(dòng)性能影響研究。包括迎風(fēng)側(cè)與背風(fēng)側(cè)工況在內(nèi)，總共涉及到34個(gè)工況的計(jì)算。

圖10 列車(chē)在橋梁上的始末位置圖Fig.10 A view of train’position on the bridge

橋梁三分力的計(jì)算結(jié)果如圖11所示(力單位:N，力矩單位:N·m)。其中橫坐標(biāo)表示車(chē)頭最前端(簡(jiǎn)稱(chēng)為車(chē)尖)離簡(jiǎn)支梁跨中位置的距離(單位m)，列車(chē)車(chē)尖在梁跨中右側(cè)為正值，左側(cè)為負(fù)值。為與風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵恢拢瑪?shù)值模擬橋梁模型只有5跨。為盡可能擴(kuò)大列車(chē)縱向位置范圍，在這我們利用相對(duì)位置概念，研究列車(chē)從靠近簡(jiǎn)支梁橋一端至離開(kāi)簡(jiǎn)支梁橋過(guò)程中(橫坐標(biāo)變化范圍為48～－28 m，橫坐標(biāo)為－28 m時(shí)頭車(chē)車(chē)尖離開(kāi)梁端12 m，整橋被列車(chē)覆蓋)橋梁氣動(dòng)力變化情況。對(duì)于靜態(tài)模擬，列車(chē)離開(kāi)橋梁情況可以直接由靠近情況對(duì)稱(chēng)得到，本文中不再贅述。

由圖可以看出:不管列車(chē)位于橋梁迎風(fēng)側(cè)還是背風(fēng)側(cè)，橋梁氣動(dòng)力隨列車(chē)縱向位置的變化而變化，且變化規(guī)律基本一致，列車(chē)的存在對(duì)橋梁氣動(dòng)力影響范圍基本在車(chē)尖靠近及遠(yuǎn)離梁橋跨中20 m范圍內(nèi)。以迎風(fēng)側(cè)為例分析列車(chē)不同縱向位置對(duì)橋梁氣動(dòng)性能影響。

(1)阻力:由圖可知，車(chē)頭在28～－20 m區(qū)段內(nèi)，隨著列車(chē)的靠近，橋梁阻力先增大后減小，總體變化幅值較小。這表明列車(chē)在靠近橋梁過(guò)程中頭車(chē)車(chē)尖距橋梁端部10 m左右后才對(duì)橋梁氣動(dòng)阻力略有影響。

(2)升力:28～－20 m區(qū)段內(nèi)，隨著列車(chē)的靠近，橋梁的氣動(dòng)升力從開(kāi)始的正值減小至0后反向增加。48～－28 m及－20～－28 m區(qū)段內(nèi)，橋梁氣動(dòng)升力無(wú)明顯變化。這表明列車(chē)在靠近橋梁過(guò)程中頭車(chē)車(chē)尖距橋梁端部10 m左右后對(duì)橋梁氣動(dòng)升力有明顯影響;由于列車(chē)的尺度大于橋梁尺度，當(dāng)整橋被列車(chē)覆蓋后，列車(chē)位置改變對(duì)橋梁氣動(dòng)升力影響不大。

(3)力矩:車(chē)頭在48～0 m及－20～－28 m區(qū)段內(nèi)，力矩變化很小，在0～－20 m區(qū)段力矩才有較明顯變化。說(shuō)明力矩受影響范圍要小于阻力和升力，只有當(dāng)列車(chē)車(chē)尖到達(dá)橋梁跨中后才有較明顯影響。整體而言，力矩變化趨勢(shì)與升力變化趨勢(shì)較一致。究其原因是因?yàn)榱氐淖兓茏枇蜕餐绊?，而阻力和升力反向變化，在列?chē)離橋梁較遠(yuǎn)時(shí)，阻力和升力的變化都較小使得力矩變化不明顯;在阻力和升力變化較明顯范圍內(nèi)，由于升力變化幅值更大，占據(jù)主導(dǎo)地位，力矩變化為升力控制［17］。

圖11 列車(chē)在橋上不同縱向位置時(shí)橋梁節(jié)段氣動(dòng)力Fig.11 Aerodynamic forces of the bridge section when train in different vertical location on the bridge

3 結(jié)論

(1)在風(fēng)速為5～25 m/s的范圍內(nèi)，隨著風(fēng)速的加大，車(chē)橋氣動(dòng)力系數(shù)變化均不大，說(shuō)明雷諾數(shù)對(duì)本文所研究的車(chē)橋系統(tǒng)氣動(dòng)力系數(shù)影響有限。

(2)車(chē)橋系統(tǒng)中由于列車(chē)的存在極大的改變了橋梁周?chē)鲌?chǎng)，使橋梁阻力系數(shù)正向增大，升力系數(shù)由正直變?yōu)樨?fù)值，力矩系數(shù)變小;

(3)列車(chē)迎風(fēng)面為正壓，背風(fēng)面為負(fù)壓，指向相同，致使列車(chē)受到較大的側(cè)向力，為導(dǎo)致車(chē)輛傾覆的重要因素。橋上列車(chē)比平坦地面上列車(chē)的氣動(dòng)安全性差，且列車(chē)在橋梁迎風(fēng)側(cè)比在背風(fēng)側(cè)時(shí)更危險(xiǎn)。

(4)隨著列車(chē)在橋上縱向位置的不斷變化，在列車(chē)影響范圍內(nèi)橋梁三分力系數(shù)不斷發(fā)生變化。在列車(chē)靠近橋梁過(guò)程中，對(duì)于阻力與升力，列車(chē)影響范圍為頭車(chē)車(chē)尖距橋梁端部10 m左右后，對(duì)力矩只有當(dāng)列車(chē)車(chē)尖到達(dá)橋梁跨中后才有較明顯影響。

［1］葛盛昌，尹永順.新疆鐵路風(fēng)區(qū)列車(chē)安全運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究［J］.鐵道技術(shù)監(jiān)督，2006，39(4):9－11.GE Shengchang，YIN Yongshun.Field test research on safe operation criteria of train in wind region of Lanzhou－Xingjiang railway line［J］.Railway Quality Control，2006，39(4):9－11.

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