苗秀娟

(長沙理工大學 汽車與機械工程學院，湖南 長沙 410076)

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峽谷橋梁鐵路周圍測風站選址

苗秀娟

(長沙理工大學 汽車與機械工程學院，湖南 長沙 410076)

基于Spalart-Allmaras方程的DES(分離渦模擬)湍流模型，采用流場計算軟件FLUENT對峽谷橋梁線路周圍流場進行數值模擬計算，得到峽谷橋梁線路周圍的流場速度分布，研究結果表明：山體之間的間距越小對氣流的加速作用越明顯，10m處最高速度增加量均在70%以上；山體傾角θ越小，速度增加越大。當θ由45°變化到25°時，橋梁位置z=10m高度處的風速相對于入口初始速度的增加量由54.3%增加到79.8%；而峽谷隘口處z=10m水平高處風速最大值Umax隨著山體半徑的增大逐漸增大，當山體半徑達到300m時，此處最大風速比入口標準風速增加了86.3%。同時風速在峽谷中間位置均存在一駐點，建議將測風站安裝在隘口中心位置，可以適當避免安裝誤差引起的測量誤差。

峽谷；流場；測風站；選址

列車在強橫風環(huán)境中行駛時的安全性，不僅受到環(huán)境風大小、風速、路基形狀等的影響，還會受到周圍大環(huán)境的影響，尤其是在一些山區(qū)地段，多有隧道甚至隧道群，隧道之間常由高架橋梁連接，且通常位于峽谷隘口或收縮段谷寬較窄的位置[1-2]。與平原或沿海地區(qū)不同，峽谷地區(qū)橋梁橋位處的風場常常存在著明顯的三維特性[3]，運行在峽谷橋梁上的車輛將承受更復雜、更大的氣動力[4]。我國《公路橋梁抗風設計規(guī)范》[5]中給出了不同海拔高度地區(qū)橋位處風速的換算方法，指出峽谷或山口區(qū)，由于兩岸高氣流受阻。在峽谷、山口處形成風速加速區(qū)．通常風速增大10%～20%。國內外關于山區(qū)峽谷地形風場特性的研究比較少見，僅有部分學者進行了研究：李春光[2]采用風洞試驗和數值模擬的方法研究了收縮性山區(qū)峽谷的風環(huán)境分布規(guī)律，得出峽谷內風剖面受測點位置及來流風向影響明顯的結論；楊明智等[6]采用風洞實驗的方法研究了青藏線橋梁上列車的氣動性能；苗秀娟等[7]介紹了峽谷風對橋梁上列車氣動性能的影響；李永樂等[8]采用風洞試驗的方法研究了車橋組合狀態(tài)下沿不同類型橋梁運行時的氣動性能；日比野有等[9]采用1∶1模型研究了實際風環(huán)境下橋梁上列車的氣動性能；文獻[10]采用風洞實驗的方法研究了列車在橋梁上的氣動性能。但上述研究中沒有考慮到橋梁周圍線路大環(huán)境的影響。同時為了預防大風引起的事故發(fā)生，在鐵路沿線風速較大的地方設置了測風站[11-12]，以便對風速實時監(jiān)控，控制列車通過風區(qū)。但測風站一般安裝在橋梁兩端比較寬闊的空地上，所測風速并不能反應橋梁上實際風速。針對上述問題，文中研究了在峽谷中的橋梁附近的風場分布，提出了測風站的安裝地址的合理建議，并據此給出了針對所測風速的修正方法。

1　計算模型、計算區(qū)域、網格

采用DES(分離渦模擬)對流場進行數值仿真，采用RANS(雷諾時均法)模擬壁面附近以避免強剪切導致的LES(大渦模擬)對近壁面模擬不準確的問題，采用LES模擬遠離壁面處以保證對湍流場瞬態(tài)流動的模擬。計算區(qū)域以及坐標系如圖1所示。其中：R為山體斜面的曲率半徑，θ為山體斜面與垂線的夾角，H為兩山體最小間距，計算區(qū)域為1 000m×700m×500m(長×寬×高)。側風入口按指數風[13]給定X向速度分量，其表達式為：UZ=(Z/Z10)αU10，參考高度z=10m，即U10=10m/s，速度廓線指數a=0.14。Y和Z向速度分量均為0。出口設為靜壓為0的壓力出口；采用摩擦系數1.0的非光滑壁面來模擬山峰的不平順及樹木的影響。流域頂面及兩側面均設定為對稱面。地面采用無滑移的壁面邊界條件，結構網格離散，在地面及山體表面增加附面層以提高計算精度，具體見圖2。以20 ℃空氣中的音速(約343m/s)計算得到文中標準風速10m/s相對應的馬赫數為Ma=0.03<0.30，因此，流動按不可壓縮處理。

單位：mm圖1　計算流域Fig.1 Calculation region

單位：mm圖2　計算網格Fig.2 Computational grid

2　峽谷橋梁線路周圍計算及結果分析

文中主要就不同的山體間距H=200，250，300，350和400m(R=200m，θ=30°)、山體傾斜角度θ=25°，30°，35°，40°和45°(R=200m，H=300m)以及山體曲率半徑R=200，225，250，275和300m(θ=30°，H=300m)3個方面進行了研究，通過分析各工況下流場結構找出各因素對流場風速分布的影響。峽谷隘口處，離地高度z=10m處水平中心線上的各工況下風速分布曲線見圖3。

圖3中可以看出，無論是不同間距、不同傾斜角度還是不同山體半徑，峽谷隘口處風速均是在山體表面首先經歷附面層速度由0急劇上升達到最大值，之后風速隨著與山體距離的增大而逐漸減小，到峽谷中心位置時，各工況風速基本一致，穩(wěn)定在10m/s上下。說明當水平高度達到一定高度后，峽谷隘口中心處風速基本上不受山體外形參數的影響，與遠方來流風速基本一致，此處存在一個駐點。因此，建議將測風站安裝在隘口中心位置，可以適當避免安裝誤差引起的測量誤差。

a.不同間距；b.不同傾斜角度；c.不同山體半徑圖3　Z=10 m峽谷中心線上速度圖Fig.3 Wind speed distribution on level of 10 m high at the middle of the valley

圖3中也表明列車從山體隧道中出來后進入到峽谷橋梁的時候首先遭遇到的是峽谷內的最高風速。根據參考文獻[14]可知，此時列車最危險，因此研究列車在峽谷橋梁上的運行安全性時，應以此處最高風速為準。表1中列出了該水平線上氣流最大速度。為便于對比分析，同時給出了針對遠方來流10m高處標準風速(10m/s)的增加量。

由表1可以看出：峽谷隘口對峽谷內氣流有明顯的加速作用。山體之間的間距越小對氣流的加速作用越明顯，10m處最高速度比U10增加量均在70%以上；不同的山體傾斜角度，對氣流的速度變化也有較大的影響：山體傾角θ越小，山體斜面越陡峭，速度增加百分比越大。當θ由45°變化到25°時，z=10m高度處的風速相對于入口初始速度的增加量由54.3%增加到79.8%；而峽谷隘口處z=10m水平高處風速最大值Umax隨著山體半徑的增大逐漸增大，當山體半徑達到300m時，此處最大風速比入口標準風速增加了86.3%。

由此可見，若以遠處來流為標準進行峽谷橋梁上的列車氣動性能研究或限行是存在很大風險的，需要對線路所經過的峽谷橋梁附近安裝測風站，并對所測風速進行修正才能與實際情況相符，保證列車的安全運行。

2.1峽谷間距對流場風速的影響

2.1.1流場內各處風速關系

根據前面風速的水平分布特征，取出各工況中間的風速Um以及靠近山體的最大風速Umax，分別繪制Umax/Um與Umax/Ua(Ua為氣象站所測風速)隨山體間距H的變化曲線，見圖4、圖5。

表1　各工況下隘口處z=10 m水平線上風速最大值

由圖4可見：最高風速與測風站風速之間的比值基本維持在1.2～1.8之間，除H=200m的工況外，Umax/Um基本上隨著z值的增大而減小，說明離地高度越大，峽谷中間風速的差別越小。同時可以發(fā)現，z越大，不同工況下Umax/Um的值的差別越小，當Z=50m時，除H=200m工況外，其余工況下的Umax/Um的比值近似相等，說明當離地高度達到50m以上，峽谷隘口處的最高風速和最低風速的比值基本上為一定值。

由圖5可見：最高風速與氣象站風速之間的比值規(guī)律性較強，除H=200m的工況外，Umax/Ua基本上和H的變化無關、僅隨著z的增大而略微增大，且Umax/Ua始終在1.8左右。

圖4　 Umax/Um隨H的變化曲線Fig.4 Umax/Um change curve With H

圖5　 Umax/Ua隨H的變化曲線Fig.5 Umax/Ua change curve With H

2.2山體傾斜角度對流場風速的影響

2.2.1流場內各處風速關系

分別繪制Umax/Um、Umax/Ua隨山體傾斜角度θ的變化曲線。詳見圖6、圖7。

由圖6可見：最高風速與測風站風速之間的比值基本維持在1.2-1.8之間，且隨著角度θ與z值的增大而減小，說明傾斜角度越大、離地距離越高，峽谷中間風速與邊緣最大風速的差別越小，當Z=50m時，文中幾種傾斜角度下的Umax/Um的比值均在1.23-1.33之間，說明離地高度越大，峽谷隘口處的最高風速和最低風速的比值受山體斜率的影響越小。而當θ=45°時，文中幾種高度下的Umax/Um的比值均在1.23-1.37之間，說明傾斜角度越大，高度對峽谷隘口處的最高風速和最低風速的比值的影響越小。

圖6　 Umax/Um隨θ的變化曲線Fig.6 Umax/Um change curve With θ

圖7　 Umax/Ua隨H的變化曲線Fig.7 Umax/Ua change curve With θ

由于Umax/Um與θ和z幾乎呈現線性關系，采用雙線性擬合可以近似表示成：

Umax=((0.028 8×z-1.718)×θ+

2.448 1-0.024 4×z)Um

(1)

由圖7可見：最高風速與氣象站風速之間的比值基本仍然維持在1.5-2.0之間，且隨著角度θ的增大而減小，隨著z值的增大而增大。說明傾斜角度越大、離地距離越低，峽谷中間風速與邊緣最大風速的差別越小。同時可以發(fā)現，各工況下Umax/Ua的比值隨θ和z的變化曲線大致符合線性分布，且斜率近似一致。考慮工程應用的方便性，此處將各曲線采用雙線性擬合：

Umax=

((-0.005 5×z-0.472 1)×θ+2.156 6)Ua

(2)

2.3山體半徑對流場風速的影響

2.3.1流場內各風速關系

繪制Umax/Um與Umax/Ua隨山體半徑R的變化曲線，見圖8和圖9。

圖8　Umax/Um隨R的變化曲線Fig.8 Umax/Um change curve With R

圖9　 圖9 Umax/Ua隨R的變化曲線Fig.9 Umax/Ua change curve With R

由圖8、9可見：最高風速與測風站風速之間的比值基本維持在1.2～1.8之間，z為10m時，不同工況下Umax/Um的值的差別很小，說明山體半徑對近地處峽谷隘口處的最高風速和最低風速的比值影響不大，基本相同?？紤]到工程應用方便以及安全冗余，統(tǒng)一采用最大值來表示，即：

Umax=1.8Um

(3)

最高風速與氣象站風速之間的比值比較有規(guī)律，Umax/Ua基本上隨著R與z值的增大而增大，近似成線性關系、且斜率近似相等，說明兩山之間的半徑越大，離地距離越高，峽谷隘口風速分布差別越大。對圖9中的曲線進行雙線性擬合，線路最高風速與氣象站的所測風速的關系可以近似表示成：

Umax≈(0.003 5×z+0.001 2×

R+1.469 4)Ua

(4)

3　 結論

1)風速在峽谷中間位置均存在一拐點，建議在此安裝測風站，可以避免安裝誤差引起的測量誤差；

2)對于峽谷間距不同時，流場結構基本類似，且H大于250m之后Umax/Ua始終在1.8左右；

3)以山體傾斜角度為變量時，線路最高風速與測風站、氣象站的風速的關系可以表示成：

Umax=((0.028 8×H-1.718)×θ+

2.448 1-0.024 4×H)Ua

Umax=((-0.005 5×H-0.472 1)×

θ+2.156 6)Um

4)以山體半徑為變量時，Umax/Um基本在1.2～1.8之間波動，考慮到工程應用方便以及安全冗余，統(tǒng)一采用最大值來表示，而Umax/Ua的規(guī)律性較強，線路最高風速與測風站、氣象站的風速的關系可以表示成：

Umax=1.8Um

Umax≈(0.003 5×z+0.001 2×R+1.469 4)Ua

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Wind anemometer location determination on railway bridge in valley

MIAO Xiujuan

(CollegeofAutomobileandMachineryEngineering，ChangshaUniversityofScienceandTechnology，Changsha410076，China)

UsingDetached-Eddysimulation(DES)basedonSpalart-Allmarasformulation,thispapersimulatedtheflowatthenarrowvalleyinthemountain.Thespeeddistributionaroundthebridgewasobtained.Thecalculationresultsshowtheaccelerationeffectismoreobviouswhenthedistanceoftwomountainsissmaller,andthatthespeedincreasedover70%attheheightof10meter.Thesmallerofthemountainslopeangelθ,thegreaterthespeedincrease.Whenmountainslopeangelθchangedfrom45°to25°,thewindspeedatthebridgelocationthatis10meterhighincreasedfrom54.3%to79.8%ascomparedtothewindspeedofinlet.Thewindspeedatthemiddlebridgeincreaseswithincreasingradiusofmountain.Whentheradiusofmountainreachesto300meter,itincreasesabout86.3%thantheinletspeed.Meanwhile,thereisastagnationpointofwindspeed,wherethewindanemometershouldlocatetoavoidthemeasurementerrorcausedbyinstallationerror.

valley;flowfield;windanemometer;location

2015-11-29

國家自然科學基金資助項目(U1134203)；湖南省杰出青年基金資助項目(14JJ1003)

苗秀娟(1977-)，女，河北秦皇島人，講師，博士，從事空氣動力學研究；E-mail:mxj77@126.com

U270．11

A

1672-7029(2016)07-1332-06