鄒云峰, 何旭輝, 李 歡, 秦紅禧, 史 康, 黃永明
(1. 中南大學土木工程學院,湖南 長沙 410075;2. 高速鐵路建造技術(shù)國家工程實驗室,湖南 長沙 410075;3. 中國建筑第五工程局有限公司,湖南 長沙 410004)
?
風屏障對車橋組合狀態(tài)下中間車輛氣動特性的影響*
鄒云峰1,2,3, 何旭輝1,2, 李歡1,2, 秦紅禧1,2, 史康1,2, 黃永明1,2
(1. 中南大學土木工程學院,湖南 長沙 410075;2. 高速鐵路建造技術(shù)國家工程實驗室,湖南 長沙 410075;3. 中國建筑第五工程局有限公司,湖南 長沙 410004)
設(shè)置風屏障是提高行車安全的有效措施之一,但防風效果受風屏障參數(shù)、周圍環(huán)境等多種因素影響?;谕綔y壓方法,結(jié)合本征正交分解技術(shù)對風壓測點進行加密后通過積分獲得氣動力,以京滬高速鐵路典型高架橋和CRH2列車為背景,研究多種風屏障參數(shù)對典型車橋組合狀態(tài)下中間車輛氣動力和風壓分布的影響。研究結(jié)果表明:測壓積分可獲得與天平測力精度相當?shù)臍鈩恿?;風屏障對上游列車的防風效果顯著,下游列車氣動特性則受之影響較?。幌鄬Χ?,風屏障透風率大小對列車氣動特性影響較大,高度影響較小,且二者存在一個最優(yōu)組合;設(shè)置風屏障后,盡管平均氣動力會減小,但最大氣動力由于特征紊流的影響可能會增大,風屏障參數(shù)應(yīng)通過風洞試驗或數(shù)值模擬慎重選取。
高速列車; 風屏障; 車橋組合; 中間車輛; 氣動特性
隨著高速鐵路的迅速發(fā)展,高速列車在側(cè)風作用下的行車安全受到人們的廣泛關(guān)注[1-2]。提高行車安全的措施有軟件措施(即運行管制)和硬件措施(如設(shè)置風屏障、優(yōu)化車體外形及新建線路等)兩種,但通過限速慢行或停止運行的管制措施來提高行車安全會影響運送效率,帶來巨大的經(jīng)濟損失,因此設(shè)置風屏障是提高既有線路列車行車安全的有效措施,且國內(nèi)外均有成功實施的實例[3-4]。
多年來,國內(nèi)外學者對風屏障的防風效果進行了廣泛研究。王厚雄等通過實測與試驗研究表明,風屏障高度達到0.56倍車輛高度時,車輛傾覆力矩接近零,同時指出防風效果受周圍環(huán)境影響較大[5];向活躍等通過風洞試驗和數(shù)值模擬研究風屏障對三種典型線路軌道上方風壓分布的影響,發(fā)現(xiàn)迎風側(cè)風屏障可有效減小軌道上方的風壓,而背風側(cè)風屏障則會增加軌道上方的負壓[6];梁習鋒等通過數(shù)值模擬方法對路堤上不同設(shè)置位置處的擋風墻合理高度進行研究,發(fā)現(xiàn)不同位置處的風屏障合理高度不一樣[7];周奇等通過數(shù)值模擬對設(shè)置風屏障后車道中心處的流場進行研究,表明防風效果隨透風率增大的變化趨勢并非線性,而有一個最優(yōu)透風率[8];Coleman通過風洞試驗研究了不同形狀風屏障的防風效果,認為風屏障能有效降低車輛氣動力,但防風效果還與車輛外形有關(guān)[9];Papesch研究了風屏障形式對車輛傾覆力矩的影響,并得到了合理的風屏障形式[10];Kwon等通過對設(shè)置風屏障后橋面流場的測試發(fā)現(xiàn)風屏障高度達到橋面寬度的1/8時可使橋面風速減小一半[11-12];Kozmar通過PIV技術(shù)研究了風屏障對橋面流場的影響,發(fā)現(xiàn)風屏障能有效減小橋面處的風速[13];日本學者對風屏障防風性能的研究結(jié)果表明,風屏障高度、透風率等參數(shù)最優(yōu)值的選取與路基、橋梁等下部結(jié)構(gòu)及周圍地貌等因素有關(guān),應(yīng)通過風洞試驗確定[14]。
由上述綜述可看出,已有研究成果大多通過測試線路上方流場或車輛整體平均氣動力來考察風屏障的防風效果,但流場測試通常沒有考慮線路上的車輛,得到的結(jié)果只能反映風屏障對線路上方流場的影響,而忽略了車輛對風屏障-線路系統(tǒng)流場的干擾;至于平均氣動力的測試,未能考慮風屏障產(chǎn)生的特征紊流對脈動氣動力的影響,且由于給出的是車輛整體氣動力,故不能探究風屏障對車輛風壓分布的影響,難以深入認識風屏障對列車氣動特性的影響機理。此外,防風性能受下部結(jié)構(gòu)形式及周圍環(huán)境影響是眾多研究者已達成的共識。鑒于高架橋在中國高速鐵路線路中的比重通常較大,本文以京滬高速鐵路典型高架橋和CRH2列車為背景,通過同步測壓技術(shù)對典型車橋組合狀態(tài)下中間車輛風壓分布進行測試,比較風屏障高度、透風率等參數(shù)對列車氣動特性的影響。研究成果可為中國類似線路風屏障的設(shè)置提供參考。
1.1試驗?zāi)P?/p>
試驗研究的列車、橋梁原型分別為CRH2型客車(頭車+中間車輛)和32 m簡支梁橋(5跨),為滿足堵塞率要求,模型幾何縮尺比為1∶25(最大堵塞率為4.2%<5%),頭車模型尺寸為1028 mm(長)×140 mm(寬)×135.2 mm(高),中間車輛為1000 mm(長)×140 mm(寬)×135.2 mm(高),橋梁模型尺寸如圖1所示。試驗?zāi)P团c實物在外形上保持幾何相似,并考慮了軌道、轉(zhuǎn)向架及車輪等,以盡可能真實模擬實際氣流的繞流特征。列車和主梁模型采用優(yōu)質(zhì)木材制作,橋墩及其他部件由鋼材制作,保證模型具有足夠的強度和剛度,在測壓試驗中模型不發(fā)生變形且不出現(xiàn)明顯的振動現(xiàn)象以保證壓力測量的精度。試驗?zāi)P驼掌鐖D2所示。
圖1 橋梁模型幾何尺寸(單位:mm)Fig.1 Geometric dimensions of the bridge model (Unit: mm)
圖2 試驗?zāi)P驼掌現(xiàn)ig.2 Test model
由于頭車外形復(fù)雜,橫風作用下三維繞流特性顯著,而中間車輛外形相對較規(guī)則,由測壓積分得到的氣動力精度易得到保證,且中國動車編組最長達16列車,中間車輛氣動力結(jié)果可反映至整車。因此本文試驗僅在中間車輛布設(shè)170個壓力測點,每個斷面布置17個測點,且各斷面測點位置基本一致,測點編號及與來流相對位置如圖3所示。
圖3 中間車輛測點布置Fig.3 Pressure taps number on middle vehicle
1.2測試設(shè)備
風洞試驗在中南大學“高速鐵路建造技術(shù)國家工程實驗室”的高速鐵路風洞試驗系統(tǒng)進行,該系統(tǒng)包括高速和低速兩個試驗段,其中,高速試驗段長15.0 m,寬3.0 m,高3.0 m,試驗風速在5~94 m/s范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào);低速試驗段長18.0 m,寬12.0 m,高3.5 m,試驗風速在2(20 m/s范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。風壓測量采用美國PSI公司的DTC net電子式壓力掃描閥系統(tǒng),每通道測試精度達到0.05%。參考點的風速則由皮托管測量。采樣時長30 s,采樣頻率330 Hz。
1.3測試工況
研究表明[15],列車受到的氣動力大小與其所處周圍環(huán)境有關(guān),因此本文考慮“單車+橋”和“雙車+橋”兩大類車橋組合狀態(tài),測試工況安排及列車位置描述見表1。為研究風屏障高度、透風率對車-橋系統(tǒng)氣動特性的影響,選取的實際風屏障高度H分別為2.0,2.5,3.0m,與列車高度之比分別約為0.57,0.71,0.86,每種高度的風屏障考慮0%,10%,20%,30%和40%五種透風率(如表2所示),其中開孔方式采用方孔陣列式,并在風屏障上均勻分布。本次試驗在低速試驗段內(nèi)的均勻流場中完成,試驗風速UH(無窮遠處參考點高度處的來流風速)為10 m/s,僅考慮90°一個風向角(即橫風)。
測點i處的風壓系數(shù)Cpi(t)定義如下[16]
(1)
式中Pi(t)為風洞試驗中壓力掃描閥測得的i點處風壓時程,以壓力作用方向指向結(jié)構(gòu)表面為正,離開為負;P0為無窮遠處試驗參考高度處的靜壓;ρ為空氣密度,取ρ=1.225 kg/m3。
壓力系數(shù)反映的是結(jié)構(gòu)某一點的受力情況,為考察結(jié)構(gòu)受到的整體氣動力,可將壓力系數(shù)對面積積分得到各種氣動力系數(shù),如側(cè)力系數(shù)CY(t)、升力系數(shù)CZ(t)和傾覆力矩系數(shù)CMx(t),其定義分別如下[17]:
表1 測試工況
(2)
(3)
(4)
式中H,B,L分別為模型的高、寬、長;FY,FZ,Mx分別為體軸系下模型受到的側(cè)力、升力和傾覆力矩,由風壓積分得到,各氣動力方向規(guī)定如圖4所示,其中傾覆力矩以下游軌道為參考點。
圖4 體軸系下列車氣動力Fig.4 Aerodynamic force in body axis
根據(jù)式(1)~(4)定義的力系數(shù)時程,對其進行時間平均可得到平均值,極值計算方法為[16]
(5)
式中Fextreme為式(1)~(4)定義的各種力系數(shù)極值;Fmean為力系數(shù)均值;g為峰值因子,取g=2.5;σF為力系數(shù)根方差;“±”為保證σF與Fmean同號。
測壓試驗中,模型表面的風壓通常需要由一定長度的測壓管道傳輸至壓力傳感器(本文所用管路長度均為60 cm,內(nèi)徑為1 mm),在這一傳輸過程中,傳感器測得的脈動壓力信號實際上是模型表面真實風壓發(fā)生畸變后的信號,而反演修正是減小畸變的有效方法之一。反演修正的前提是準確獲得測壓管路系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù),本文在試驗前采用比較法對所用測壓管路系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)進行測試[16]。風壓測量完成后,采用測得的頻率響應(yīng)函數(shù)對各測點的風壓信號進行反演修正,以保證由風壓積分得到氣動力結(jié)果的可靠性。
表2 風屏障模型幾何參數(shù)
為驗證測壓方法獲得列車氣動力的可靠性,通過測壓與測力試驗同時測試中間車輛的氣動力,且測力采樣參數(shù)與測壓試驗保持一致。試驗時,將測力天平底端固定在風洞轉(zhuǎn)盤上,上端固定一塊寬30 cm、厚1 cm的木板以安裝中間車輛模型,而安裝頭車模型的木板則直接支撐在風洞轉(zhuǎn)盤上,且二者保持一定間隙以保證頭車氣動力未傳遞給天平,考慮到安裝模型的木板有一定厚度,為盡可能減小它對天平測力結(jié)果的干擾,在其兩邊固定斜坡以減小木板受到的風荷載,斜坡與木板盡可能接近但又保證不接觸,試驗照片如圖5所示。
圖5 中間車輛氣動力測壓與測力對比試驗Fig.5 Test of dynamometer and pressure measurement
風壓測點越密,由風壓積分獲得的氣動力精度越高,但壓力掃描閥通道數(shù)通常有限。本征正交分解(POD-Proper Orthogonal Decomposition)法將隨機風壓場分解為與空間相關(guān)的本征模態(tài)和與時間相關(guān)的主坐標,根據(jù)需要加密點的坐標對本征模態(tài)進行空間插值后,結(jié)合本征正交分解得到的主坐標便可對沒有布置測點處的風壓時程進行預(yù)測,即對風壓數(shù)據(jù)點進行加密,該方法已經(jīng)被成功應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)風壓點的加密。本文將中間車輛測點加密為34×20=680個測點。圖6給出的是中間車輛氣動力測力與加密風壓點后測壓積分結(jié)果對比,由圖可見,測壓積分得到的平均氣動力隨風向角變化趨勢與測力結(jié)果基本一致,且二者大小相當,相差在±0.1以內(nèi),除風向角較小(小于40°)時,由于列車氣動力較小,二者偏差百分比(偏差百分比=(測壓積分結(jié)果-測力結(jié)果)/測力結(jié)果)大于10%外,其他風向角下均小于10%,表明只要布置適當數(shù)量的測壓點,通過風壓積分也可獲得與測力試驗相當精度的氣動力測試結(jié)果。
圖6 測壓積分與測力氣動力測試結(jié)果對比Fig.6 Comparison of dynamometer results with pressure integration results
圖7 風屏障高度對氣動力的影響(Case 1)Fig.7 Influence of wind barrier height on aerodynamic force(Case 1)
4.1高度的影響
為便于直接比較防風性能,本文給出的是有風屏障時的氣動力與無風屏障時的比值。圖7所示為風屏障高度對列車氣動力的影響(以Case 1為例),可以看出,列車氣動力隨風屏障高度的增大而略有減小,但減幅與透風率大小有關(guān);從氣動力隨風屏障高度的變化趨勢來看,當風屏障達到某一高度后,氣動力將趨于穩(wěn)定(以側(cè)力尤為明顯)。事實上,李永樂[18]的試驗結(jié)果也表明設(shè)置某些高度的風屏障后,列車氣動力反而會增大。因此筆者認為各透風率下均可能有一個最優(yōu)高度,當風屏障高度小于最優(yōu)高度時,氣動力隨高度的增加而減小,超過最優(yōu)高度后,氣動力將基本保持不變甚至增大。要證實這種推測,需進行更高風屏障下列車氣動力的測試。限于篇幅,該工作將在后續(xù)研究中開展。
不同車橋組合狀態(tài)下列車氣動力隨風屏障高度的變化情況如圖8所示,可以看出,不管是單車還是雙車交會,上、下游列車氣動力總體隨高度的增加而略有減小,但上游列車的減幅小于下游列車,即使是同處于上或下游,氣動力減幅也與透風率大小有關(guān)。需要說明的是,圖8(a)中Case 4變化趨勢與其他曲線不一致,這是因為Case 4測試列車位于雙車交匯的下游位置,由于上游列車和風屏障的遮擋效應(yīng),下游列車平均氣動力很小,但隨著風屏障高度的增加,其引起的特征湍流增大列車脈動氣動力,故其極值可能增大,因此出現(xiàn)圖8(a)中Case 4曲線隨風屏障高度增加而增大的現(xiàn)象。
圖8 列車位置的影響Fig.8 Influence of train positions
4.2透風率的影響
由上一小節(jié)可知,在本文研究的風屏障高度范圍內(nèi),風屏障高度變化對列車氣動特性影響較小,因此僅以H=2.5 m為例,分析風屏障透風率對列車氣動力的影響情況。圖9為Case 1試驗結(jié)果,由圖可知,列車氣動力隨透風率的增大呈線性增長關(guān)系,在透風率為0時最小,均值甚至接近零;在40%時最大,升力、傾覆力矩甚至比沒有風屏障時還大。因此設(shè)計師需要特別注意風屏障參數(shù)的選擇,如果選取不當,不僅不能起到防風效果,反而會增加列車氣動力,不利于行車安全。風屏障對最小氣動力的防風效果最好,即使是40%透風率,最小氣動力也較無風屏障時約小50%,平均氣動力次之,最大氣動力最差。此現(xiàn)象可解釋為,盡管風屏障的遮擋效應(yīng)使得平均氣動力會減小,但由于其產(chǎn)生的特征紊流,氣動力均方差會增大,使得極值有所增大,若以平均氣動力評價防風性能,會低估最大氣動力約20%。傾覆力矩與側(cè)力的變化趨勢不一致,說明側(cè)力作用點位置隨透風率的變化發(fā)生改變,盡管側(cè)力減小,但由于其作用點位置上移,傾覆力矩可能會增大。
圖9 風屏障透風率對氣動力的影響(H=2.5 m,Case 1)Fig.9 Influence of porous ratio on aerodynamic force(H=2.5 m,Case 1)
圖10 列車位置的影響(H=2.5m)Fig.10 Influence of train position on aerodynamic force(H=2.5m)
不同車橋組合狀態(tài)下列車氣動力隨透風率的變化情況如圖10所示(H=2.5 m)。從圖中可以發(fā)現(xiàn),不管是單車還是雙車交會,上(下)游列車氣動力隨透風率大小的變化趨勢基本一致,上游列車氣動力隨透風率的增加而增大,下游列車則受透風率大小影響相對較小,這是因為上游列車氣動力取決于來流大小,而下游列車處于橋梁或上游列車的尾流中,受來流影響較??;雙車交會時,上游列車(Case 3)氣動力減幅較單車(Case 1)大,下游列車(Case 4)減幅則較單車(Case 2)略微偏小,表明風屏障產(chǎn)生的尾流和列車尾流的相互作用對上下游列車影響不同。需要指出的是,由于上游列車的遮擋效應(yīng),Case 4側(cè)力為負值(即側(cè)力方向為逆流方向),風屏障透風率為0時,列車側(cè)力達到最小值,隨著透風率增加,側(cè)力略有增大,但仍為負值,即側(cè)力絕對值隨透風率增加而減小,由于圖10(a)反映的是側(cè)力比值,故該圖中Case 4曲線隨透風率的增加而略有降低。
5.1高度的影響
筆者前期研究表明[17,19],中間車輛風壓沿列車長度方向均勻分布,因此本文取各截面的風壓平均值作為代表性曲線,分析風屏障參數(shù)對代表性曲線的影響。圖11所示為風屏障高度對列車風壓分布的影響(透風率為30%)。由圖11可知,風屏障高度對平均風壓的影響與列車所處上下游位置有關(guān),上游列車背風面風壓基本不受風屏障影響,其他各面的風壓均較無風屏障時顯著減小,且除車頂?shù)淖钚∝搲弘S風屏障高度的增加而增大外,迎風面和車底風壓受風屏障高度大小影響較小;下游列車迎風面與車底的風壓較無風屏障時減小,但車頂與背風面卻略有增大,相對上游列車而言,下游列車各面風壓隨風屏障高度變化較??;風屏障高度對最大風壓影響相對較小,與平均風壓不同的是,車頂?shù)淖畲箫L壓較沒有風屏障時大,且峰值隨風屏障高度減小。
圖11 風屏障高度對風壓分布的影響(透風率30%)Fig.11 Influence of wind barrier height on distribution of wind pressure (Porosity 30%)
5.2透風率的影響
圖12 風屏障透風率對風壓分布的影響(Case 1)Fig.12 Influence of porous ratio on distribution of wind pressure (Case 1)
圖12所示為風屏障透風率對列車表面風壓分布的影響情況(以H=2.5 m,Case 1為例)可以看出,迎風面、背風面及車底的,各風壓特征值隨透風率的變化趨勢基本一致,但車頂?shù)淖畲箫L壓與之顯著不同;設(shè)置風屏障后,迎風面風壓顯著減小,甚至由正變負(透風率為0時,平均風壓約為-1.0),且沿高度分布基本不變,但隨透風率的增加逐漸增大;車頂平均和最小風壓顯著減小,且最小負壓發(fā)生的位置向下游移動(由5#點移至6#點),需要指出的是,在透風率為0(40%范圍內(nèi),最小負壓隨透風率的增加而減小,但它的最大值出現(xiàn)在透風率為100%(無風屏障),表明透風率存在一個最優(yōu)值,當透風率超過該值后,最小負壓會隨透風率的增加而增大,這一結(jié)果與文獻[8]的結(jié)論一致;至于車頂最大風壓,大多比沒有風屏障時大(以5#測點尤為明顯),這是因為該區(qū)域由于列車氣流分離漩渦和風屏障尾流漩渦的相互作用,盡管平均風壓減小,但由于脈動增強,不難理解最大風壓變大;背風面風壓受風屏障影響較小,這是因為該區(qū)域風壓主要由列車自身產(chǎn)生的尾流決定;車底風壓受風屏障影響相對較小,隨透風率增加略有增大。
為進一步分析風屏障透風率對下游列車氣動特性的影響,Case 4的風壓分布見圖13(H=2.5 m)。由圖可見,各透風率下的風壓分布規(guī)律基本一致,且風壓大小與透風率大小并無明顯規(guī)律。總的來說,設(shè)置風屏障后,下游列車的風壓分布更為均勻,但透風率大小對下游列車的風壓分布影響較小。
圖13 風屏障透風率對風壓分布的影響(Case 4)Fig.13 Influence of porous ratio on distribution of wind pressure (Case 4)
(1) 結(jié)合POD方法對風壓測點加密,由風壓積分可獲得與天平測力精度相當?shù)臍鈩恿?,證明了測壓積分測試列車氣動力的可靠性,這為列車氣動力測試提供了一條新的思路。
(2) 設(shè)置風屏障后,上游列車迎風面風壓、車頂平均和最小風壓顯著減小,但均隨透風率增加而增大,背風面和車底風壓則受風屏障影響較小,車頂最大風壓由于紊流脈動增強,最大風壓大多較無風屏障時大;下游列車的風壓分布更為均勻,且受透風率大小影響較小。
(3) 上游列車氣動力隨透風率的增加而增大,下游列車則基本不變;相對而言,風屏障透風率大小對列車氣動特性影響較大,高度影響較小,且二者存在一個最優(yōu)組合;盡管風屏障會使平均氣動力減小,但其產(chǎn)生的特征紊流使得氣動力脈動增強,極大氣動力可能會增大,風屏障參數(shù)應(yīng)通過風洞試驗或數(shù)值模擬慎重選取。
[1]何旭輝, 鄒云峰, 周佳, 等.運行車輛風環(huán)境參數(shù)對其氣動特性與臨界風速的影響[J]. 鐵道學報, 2015, 37(5): 1—6.
He Xuhui, Zou Yunfeng, Zhou Jia, et al. Effect of wind environment parameters on aerodynamic characteristics and critical wind velocity of vehicle operation[J]. Journal of the China Railway Society, 2015, 37(5): 1—6.
[2]Baker C J, Cheli F, Orellano A, et al. Cross-wind effects on road and rail vehicles[J]. Journal of Vehicle Mechanics and Mobility, 2009, 47(8):983—1022.
[3]劉慶寬. 強風環(huán)境下列車運行安全保障體系的初步研究[J]. 工程力學, 2010, 27(S1):305—310.
Liu Qingkuan. Study on the system to ensure train operation safety under strong wind[J]. Engineering Mechanics, 2010, 27(S1):305—310.
[4]Matschke G, Schulte W B. Measures and strategies to minimise the effect of strong cross winds on high speed trains[C]. The Proceedings of the World Congress of Railway Research, 1997:178—255.
[5]王厚雄, 王蜀東, 高注, 等. 防風工程對風特性及鐵道車輛橫風氣動特性的影響[J]. 空氣動力學學報, 1990, 8(4):430—436.
Wang Houxiong, Wang Shudong, Gao Zhu, et al. The effects of wind break engineering on wind characteristics and lateral aerodynamic characteristic of railway cars[J]. Acta Aerodynamic Sinica, 1990, 8(4):430—436.
[6]向活躍. 高速鐵路風屏障防風效果及其自身風荷載研究[D]. 成都: 西南交通大學土木工程學院, 2013.
Xiang Huoyue. Protection effect of wind barrier on high speed railway and its wind loads[D]. Chengdu: College of Civil Engineering of Southwest Jiaotong University, 2013.
[7]姜翠香, 梁習鋒. 擋風墻高度和設(shè)置位置對車輛氣動性能的影響[J]. 中國鐵道科學, 2006, 27(2):66—70.
Jiang Cuixiang, Liang Xifeng. Effect of the vehicle aerodynamic performance caused by the height and position of wind-break wall[J]. China Railway Science, 2006, 27(2):66—70.
[8]周奇, 朱樂東, 郭震山. 曲線風障對橋面風環(huán)境影響的數(shù)值模擬[J]. 武漢理工大學學報, 2010, 32(10):38—44.
Zhou Qi, Zhu Ledong, Guo Zhenshan. Numerical simulation for curve windshield barrier effects on wind environment around bridge deck[J]. Journal of Wuhan University of Technology, 2010, 32(10):38—44.
[9]Coleman S A, Baker C J. The reduction of accident risk for high sided road vehicles in cross winds[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 1992, 41-44:2685—2695.
[10]Papesch A J G. Model study of windbreaks on railway on bridge[J]. New Zealand Engineering, 1972, 27(4):132—139.
[11]Kwon S D, Kim D H, Lee S H, et al. Design criteria of wind barriers for traffic. Part1: wind barrier performance[J]. Wind and Structures, 2011, 14(1):55—70.
[12]Kim D H, Kwon S D, Lee I K, et al. Design criteria of wind barriers for traffic. Part2: decision making process[J]. Wind and Structures, 2011, 14(1):71—80.
[13]Kozmar H, Procino L, Borsani A, et al. Sheltering efficiency of wind barriers on bridges[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2012, 107-108:274—284.
[14]Suzuki M, Tanemoto K, Maeda T. Aerodynamic characteristics of train/vehicles under cross winds[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2003, 91:209—218.
[15]Cheli F, Corradi R, Rocchi A, et al. Wind tunnel tests on train scale models to investigate the effect of infrastructure scenario[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2010, 98:353—362.
[16]鄒云峰. 巨型冷卻塔群的風效應(yīng)及其風洞試驗方法研究[D]. 長沙: 湖南大學土木工程學院, 2013.
Zou Yunfeng. Study on wind effects and wind-tunnel test method for super large cooling towers group[D]. Changsha: College of Civil Engineering of Hunan University, 2013.
[17]何旭輝, 鄒云峰, 杜風宇. 風屏障對高架橋上列車氣動特性影響機理分析[J]. 振動與沖擊, 2015, 34(3): 66—71.
He Xuhui, Zou Yunfeng, Du Fengyu. Mechanism analysis of wind barrier's effects on aerodynamic characteristics of a train on viaduct[J]. Journal of Vibration and Shock, 2015, 34(3): 66—71.
[18]李永樂, 向活躍, 廖海黎. 鐵路風屏障防風效果的風洞試驗研究[C]. 第十六屆全國結(jié)構(gòu)風工程學會會議論文集. 成都: 西南交通大學出版社, 2013:227—228.
Li Yongle, Xiang Huoyue, Liao Haili. Wind tunnel test study on windbreak effect of railway wind barrier[C]. The Proceedings of 11thStructural Wind Engineering Conference. Chengdu: Southwest Jiaotong University Press, 2013:227—228.
[19]He X H, Zou Y F, Wang H F, et al. Aerodynamic characteristics of a trailing rail vehicles on viaduct based on still wind tunnel experiments[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2014, 135: 22—33.
Effect of wind barrier on aerodynamic characteristics for the trailing train under cases of vehicle-bridge coupling
ZOUYun-feng1,2,3,HEXu-hui1,2,LIHuan1,2,QINHong-xi1,2,SHIKang1,2,HUANGYong-ming1,2
(1.Department of Bridge Engineering, School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2.National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction, Changsha 410075, China;3.China Construction Fifth Engineering Division CORP., LTD, Changsha 410004, China)
Installing wind barrier is one of the effective methods to improve the security of the running train. However, the wind shielding effect is influenced by many factors, such as wind barrier parameters and its surroundings. The models of CRH2 type train and 32m pre-stressed concrete simply supported box beam viaduct at Beijing-Shanghai high-speed rail line are manufactured with geometric scale of 1:25 in order to investigate the effects of wind barrier parameters, namely porosity and height, on aerodynamic forces and pressure distribution of trailing vehicles under representative combination cases of model vehicles on double tracks on the model viaduct. Based on the simultaneous pressure measurement, the aerodynamic forces are obtained by the use of the proper orthogonal decomposition technique, according to which pressure measurement points can be increased. It is shown that when the pressure taps distribution is appropriate and sufficiently dense, the steady aerodynamic forces generated by pressure complementary calculations are as accurate as those by the force test. While the aerodynamics of leeward vehicle is less affected, the effects of wind shield on the windward vehicle are significantly affected by wind barrier. In general, the effect of the porosity of wind barrier on aerodynamic characteristics is greater than that of its height, and there is an optimal combination between wind barrier porosity and height. Although the mean aerodynamic forces of vehicle will be reduced with the installation of wind barrier, the maximum aerodynamic forces may increase because of the effect of the characteristic turbulence. Therefore, wind barrier parameters should be carefully chosen in wind tunnel test or computational fluid dynamics numerical simulation.
high-speed railway; wind barrier; combination of vehicle and bridge; trailing rail vehicle; aerodynamic characteristics; wind tunnel test
2014-04-24;
2015-11-09
國家自然科學基金資助項目(51178471, 51322808, 51508580);長沙理工大學橋梁工程安全控制省部共建教育部重點實驗室開放基金資助項目(14KB02);中國博士后科學基金資助項目(2014M562133);中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目(2015G002-C);中南大學“創(chuàng)新驅(qū)動計劃”資助項目(2015CX006)
U271.91; U216.9
A
1004-4523(2016)01-0156-10
10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2016.01.020
鄒云峰(1984—),男,講師。電話:13874997131;E-mail:yunfengzou@csu.edu.cn