牛紀(jì)強(qiáng), 周 丹, 賈麗榮

(1.中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410075; 2.中南大學(xué) 軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410075)

風(fēng)區(qū)車(chē)站內(nèi)現(xiàn)有擋風(fēng)墻高度優(yōu)化

牛紀(jì)強(qiáng)1,2, 周 丹1,2, 賈麗榮1,2

(1.中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410075; 2.中南大學(xué) 軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410075)

文章采用三維定常不可壓縮雷諾時(shí)均N-S方程和RNGκ-ε方程湍流模型,對(duì)3車(chē)編組高速列車(chē)在不同風(fēng)速(0、10、20、30、40 m/s)下以不同車(chē)速(0、100、150、200、250 km/h)通過(guò)風(fēng)區(qū)內(nèi)設(shè)置4 m高擋風(fēng)墻的車(chē)站進(jìn)行模擬研究,并結(jié)合《京津城際鐵路技術(shù)管理暫行辦法》對(duì)風(fēng)區(qū)車(chē)站內(nèi)現(xiàn)有擋風(fēng)墻高度進(jìn)行了分析優(yōu)化。數(shù)值算法經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證,數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)的規(guī)律一致,幅值相差基本不超過(guò)10%。研究結(jié)果表明：列車(chē)位于第2線和第3線運(yùn)行時(shí)受力存在顯著差異,位于第3線時(shí)氣動(dòng)力及力矩變化較大;隨著風(fēng)速和車(chē)速增加,列車(chē)氣動(dòng)力及力矩變化不盡相同,這種現(xiàn)象在頭車(chē)上反映更加明顯。通過(guò)對(duì)列車(chē)在10～40 m/s橫風(fēng)環(huán)境中以100～250 km/h車(chē)速運(yùn)行的模擬可知,車(chē)站內(nèi)擋風(fēng)墻在3.5～4.5 m可以有效降低列車(chē)氣動(dòng)力及力矩。

高速列車(chē);擋風(fēng)墻高度;風(fēng)區(qū)車(chē)站

高速鐵路在我國(guó)幅員遼闊的土地上大規(guī)模建設(shè),鐵路沿線多變的氣候、特殊的地形地貌、強(qiáng)風(fēng)等環(huán)境特性對(duì)高速列車(chē)運(yùn)行安全的影響日益突出。比如京滬高鐵、溫福高鐵等主要受臺(tái)風(fēng)影響,季節(jié)性明顯[1];隨著蘭新鐵路第2雙線的建設(shè),其所處的蘭新地區(qū)具有的風(fēng)力強(qiáng)勁、大風(fēng)頻繁的風(fēng)環(huán)境和特殊的地形特征對(duì)蘭新二線安全運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重威脅[2]。

風(fēng)災(zāi)害是影響鐵路運(yùn)行安全的主要因素之一[3]。目前,國(guó)內(nèi)外普遍采取在風(fēng)區(qū)鐵路沿線修建擋風(fēng)墻來(lái)預(yù)防大風(fēng)導(dǎo)致的鐵路事故,并且實(shí)踐證明擋風(fēng)墻能確實(shí)有效地預(yù)防風(fēng)致鐵路事故,達(dá)到了預(yù)期要求[4-6]。文獻(xiàn)[7-14]研究了不同類(lèi)型擋風(fēng)墻對(duì)列車(chē)氣動(dòng)性能的影響,并對(duì)鐵路沿線擋風(fēng)墻位置高度進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于蘭新地區(qū)特殊的風(fēng)環(huán)境,蘭新二線全線設(shè)置擋風(fēng)墻,其類(lèi)型主要有土堤式、加筋土式、混凝土插板式、直插混凝土枕和鋼板式(橋上使用)等,L形柱擋風(fēng)板式墻主要用于車(chē)站防風(fēng)地段,連接車(chē)站迎風(fēng)側(cè)與站房,且墻高3.5 m[15]。為保證列車(chē)長(zhǎng)時(shí)間高速運(yùn)行,縮短運(yùn)行時(shí)間,高速鐵路中經(jīng)常出現(xiàn)高速越站情況。風(fēng)區(qū)車(chē)站內(nèi)現(xiàn)有擋風(fēng)墻的高度將會(huì)成為制約列車(chē)安全、高速越站的因素。

本文采用數(shù)值模擬計(jì)算手段對(duì)高速列車(chē)通過(guò)設(shè)置擋風(fēng)墻的風(fēng)區(qū)車(chē)站進(jìn)行模擬,優(yōu)化了風(fēng)區(qū)車(chē)站內(nèi)擋風(fēng)墻高度,對(duì)保障風(fēng)區(qū)車(chē)站高速列車(chē)安全、高速通過(guò)有一定的工程實(shí)際意義。

1 數(shù)學(xué)模型

本次模擬高速列車(chē)通過(guò)風(fēng)區(qū)車(chē)站時(shí),車(chē)速不高于250 km/h,風(fēng)速不高于60 m/s,最大合成風(fēng)速度不超過(guò)100 m/s,即馬赫數(shù)小于0.3,因此,不需要考慮空氣的可壓縮性。以車(chē)高H即車(chē)頂距軌面高3.7 m為特征長(zhǎng)度,可知列車(chē)周?chē)鲌?chǎng)雷諾數(shù)一般大于4×103,列車(chē)周?chē)鲌?chǎng)處于湍流狀態(tài)。國(guó)內(nèi)外通常采用合成風(fēng)方法來(lái)研究列車(chē)橫風(fēng)氣動(dòng)性能[16-17]，因此,整個(gè)流場(chǎng)采用定常、黏性、不可壓縮流的N-S方程和RNGκ-ε方程湍流模型描述。目前,κ-ε方程湍流模型廣泛運(yùn)用于車(chē)輛空氣動(dòng)力學(xué)模擬中[18-22]。

本次計(jì)算軟件采用Fluent商業(yè)軟件,其中速度、壓力耦合方式采用SIMPLEC算法,為保證計(jì)算精度要求,對(duì)流項(xiàng)采用高階精度的QUICK格式離散,擴(kuò)散項(xiàng)采用二階精度的中心格式離散。

2 計(jì)算模型、區(qū)域及邊界條件

2.1 計(jì)算模型

計(jì)算采用頭車(chē)(3.212 5 m)+中間車(chē)(3.125 0 m)+尾車(chē)(3.212 5 m)3車(chē)編組、1∶8縮比的高速列車(chē)作為計(jì)算模型,如圖1所示。本文研究擋風(fēng)墻高度對(duì)列車(chē)氣動(dòng)力的影響,研究對(duì)象為列車(chē)和擋風(fēng)墻。為節(jié)約計(jì)算資源,在不影響擋風(fēng)墻和列車(chē)周?chē)鲌?chǎng)的前提下,對(duì)擋風(fēng)墻模型、車(chē)輛模型表面做合理簡(jiǎn)化,省略車(chē)體表面的扶手、受電弓等一些細(xì)小部件。由于需要準(zhǔn)確模擬車(chē)體附面層流場(chǎng)和擋風(fēng)墻處發(fā)生氣流分離而形成的渦結(jié)構(gòu),在保證第1層網(wǎng)格滿足κ-ε方程湍流模型對(duì)30

圖1 高速列車(chē)計(jì)算模型

圖2 列車(chē)及擋風(fēng)墻剖面網(wǎng)格

2.2 計(jì)算區(qū)域與邊界條件

為保證流場(chǎng)的充分發(fā)展,避免邊界對(duì)列車(chē)周?chē)鲌?chǎng)結(jié)構(gòu)的影響,計(jì)算域X方向長(zhǎng)度為88H,Y方向?qū)挾葹?7H,Z方向高度為27H,為避免入口邊界的影響,列車(chē)頭部鼻尖點(diǎn)距入口邊界為20H,為了避免出口邊界條件對(duì)列車(chē)流場(chǎng)及尾渦變化的影響,尾渦區(qū)域?yàn)?7.5H,H為車(chē)高。

為了獲得物理問(wèn)題的唯一解,必須對(duì)計(jì)算域邊界進(jìn)行設(shè)置。列車(chē)給定無(wú)滑移壁面邊界條件;流域一側(cè)面和一端面設(shè)置速度入口邊界條件,X方向速度分量大小為列車(chē)運(yùn)行速度vtrain,Y方向速度分量大小為橫風(fēng)速度uwind、Z方向速度分量大小為0;頂面及流域另外端面和側(cè)面均設(shè)置為壓力出口邊界條件,相對(duì)壓強(qiáng)pout=0 Pa,地面、路堤和擋風(fēng)墻給定滑移邊界條件,X方向速度分量大小為列車(chē)運(yùn)行速度vtrain,Y、Z方向速度分量大小為0。車(chē)體、地面和擋風(fēng)墻壁面區(qū)域流場(chǎng)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)控制。

2.3 氣動(dòng)力系數(shù)定義

為便于分析,定義各氣動(dòng)力系數(shù)如下:

(1)

(2)

(3)

其中,ρ為空氣密度,取1.225 kg/m3;v為來(lái)流速度大小;S為參考面積,此處為試驗(yàn)中模型列車(chē)中部橫截面,取S=0.175 m2;Fy為側(cè)向力;Fz為升力;M為傾覆力矩,取矩點(diǎn)為距軌距中心0.075 m處;b為橫向參考長(zhǎng)度,取0.188 m;Cy為側(cè)向力系數(shù);Cz為升力系數(shù);CM為傾覆力矩系數(shù)。

3 算法驗(yàn)證

為驗(yàn)證所采用計(jì)算方法的正確性,保證計(jì)算結(jié)果的可靠性與準(zhǔn)確度,在中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心低速所8 m×6 m大型低速風(fēng)洞進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn),試驗(yàn)列車(chē)為縮比1∶8的3車(chē)編組鋼骨架木質(zhì)動(dòng)車(chē)組模型,如圖3所示。試驗(yàn)中來(lái)流風(fēng)速v=60 m/s,側(cè)滑角β分別為0°、5.15°、10.22°、15.14°、19.72°,側(cè)滑角定義如圖4所示。

圖3 動(dòng)車(chē)組模型

圖4 側(cè)滑角定義

為便于與風(fēng)洞試驗(yàn)做對(duì)比,建立與風(fēng)洞試驗(yàn)相同的1∶8縮比的列車(chē)模型及風(fēng)洞流域尺寸。保證邊界條件中來(lái)流風(fēng)速與風(fēng)洞試驗(yàn)中一致,即數(shù)值計(jì)算與風(fēng)洞試驗(yàn)中的馬赫數(shù)、雷諾數(shù)等參數(shù)一致;對(duì)于數(shù)值計(jì)算中來(lái)流湍流參數(shù),原則上應(yīng)該給定,而利用κ和ε來(lái)模擬入口湍流時(shí),這2個(gè)參數(shù)一般情形下采用(4)～(7)式來(lái)計(jì)算獲得。

(4)

I=0.16Re-0.25

(5)

(6)

(7)

其中,I為來(lái)流湍流度;Re為相應(yīng)工況雷諾數(shù);L為湍流特征長(zhǎng)度,取為列車(chē)的特征長(zhǎng)度,即車(chē)高H;μ為空氣黏性系數(shù),取1.8×10-5Pa/s;v為來(lái)流速度大小,為60 m/s;Cμ為試驗(yàn)常數(shù),取0.09。

動(dòng)車(chē)組數(shù)值計(jì)算所得結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)隨側(cè)滑角變化曲線對(duì)比如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果比較

從圖5可以看出,側(cè)向力系數(shù)及升力系數(shù)均隨側(cè)滑角的增加而增加;計(jì)算所得列車(chē)氣動(dòng)力系數(shù)與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律一致,吻合較好,最大偏差均不超過(guò)10%,滿足工程應(yīng)用要求。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 現(xiàn)有擋風(fēng)墻防風(fēng)效果分析

為表述方便,將頭車(chē)、中間車(chē)和尾車(chē)分別用其英文單詞的首字母H、M和T來(lái)代替。擋風(fēng)墻高度為4.0 m時(shí),于第2線和第3線運(yùn)行的列車(chē)分別以100、150、200、250 km/h車(chē)速通過(guò)風(fēng)速為30 m/s的風(fēng)區(qū)車(chē)站時(shí),列車(chē)氣動(dòng)力系數(shù)及力矩系數(shù)隨車(chē)速變化曲線如圖6所示,于第2線和第3線以250 km/h車(chē)速運(yùn)行的列車(chē)通過(guò)風(fēng)速分別為10、20、30、40 m/s的風(fēng)區(qū)車(chē)站時(shí),列車(chē)氣動(dòng)力及力矩系數(shù)隨風(fēng)速變化曲線如圖7所示。

圖6 氣動(dòng)力及力矩系數(shù)隨車(chē)速變化曲線

圖7 氣動(dòng)力及力矩系數(shù)隨風(fēng)速變化曲線

由圖6可知，位于不同線路上列車(chē)各節(jié)車(chē)氣動(dòng)力及力矩隨車(chē)速變化規(guī)律明顯存在差異,尤其是頭車(chē)。由圖7可知，列車(chē)位于第2線和第3線運(yùn)行時(shí)的受力存在顯著差異;隨著風(fēng)速增加,列車(chē)氣動(dòng)力及力矩變化也不盡相同,這種現(xiàn)象在頭車(chē)上反映得更加明顯。

4.2 列車(chē)氣動(dòng)力矩系數(shù)隨擋風(fēng)墻高度變化

列車(chē)分別以100、150、200、250 km/h車(chē)速,于第3線通過(guò)風(fēng)速為30 m/s風(fēng)區(qū)車(chē)站時(shí),列車(chē)傾覆力矩系數(shù)隨擋風(fēng)墻高度變化曲線如圖8所示。

圖8 不同車(chē)速下傾覆力矩隨擋風(fēng)墻高度變化曲線

由圖8可知，不同車(chē)速下,列車(chē)各節(jié)車(chē)傾覆力矩系數(shù)隨擋風(fēng)墻高度變化規(guī)律基本一致,均隨擋風(fēng)墻高度增加而先減小,傾覆力矩方向改變后又增大。不同車(chē)速下,頭車(chē)傾覆力矩系數(shù)差距顯著,中間車(chē)次之,尾車(chē)差距最小,擋風(fēng)墻高度增加到3.0 m后,尾車(chē)傾覆力矩系數(shù)差距明顯增大。隨擋風(fēng)墻高度增加,尾車(chē)傾覆力矩系數(shù)最先為0,其次是中間車(chē),頭車(chē)最后。100～250 km/h速度下,隨擋風(fēng)墻高度增加,均為頭車(chē)傾覆力矩最大,中間車(chē)次之,尾車(chē)最小;當(dāng)擋風(fēng)墻增加到3.0 m高度以后,各節(jié)車(chē)傾覆力矩系數(shù)分布無(wú)明顯規(guī)律。

列車(chē)以250 km/h車(chē)速,于第3線通過(guò)風(fēng)速分別為10、20、30、40 m/s的風(fēng)區(qū)車(chē)站時(shí),列車(chē)傾覆力矩系數(shù)隨擋風(fēng)墻高度變化曲線如圖9所示。低于10 m/s的橫風(fēng)環(huán)境中,擋風(fēng)墻對(duì)以250 km/h車(chē)速于第3線通過(guò)風(fēng)區(qū)車(chē)站的列車(chē)氣動(dòng)力矩系數(shù)影響很小,環(huán)境風(fēng)大于20 m/s后,擋風(fēng)墻對(duì)改變列車(chē)傾覆力矩有顯著效果。

圖9 不同風(fēng)速下傾覆力矩隨擋風(fēng)墻高度變化曲線

隨著橫風(fēng)速度增加,列車(chē)傾覆力矩系數(shù)變化顯著,風(fēng)速對(duì)頭車(chē)影響尤為明顯。隨擋風(fēng)墻高度增加,從尾車(chē)到頭車(chē),傾覆力矩依次發(fā)生變向。

4.3 擋風(fēng)墻最優(yōu)高度

擋風(fēng)墻高度分別為0、1.0、2.0、3.5、4.0、4.5、5.0 m時(shí),列車(chē)分別以100、150、200、250 km/h車(chē)速,于第3線通過(guò)風(fēng)速30 m/s的風(fēng)區(qū)車(chē)站時(shí)列車(chē)傾覆力矩系數(shù)隨車(chē)速變化曲線如圖10所示。

圖10 不同擋風(fēng)墻高度下傾覆力矩隨車(chē)速變化曲線

由圖10可知，擋風(fēng)墻高度變化顯著改變了列車(chē)各節(jié)車(chē)傾覆力矩系數(shù)隨車(chē)速變化規(guī)律。擋風(fēng)墻高度在3.5～5.0 m,頭車(chē)傾覆力矩系數(shù)較小;擋風(fēng)墻高度在2.0～4.5 m,中間車(chē)傾覆力矩系數(shù)較小;擋風(fēng)墻高度在1.0～4.5 m,尾車(chē)傾覆力矩系數(shù)較小。綜合考慮可知,在100～250 km/h車(chē)速內(nèi),確定風(fēng)區(qū)車(chē)站內(nèi)擋風(fēng)墻高度在3.5～4.5 m。

擋風(fēng)墻高度分別為0、1.0、2.0、3.5、4.0、4.5、5.0 m時(shí),列車(chē)以250 km/h車(chē)速,于第3線通過(guò)風(fēng)速分別為10、20、30、40 m/s的風(fēng)區(qū)車(chē)站時(shí),列車(chē)傾覆力矩系數(shù)隨風(fēng)速變化曲線如圖11所示。

圖11 不同擋風(fēng)墻高度下傾覆力矩隨風(fēng)速變化曲線

由圖11可知，擋風(fēng)墻高度變化顯著改變了列車(chē)各節(jié)車(chē)傾覆力矩系數(shù)隨風(fēng)速變化規(guī)律。擋風(fēng)墻高度在3.5～5.0 m,頭車(chē)傾覆力矩系數(shù)較小;擋風(fēng)墻高度在2.0～4.5 m,中間車(chē)傾覆力矩系數(shù)較小;擋風(fēng)墻高度在0～5.0 m,尾車(chē)傾覆力矩系數(shù)均相對(duì)較小。綜合考慮可知,在10～40 m/s風(fēng)速內(nèi),風(fēng)區(qū)車(chē)站內(nèi)擋風(fēng)墻高度確定在3.5～4.5 m。

通過(guò)對(duì)列車(chē)在10～40 m/s橫風(fēng)環(huán)境中以100～250 km/h車(chē)速通過(guò)風(fēng)區(qū)車(chē)站的模擬可知,擋風(fēng)墻高度在3.5～4.5 m可以有效降低列車(chē)氣動(dòng)力及力矩,確保列車(chē)高速、安全通過(guò)風(fēng)區(qū)車(chē)站。

5 結(jié) 論

本文對(duì)風(fēng)速分別為10、20、30、40 m/s下,高速列車(chē)分別以100、150、200、250 km/h車(chē)速通過(guò)設(shè)置擋風(fēng)墻的風(fēng)區(qū)車(chē)站進(jìn)行數(shù)值模擬,并研究了擋風(fēng)墻高度的影響,得到以下結(jié)論:

(1) 不同風(fēng)速下,列車(chē)以不同車(chē)速于第2線和第3線通過(guò)風(fēng)區(qū)車(chē)站時(shí),位于第2線和第3線運(yùn)行的列車(chē)所受氣動(dòng)力及力矩存在顯著差異,且位于第3線運(yùn)行的列車(chē)氣動(dòng)力及力矩變化較大;隨著風(fēng)速和車(chē)速增加,列車(chē)氣動(dòng)力及力矩變化也不盡相同,這種現(xiàn)象在頭車(chē)上反映得更加明顯。

(2) 風(fēng)速為30 m/s時(shí),列車(chē)以100～250 km/h車(chē)速于第3線通過(guò)風(fēng)區(qū)車(chē)站時(shí),隨擋風(fēng)墻高度增加,均為頭車(chē)傾覆力矩最大,中間車(chē)次之,尾車(chē)最小;當(dāng)擋風(fēng)墻增加到3.0 m高度以后,各節(jié)車(chē)傾覆力矩系數(shù)分布無(wú)明顯規(guī)律。

(3) 列車(chē)以250 km/h車(chē)速,于第3線通過(guò)不同風(fēng)速的風(fēng)區(qū)車(chē)站時(shí),當(dāng)風(fēng)速大于20 m/s后,擋風(fēng)墻對(duì)改變列車(chē)傾覆力矩有顯著效果。隨著橫風(fēng)速度增加,列車(chē)傾覆力矩系數(shù)變化顯著,頭車(chē)傾覆力矩對(duì)風(fēng)速最敏感。隨擋風(fēng)墻高度增加,從尾車(chē)到頭車(chē),傾覆力矩依次發(fā)生變向。

(4) 車(chē)站內(nèi)擋風(fēng)墻高度在3.5～4.5 m可以有效降低列車(chē)氣動(dòng)力及力矩,確保列車(chē)高速、安全通過(guò)風(fēng)區(qū)車(chē)站。

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(責(zé)任編輯 張淑艷)

Optimization of the height of wind-break wall in wind zone station

NIU Jiqiang1,2， ZHOU Dan1,2， JIA Lirong1,2

(1.School of Traffic and Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 2.Key Laboratory of Traffic Safety on Track of Ministry of Education, Central South University, Changsha 410075, China)

Three-dimensional steady uncompressible Reynolds-averaged N-S equation and RNGκ-εequation turbulence model were used to simulate the three-carriage high-speed train running through the station with 4 m high wind-break wall in wind zone at different speeds(0, 100, 150, 200 and 250 km/h) and different wind speeds(0, 10, 20, 30 and 40 m/s). According to the Interim Measures for the Management of Beijing-Tianjin Intercity Railway, the height of wind-break wall in the wind zone station was analyzed and optimized. The numerical algorithm was verified by test, and the numerical results were in agreement with the experimental data, the deviation between them was below 10%. The results indicated that there was significant difference between the aerodynamic force of train located in the second railway line and that of train located in the third railway line. Aerodynamic force and moment changes of train located in the third railway line were larger than those of train located in the second railway line. With the increase of wind speed and train speed, the aerodynamic force and moment changes of train located in the third railway line were different from those of train located in the second railway line, especially the head car. The simulation on the train running at a speed of 100-250 km/h with a cross wind speed of 10-40 m/s was conducted and it was shown that the train aerodynamic force and moment significantly decreased when the height of wind-break wall in the station was 3.5-4.5 m.

high-speed train； height of wind-break wall； station in wind zone

2015-06-15；

2016-10-12

高鐵聯(lián)合基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(U1134203;U1334205);湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(14JJ3028)和湖南省研究生科研創(chuàng)新資助項(xiàng)目(CX2015B046)

牛紀(jì)強(qiáng)(1988-),男,山東臨沂人,中南大學(xué)博士生.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.02.019

U266.2;TU248.1

A

1003-5060(2017)02-0236-07