王昌鵬

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

蘭新既有普速鐵路因大風(fēng)造成的列車停運經(jīng)常發(fā)生，且發(fā)生過列車被大風(fēng)吹翻事故，嚴(yán)重影響鐵路運行效率和安全[1]。日本新干線經(jīng)驗證明[2]，設(shè)置擋風(fēng)屏，可減少停運次數(shù)，降低橫風(fēng)對列車的影響。

蘭新高速鐵路通過風(fēng)區(qū)長度約540 km，為滿足蘭新高速鐵路區(qū)運營安全，通過數(shù)值風(fēng)洞模擬，研究不同高度、開孔率及車速下的列車氣動性能，為橋梁擋風(fēng)屏的設(shè)置提供理論依據(jù)。

1 單側(cè)擋風(fēng)屏二維CFD氣動選型分析

1.1 數(shù)值分析方法

由于馬赫數(shù)小于0.3，車輛的空氣繞流是不可壓縮流體流動問題[3]。流體流動是處于完全紊流狀態(tài)，所用的數(shù)學(xué)模型是高雷諾數(shù)的全Navier-Stokes方程。有限體積采用SIMPLE方法計算。紊流模型采用k-ε兩方程模型，采用壁面函數(shù)對k-ε模型在近壁區(qū)域進行修正。

1.2 計算內(nèi)容

采用計算流體力學(xué)軟件Fluent對橋梁擋風(fēng)屏的風(fēng)載參數(shù)進行計算分析[4-5]。考慮不同開孔率、不同高度擋風(fēng)屏進行分析，橋梁為箱型截面梁，計算中考慮：

1)不同高度擋風(fēng)屏的擋風(fēng)效果(擋風(fēng)屏設(shè)置高度2～5 m)；

2)不同開孔率條件下?lián)躏L(fēng)屏的擋風(fēng)效果(擋風(fēng)屏開孔率30%，20%，0%)；

3)列車位于上風(fēng)側(cè)、下風(fēng)側(cè)及雙線行車時列車氣動力系數(shù)。

列車、主梁、擋風(fēng)屏等的三分力分別為Fx,Fy,Mz，其計算式如下

ρV2HLCx

(1)

(2)

(3)

式中：ρ為空氣密度；V為風(fēng)速；當(dāng)計算列車的靜力系數(shù)時，H取列車的高度,L為列車的長度;當(dāng)計算擋風(fēng)屏和橋梁的系數(shù)時，H為橋梁中心線的高度，L為自然風(fēng)作用在橋梁跨向的長度。Cx,Cy,CMz為相應(yīng)的三分力系數(shù)，分別稱為阻力系數(shù)、升力系數(shù)、力矩系數(shù)。

1.3 分析結(jié)果

1.3.1 擋風(fēng)屏后風(fēng)場變化

計算時橫向風(fēng)來流風(fēng)速取為40 m/s。安置擋風(fēng)屏之后，列車處的空間風(fēng)場發(fā)生變化。設(shè)置高4 m、開孔率20%擋風(fēng)屏后，風(fēng)速等值線如圖1所示。

圖1 擋風(fēng)屏后風(fēng)速等值線

由圖1可知，擋風(fēng)屏阻擋部分橫風(fēng)，同時屏后形成空氣紊流，列車所受的風(fēng)速顯著減少;接觸網(wǎng)處風(fēng)速有加強的趨勢，當(dāng)擋風(fēng)屏高度為4 m時，接觸網(wǎng)處風(fēng)速的加強幅度平均有20%。

1.3.2 列車氣動參數(shù)變化規(guī)律

列車處于擋風(fēng)屏內(nèi)側(cè)時，列車的側(cè)力系數(shù)及側(cè)翻力矩系數(shù)隨擋風(fēng)屏高度的變化曲線見圖2。

圖2 列車傾覆系數(shù)隨擋風(fēng)屏高度的變化曲線

由圖2可知：①擋風(fēng)屏高度在3 m以上時，側(cè)翻力矩系數(shù)變化較小。針對傾覆穩(wěn)定性而言，擋風(fēng)屏最小高度應(yīng)大于3 m。②開孔率對傾覆穩(wěn)定性有一定的影響，當(dāng)開孔率增大時，列車的側(cè)力系數(shù)和側(cè)翻力矩系數(shù)有增大的趨勢。低開孔率情況下，列車出現(xiàn)往擋風(fēng)屏傾倒的趨勢。

2 雙側(cè)擋風(fēng)屏二維CFD分析

計算考慮了2種類型的擋風(fēng)屏，一種是立柱骨架貫通，擋風(fēng)板頂部開天窗的半封閉擋風(fēng)屏方案，三分力系數(shù)計算結(jié)果見表1。另外一種是立柱骨架貫通，擋風(fēng)板全封閉的擋風(fēng)屏，三分力系數(shù)計算結(jié)果見表2。兩種方案的開孔率均為20%，梁部均為箱型梁。

表1 半封閉結(jié)構(gòu)三分力系數(shù)計算結(jié)果

表2 全封閉結(jié)構(gòu)三分力系數(shù)計算結(jié)果

封閉擋風(fēng)結(jié)構(gòu)的擋風(fēng)屏三分力系數(shù)以擋風(fēng)屏的結(jié)構(gòu)高度為特征尺寸。由表1、表2可知,擋風(fēng)板全封閉時，列車的阻力系數(shù)及力矩系數(shù)要小于半封閉時，更為安全。

3 三維動車模型CFD分析

三維動車模型計算的目的是研究列車在高速運行情況下的氣動力。分別計算了列車速度為0,150,200,250,300,350 km/h時列車受到的氣動載荷。列車在全封閉和半封閉擋風(fēng)屏中較為安全，本計算只考慮單側(cè)擋風(fēng)屏的情況。

3.1 計算模型及方法

高速列車速度350 km/h，自然風(fēng)速達(dá)40 m/s以上，氣體繞流速度大于0.3倍當(dāng)?shù)匾羲?，需要考慮空氣壓縮性的影響。因此，高速列車周圍的流場是完全的三維、黏性、可壓縮、非穩(wěn)態(tài)湍流流場。

本項目的研究采用有限容積法離散方程，壓力與速度的耦合采用SIMPLE算法求解。

列車與擋風(fēng)屏周圍的網(wǎng)格劃分見圖3。整個計算域均為四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，共計約600×104個單元。

圖3 有擋風(fēng)屏和有車時的計算網(wǎng)格(橫截面放大)

為分析研究擋風(fēng)屏對減緩列車氣動作用的效果，對比計算無擋風(fēng)屏和有擋風(fēng)屏?xí)r，以及零開孔率和20%開孔率時列車的氣動作用。

3.2 列車周圍的流場分布

無擋風(fēng)屏?xí)r列車頭部表面靜壓分布見圖4。

圖4 無擋風(fēng)屏?xí)r列車頭部表面的靜壓分布

由圖4可知，因側(cè)風(fēng)使車頭的前導(dǎo)區(qū)中心朝迎風(fēng)側(cè)偏移，在車頭表面形成了較大的局部正壓，而車頭的幾何外形使得氣流在翻越車頭時流速增大，并在邊界突變處氣流發(fā)生分離，在車頭被風(fēng)側(cè)區(qū)域造成局部的負(fù)壓峰值。列車其它均勻截面處，同樣存在迎風(fēng)側(cè)正壓，被風(fēng)側(cè)負(fù)壓的現(xiàn)象。

設(shè)置開孔率20%、高4 m擋風(fēng)屏之后，列車頭部表面靜壓分布見圖5?？芍瑩躏L(fēng)屏后區(qū)域空氣流速小，列車迎風(fēng)側(cè)表面壓強較小，繞流負(fù)壓區(qū)不明顯，車頭處的正壓峰值區(qū)域基本位于車頭正中心，表明側(cè)風(fēng)對列車的影響已經(jīng)明顯降低。

圖5 設(shè)置開孔率20%、高4 m擋風(fēng)屏后列車頭部 表面的靜壓分布

3.3 列車受到的氣動力

為了更直觀反映在自然風(fēng)速不變時列車受到的氣動力隨列車速度的變化情況，給出了2種開孔率的擋風(fēng)屏側(cè)翻力矩系數(shù)之間的對比，見圖6。

圖6 擋風(fēng)屏列車側(cè)翻力矩系數(shù)隨車速的變化曲線

由圖6可知，設(shè)置擋風(fēng)屏后列車受到的氣動作用顯著減小，擋風(fēng)屏防風(fēng)作用明顯。2種開孔率下，氣動力隨列車速度的變化規(guī)律相同，擋風(fēng)屏開孔率為20%的列車高速運行時受到的氣動力比擋風(fēng)屏開孔率為0時要小。

4 結(jié)論

1)擋風(fēng)屏阻擋部分橫向風(fēng)，同時屏后形成空氣紊流，列車所受的風(fēng)速顯著減少。

2)擋風(fēng)結(jié)構(gòu)最佳高度為4 m，開孔率為20%；

3)擋風(fēng)板全封閉時列車的阻力系數(shù)及力矩系數(shù)要小于半封閉時，更為安全。

以上研究為我國高速鐵路強橫向風(fēng)作用下列車運營安全、橋梁擋風(fēng)屏的使用場合及橋梁擋風(fēng)屏的設(shè)計提供了理論依據(jù)。并可對其它受大風(fēng)或臺風(fēng)影響地區(qū)相關(guān)工程建設(shè)提供參考。

[1]賈國裕.蘭新鐵路大風(fēng)災(zāi)害及其對策[J].路基工程，2008，26(2):195-197.

[2]劉慶寬,杜彥良,喬富貴.日本列車橫風(fēng)和強風(fēng)對策研究[J].鐵道學(xué)報,2008,30(1):82-88.

[3]項海帆,葛耀君,朱樂東,等.現(xiàn)代橋梁抗風(fēng)理論與實踐[M].北京:人民交通出版社,2005.

[4]何濤,王昌鵬,馬存明,等.新建鐵路蘭州至烏魯木齊第二雙線高速鐵路橋梁防風(fēng)技術(shù)研究成果報告[R].西安：中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，2013.

[5]黃雙林.新建鐵路蘭州至烏魯木齊第二雙線防風(fēng)綜合技術(shù)措施研究[R].西安：中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，2015.