沈廣旭, 金阿芳, 聞騰騰
(新疆大學機械工程學院,新疆 烏魯木齊 830047)
我國于2014年底開通的蘭新第二雙線鐵路,全長1776km,其中蘭新線風區(qū)長525km。這些風區(qū)具有風速大、風期長、起風速度快的特點,由于風區(qū)內(nèi)風力強勁,對鐵路列車運行安全及運輸暢通構成了嚴重威脅。最近幾年,鐵路工作者們提出了多種防沙方法,取得了較好的防沙效果,為蘭新高速鐵路風沙防治起到了一定的借鑒作用[1~3]。國內(nèi)外學者對防風柵做了一些研究。如李鋒[4]研究了多孔介質(zhì)模型防風柵相關參數(shù)的選??;李波[5]采用數(shù)值模擬的方法研究了防風柵對高速列車的擋風效果;Maruyama[6]實現(xiàn)了利用大渦模型模擬防風柵流場的方法; Andrija[7]等通過風洞試驗,分析了防風柵孔隙率和高度對大跨度斜拉橋氣動彈性特性的影響。防風柵具有導風作用,相較于擋風墻而言,可能具有更好的擋風效果,防風柵的設計參數(shù)決定著防風效果的優(yōu)劣。利用FLUENT軟件,保持防風柵的高度4m不變,對3種孔隙率防風柵的擋風效果進行數(shù)值模擬,對模擬的結果進行分析,希望為鐵路工程維養(yǎng)和新線建設提供理論依據(jù)。
對風場的模擬是穩(wěn)態(tài)的,湍流模型采用標準k-ε模型。k方程、ε方程、與動量方程、能量方程、連續(xù)相方程共同構成了空氣流動與換熱的控制方程。
動量方程:
(1)
式中:p為靜壓,τij為應力張量,ρgi是i方向的重力分量,Fi是由于阻力和能源而引起的其他能源項.能量方程:
(2)
式中:cp為比熱容,T為溫度設為常溫,k為流體的傳熱系數(shù)設為20W/(m2·K),ST為流體為粘性作用的粘性耗散項.
連續(xù)相方程:
(3)
式中:ρ為流體的密度即空氣的密度,ui為流體速度沿i方向的分量.
k和ε是兩個基本的未知量,對應的輸運方程為:
(4)
Gk是由于平均速度梯度引的湍流動能k的產(chǎn)生項:
(5)
Gb是由于浮力引起的湍流動能k的產(chǎn)生項:
(6)
式中:cμ=0.09,湍流能k對應Prandtl數(shù)σk=1.0,耗散率ε對應的Prandtl數(shù)σε=1.3,c1=1.44,c2=1.92。YM代表可壓湍流中脈動擴張的貢獻,Sk和Si是自定義參數(shù).
以新疆蘭新雙線鐵路為工程背景,對線路上高4m的防風柵進行研究。由于做流場分析,對于鋼立柱做了簡化處理。通過三維建模軟件建立防風柵三維模型。模型長×寬×高=10m×0.2m×4m,孔隙率分別為12.56%、20.60%、30.66%,孔隙率計算公式為:φ=孔隙總面積/防風柵總面積。開孔形狀為圓形,排列方式為陣列排列方式。3種孔隙率防風柵開孔形式如圖1所示:
(a)孔隙率為12.56% (b)孔隙率為20.60%
計算域取長×寬×高=10m×50m×8m。防風柵距離入口邊界20m,距離出口邊界30m。導入Meshing中進行網(wǎng)格劃分,物理運算環(huán)境為CFD,對防風柵進行了細化。以孔隙率為12.56%的防風柵為例,劃分網(wǎng)格后,節(jié)點數(shù)為46萬,網(wǎng)格單元數(shù)為218萬,計算域尺寸和計算域網(wǎng)格如圖2(a)和(b)所示:
圖2 (a)計算域尺寸 圖2(b)計算域網(wǎng)格
圖3 邊界條件
邊界條件給定如下:入口邊界類型為速度入口(Velocity—Inlet),定義入口風速為20m/s;出口邊界類型為壓力出口(Pressure—outlet),設置靜壓為0Pa;計算域其他面采用無滑移的壁面邊界(Wall),邊界條件如圖3所示:
通過對比3種孔隙率防風柵對稱面上的壓力云圖和壓力曲線圖可知,隨著孔隙率的增大,在防風柵前面壓力逐漸減小,最大值由1150Pa(孔隙率為12.56%)降到了870Pa(孔隙率為30.66%)。在防風柵后面,隨著孔隙率增大,壓力云圖的顏色由深色變?yōu)榱藴\色,最大負壓的值也在減小,由1260Pa(孔隙率為12.56%)降到了916Pa(孔隙率為30.66%),這是因為在孔隙率增大以后,防風柵對風的阻擋作用減弱。
圖4 不同孔隙率計算域?qū)ΨQ面上壓力云圖
圖5 不同孔隙率計算域?qū)ΨQ面上速度云圖
圖6 不同孔隙率的防風柵后鐵路中心線的風壓
通過對比3種孔隙率防風柵對稱面上的速度云圖可知,隨著孔隙率的增大,在防風柵高度以上的加速區(qū)空間,風速有所減小,由59.4m/s降到53.1m/s再降到47.1m/s。這是因為孔隙率增大以后,防風柵的透風性增加,正面而來的風受到防風柵的阻擋變小,因此在上揚區(qū)風速會呈現(xiàn)減小的趨勢。由速度曲線圖可知,在防風柵后,風速整體上呈現(xiàn)出先增大后減小再增大的規(guī)律。
為了研究孔隙率對防風柵后鐵路中心線風壓的影響,對比了孔隙率分別為12.56%、20.60%、30.66%,高度相同(h=4m)的防風柵數(shù)值模擬結果,通過從fluent中導出的數(shù)據(jù),得到鐵路中心線上的壓力云圖如圖所示:
分析上圖不同孔隙率的防風柵后鐵路中心線的風壓曲線圖,可以得到以下結論:不同孔隙率防風柵的遮風效果存在明顯的差異。當防風柵的孔隙率從12.56%增加到20.60%時,鐵路中心線上距地面0~6m范圍內(nèi),壓力變化較大;當防風柵的孔隙率從20.60%增加到30.66%時,0~6m范圍內(nèi),壓力變化較小。隨著防風柵孔隙率的增加,防風柵對風壓的減弱效果變差,建議防風柵的孔隙率不要超過某一個值。從圖中也可以看出,4m高的防風柵擋風范圍在1.5倍防風柵高度,即6m高。
通過對高速鐵路防風柵擋風效果進行數(shù)值模擬,得到如下結論:
(1)隨著孔隙率的增大,在防風柵高度以上的加速區(qū)空間,風速有所減小,由59.4m/s降到53.1m/s再降到47.1m/s。在防風柵后,風速整體上呈現(xiàn)出先增大后減小再增大的規(guī)律。
(2)隨著防風柵孔隙率的增加,防風柵的擋風減弱效果變差,建議防風柵的孔隙率不宜太大。
(3)4m高的防風柵擋風范圍在1.5倍防風柵高度,即6m高。