黃莎，李志偉，車正鑫，黃殿浪，易小霞

（五邑大學(xué)軌道交通學(xué)院，廣東江門529020）

我國(guó)鐵路沿線氣候環(huán)境復(fù)雜多變，當(dāng)列車快速穿越風(fēng)區(qū)時(shí)，其氣動(dòng)性能顯著惡化，產(chǎn)生較大的傾覆力矩，容易導(dǎo)致脫軌或傾覆，威脅旅客乘車安全. 尤其隨著我國(guó)城際鐵路建設(shè)的迅猛發(fā)展，大量橋梁工程必然隨之出現(xiàn)，當(dāng)高架上運(yùn)行列車遭遇惡劣風(fēng)環(huán)境時(shí)，周圍擾流流場(chǎng)更加劇烈，橫向穩(wěn)定性急劇惡化，失穩(wěn)脫軌概率大大增加，英國(guó)鐵路空氣動(dòng)力學(xué)專家Baker 對(duì)不同承載結(jié)構(gòu)上列車氣動(dòng)性能進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)列車在橋梁上受到的氣動(dòng)力大于平地上的[1-4]，列車吹落橋下帶來的二次沖擊傷害，將造成更加嚴(yán)重的傷亡事故. 為了保證列車在大風(fēng)環(huán)境下安全運(yùn)行，常采用減速運(yùn)行或者停車的方案，但這極大地降低了高速鐵路的運(yùn)輸效率. 另外一種解決方案是在軌道沿線建設(shè)擋風(fēng)墻，該方案可以有效保證列車的運(yùn)行效率. 中南大學(xué)牛繼強(qiáng)等[5]采用數(shù)值模擬的方法對(duì)風(fēng)區(qū)車站內(nèi)現(xiàn)有擋風(fēng)墻高度進(jìn)行了優(yōu)化，得到了最佳防風(fēng)效果的擋風(fēng)墻高度；中國(guó)鐵道科學(xué)研究院何德華等[6]研究了路堤和梁橋兩種線路條件下?lián)躏L(fēng)墻結(jié)構(gòu)對(duì)列車氣動(dòng)性能的影響，提出開孔式擋風(fēng)墻能夠有效改善列車氣動(dòng)性能；西南交通大學(xué)楊斌等[7]對(duì)鐵路沿線直立式擋風(fēng)墻的合理位置和合理高度進(jìn)行了研究，對(duì)于環(huán)境風(fēng)較大的區(qū)段提出了設(shè)置防風(fēng)走廊或防風(fēng)明洞等其他防風(fēng)設(shè)施的建議. 然而，現(xiàn)有研究大多以直立式擋風(fēng)墻為主[8]，曲線式擋風(fēng)墻的研究鮮有記載. 為了探索曲線式擋風(fēng)墻的防風(fēng)效果，本文采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)不同高度和不同彎曲程度曲線式擋風(fēng)墻作用下橋上運(yùn)行高速列車的橫風(fēng)氣動(dòng)特性開展研究，旨在得到曲線式擋風(fēng)墻設(shè)計(jì)參數(shù)匹配曲線，以期為高架橋上防風(fēng)設(shè)施的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù).

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 幾何模型

選擇三車編組CRH1 高速列車為研究對(duì)象，對(duì)模型中轉(zhuǎn)向架、受電弓、車體表面部件進(jìn)行了簡(jiǎn)化. 高架橋采用雙線橋梁，距離地面10 m，CRH1 型高速列車位于高架橋迎風(fēng)側(cè)，列車與橋梁模型見圖1-a. 設(shè)計(jì)如圖1-b 所示的曲線式擋風(fēng)墻， H 表示擋風(fēng)墻高度，則曲線式擋風(fēng)墻半徑為 /2H ；定義參數(shù)α 為曲線式擋風(fēng)墻的彎曲程度，且

圖1 擋風(fēng)墻截面圖

1.2 計(jì)算區(qū)域及邊界條件

車外流場(chǎng)的數(shù)值模擬中，常需要將實(shí)際問題的無限空間轉(zhuǎn)化為具有一定大小的有限計(jì)算區(qū)域. 為了保證列車周圍流場(chǎng)的充分發(fā)展、避免尾流對(duì)邊界的影響，計(jì)算區(qū)域的尾部端面應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離列車尾部. 如圖2 所示，高架橋頂面距離地面的高度為10 m，車體底面與橋面相距0.2 m，速度入口 1-（面ABCD）距離列車車頭100 m，壓力出口 1- （面EFGH）距離列車尾端223 m；橫向方向上，速度入口2- （面BFGC）距離列車迎風(fēng)側(cè)100 m，壓力出口2- （面AEHD）距離列車背風(fēng)側(cè)200 m；計(jì)算區(qū)域高90 m，使流場(chǎng)在有限的計(jì)算空間內(nèi)充分發(fā)展. 因此，本文數(shù)值計(jì)算區(qū)域的長(zhǎng)、寬、高分別為400 m、300 m、90 m.

圖2 計(jì)算區(qū)域及邊界條件

1.3 計(jì)算網(wǎng)格

采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散，車體附近采用密網(wǎng)格，遠(yuǎn)離車體的網(wǎng)格比較稀疏，疏密網(wǎng)格間采用適當(dāng)?shù)脑鲩L(zhǎng)因子均勻過渡. 列車表面附面層內(nèi)流速梯度大，需對(duì)邊界層區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格進(jìn)行特殊處理. 為了能夠更加精確地模擬附面層內(nèi)空氣流動(dòng)，在列車表面建立30層附面層網(wǎng)格，第一層網(wǎng)格厚度設(shè)置為0.001 m，通過試算的y+平均值為40左右，滿足湍流模型y+數(shù)值控制在30 ～300 之間的要求，計(jì)算網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 計(jì)算網(wǎng)格

2 無擋風(fēng)墻時(shí)列車周圍流場(chǎng)分布特性

圖4 給出了無擋風(fēng)墻時(shí)，中間車長(zhǎng)度中心橫截面壓力、速度云圖以及流線圖. 從圖中可知：橫風(fēng)直接作用在車體和高架橋的迎風(fēng)面上，在車體和高架橋的迎風(fēng)側(cè)形成正壓，來流風(fēng)受高架橋的阻礙后發(fā)生分離，一部分氣流直接向上游發(fā)展，使得車體迎風(fēng)側(cè)較低處沒有直接受到橫風(fēng)的作用，氣體被吸走，在此處形成一個(gè)較小的漩渦；從速度矢量圖中可以看到，有漩渦的地方，氣體的流動(dòng)是不定向的；氣流越過列車頂面和橋梁底部發(fā)生分離，在車體背風(fēng)側(cè)靠近車體底部的位置形成一個(gè)較小的漩渦，在高架橋的背風(fēng)側(cè)高、低兩處各形成一個(gè)較大的漩渦. 車體的背風(fēng)側(cè)受漩渦的影響形成負(fù)壓區(qū)，車體迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)存在壓差，使得車體受到較大橫向力作用，這是致使列車發(fā)生傾覆的一個(gè)關(guān)鍵因素；此外，車體頂部和車體底部的氣流速度加快，分別在車體頂部和底部形成一個(gè)負(fù)壓區(qū)，但是車體頂部的氣流速度比車體底部的氣流速度快得多，使得車體頂部的負(fù)壓比車體底部的負(fù)壓大，因此車體受到較大的正升力，這是造成車體發(fā)生傾覆的另一個(gè)關(guān)鍵因素.

圖4 無擋風(fēng)墻時(shí)，列車周圍的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)

無擋風(fēng)墻時(shí)，三車編組CRH1 型城際列車以200 km/h 速度在50 m/s 橫風(fēng)作用下運(yùn)行時(shí)，其受到的橫向力為181kN、升力為795 kN、傾覆力矩為 - 8 50 kN ? m.

3 曲線式擋風(fēng)墻對(duì)列車橫風(fēng)氣動(dòng)特性的影響

為了便于分析，將列車橫截面劃分為如圖5 所示的4 段，其中A—B 段為迎風(fēng)段，B—C 段為頂段，C—D段為背風(fēng)段，D—A 為底段.

3.1 列車周圍流場(chǎng)分布特性

圖6 和圖7 給出了設(shè)置不同高度和不同彎曲程度曲線式擋風(fēng)墻時(shí)，列車長(zhǎng)度中心橫截面的壓力云圖分布與流線圖；圖8 為列車長(zhǎng)度中心橫截面的表面壓力展開圖.

圖5 列車長(zhǎng)度中心橫截面線分段示意圖

圖6 不同高度和不同彎曲程度曲線式擋風(fēng)墻下，列車中心橫截面壓力云圖

圖7 不同高度和不同彎曲程度曲線式擋風(fēng)墻下，列車中心橫截面流線圖

圖8 不同高度和不同彎曲程度曲線式擋風(fēng)墻下，列車中心橫截面表面壓力展開圖

從以上3 圖可以看出：當(dāng)擋風(fēng)墻高度H 為2 m 和3 m 時(shí)，隨著彎曲程度α 的增大，列車迎風(fēng)側(cè)以及背風(fēng)側(cè)的渦旋減弱，A—B 段和C—D 段所受負(fù)壓值逐漸減小，但是迎風(fēng)側(cè)減小的幅度較大，導(dǎo)致中車受到逐漸減小的反方向的側(cè)向力；但當(dāng)擋風(fēng)墻高度H 為4 m 和4.5 m 時(shí)，隨著彎曲程度α 的增大，列車迎風(fēng)側(cè)A—B 段負(fù)壓值逐漸增大，背風(fēng)側(cè)C—D 段負(fù)壓值逐漸減小，導(dǎo)致中車受到的反正側(cè)向力逐漸增大；當(dāng)擋風(fēng)墻高度增大到5 m 時(shí)，迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)的負(fù)壓值亦隨彎曲程度α 的增大而減小，且迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)的負(fù)壓減小程度相近，因此側(cè)向力隨彎曲程度α 變化較小.

當(dāng)擋風(fēng)墻高度為2 m 和3 m 時(shí)，隨著彎曲程度α 的增大，列車頂面B—C 段負(fù)壓值逐漸增大，底面D—A 段負(fù)壓值逐漸減小，因此列車受到逐漸增大的向上的正升力；但當(dāng)擋風(fēng)墻高度H 為4 m 和4.5 m 時(shí)，隨著彎曲程度α 的增大，列車頂面B—C 段負(fù)壓值逐漸減小，底面負(fù)壓值逐漸增大，因此列車受到逐漸增大的向下的負(fù)升力；當(dāng)擋風(fēng)墻高度增大到5 m 時(shí)，列車頂面 B—C 段和底面 D—A段的負(fù)壓值均隨彎曲程度α 的增大而減小，且頂面和底面負(fù)壓減小程度相近，因此升力隨彎曲程度α 的變化較小.

3.2 列車氣動(dòng)載荷分析

圖9 給出了設(shè)置不同高度曲線式擋風(fēng)墻后，橫風(fēng)作用下列車所受到的側(cè)向力、升力和傾覆力矩隨彎曲程度α 的變化規(guī)律：

1）就側(cè)向力而言，設(shè)置0＜ α＜ 1、3 m＜ H＜5.5 m 擋風(fēng)墻時(shí)，列車整車側(cè)向力均為負(fù)值，即列車受反向側(cè)向力影響；擋風(fēng)墻高度大于4 m 后，列車所受到的側(cè)向力絕對(duì)值隨擋風(fēng)墻彎曲程度α 的增加而增大，隨擋風(fēng)墻高度H 增加而減小；設(shè)置彎曲程度0＜ α＜2/3的3 m 高擋風(fēng)墻側(cè)向力值最大，防風(fēng)性能最差；而對(duì)于H=2 m的擋風(fēng)墻，彎曲程度α 較小時(shí)，側(cè)向力為負(fù)值，隨著α 的增大，側(cè)向力絕對(duì)值逐漸減小，當(dāng)α 增大到2/3 ～1之間時(shí)，側(cè)向力趨近于0 后開始增大為正向側(cè)向力. 若僅考慮側(cè)向力，設(shè)置彎曲程度2/3＜ α＜ 1的2 m 擋風(fēng)墻，或設(shè)置彎曲程度0＜ α＜2/3的5.5 m 擋風(fēng)墻最佳.

2）就升力而言，設(shè)置H=2 m擋風(fēng)墻，列車升力為正值，且隨著彎曲程度α 的增加而增大；擋風(fēng)墻高度大于2 m 后，升力均為負(fù)值，除3 m 擋風(fēng)墻外，升力絕對(duì)值均隨彎曲程度α 的增加而增大，其中5.5 m 擋風(fēng)墻升力絕對(duì)值最小. 若僅考慮升力特性，設(shè)置彎曲程度0＜ α＜2/3的5.5 m 擋風(fēng)墻最佳.

圖9 不同擋風(fēng)墻高度，列車所受氣 動(dòng)載荷隨彎曲程度α 的變化規(guī)律

3）就傾覆力矩而言，當(dāng)擋風(fēng)墻高度大于3 m 時(shí)，列車所受到的傾覆力矩為正值，即逆風(fēng)傾覆；當(dāng)擋風(fēng)墻高度H =3 m ，彎曲程度0＜ α＜1/3時(shí)，列車傾覆力矩隨彎曲程度α 的增加而增大，彎曲程度1/3＜ α＜ 1時(shí)，傾覆力矩逐漸減小；當(dāng)擋風(fēng)墻高度大于3 m 時(shí)，列車傾覆力矩隨彎曲程度α 的增加而增大，隨擋風(fēng)墻高度的增加而減小；當(dāng)擋風(fēng)墻高度H=2 m，彎曲程度0＜ α＜1/3時(shí)，列車傾覆力矩由正值逐漸減小到0，隨后反向增加，并隨著彎曲程度的增加而增大. 若僅考慮列車傾覆力矩，設(shè)置彎曲程度α 接近1/3 的2 m 擋風(fēng)墻，或設(shè)置彎曲程度0＜ α＜2/3的5.5 m 擋風(fēng)墻最佳.

3.3 最優(yōu)的曲線式擋風(fēng)墻參數(shù)

影響列車橫風(fēng)運(yùn)行安全性最關(guān)鍵的參數(shù)是傾覆力矩，表1 給出了不同高度和不同彎曲程度曲線式擋風(fēng)墻作用下，CRH1 型列車整車受到的傾覆力矩.

表1 不同高度和彎曲程度曲線式擋風(fēng)墻作用下，CRH1 型列車的傾覆力矩kN m?

根據(jù)表1 得到橫風(fēng)環(huán)境下，不同高度和不同彎曲程度曲線式擋風(fēng)墻作用下CRH1 型列車受到的傾覆力矩隨擋風(fēng)墻高度H 和彎曲程度α變化三維曲面，如圖10 所示. 當(dāng)傾覆力矩趨近0 時(shí)，列車橫風(fēng)安全性越好，圖中標(biāo)示出整車受到的傾覆力矩等于0 時(shí)的等值線，并將其投影至H-α平面，得到圖11 中所示H-α匹配曲線，該曲線可為橋上曲線式擋風(fēng)墻的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù).

圖10 曲線式擋風(fēng)墻下，列車所受傾覆力矩隨 擋風(fēng)墻高度H 和彎曲程度α 變化的三維曲面

圖11 列車所受傾覆力矩三維曲面H α- 投影圖

4 結(jié)論

圍繞鐵路行車安全主題，本項(xiàng)目提出了一種新型橋上曲線式擋風(fēng)墻，采用數(shù)值模擬的方法研究了曲線式擋風(fēng)墻高度H 和彎曲程度α 對(duì)列車橫風(fēng)氣動(dòng)特性的影響規(guī)律，并得到H α- 匹配曲線，為橋上曲線式擋風(fēng)墻的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù). 該曲線表明設(shè)計(jì)具有一定弧度的高度低于2.5 m 的矮擋風(fēng)墻亦可具有良好的防風(fēng)效果，從而降低防風(fēng)設(shè)施建設(shè)成本，對(duì)提高高速鐵路運(yùn)輸安全性和經(jīng)濟(jì)性具有重要的工程意義.