鄒思敏，何旭輝，王漢封

（1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；2.中南大學(xué) 高速鐵路建造技術(shù)國家工程研究中心，湖南 長沙 410075）

隨著高速列車速度逐步提高，列車在強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下的氣動特性對其行車安全性和穩(wěn)定性至關(guān)重要。目前，許多調(diào)查研究已表明，強(qiáng)風(fēng)可能導(dǎo)致列車在運行過程中發(fā)生傾覆，甚至脫軌［1］。特別是在日本馀部橋事故調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)列車在橋上運行時，這種風(fēng)險會進(jìn)一步增加，因此須將列車與橋梁作為耦合系統(tǒng)進(jìn)行研究［2］。此外，隨著高速鐵路網(wǎng)絡(luò)的不斷延伸，沿海地帶、深切峽谷、山區(qū)埡口等強(qiáng)風(fēng)路段越來越多，為滿足列車在強(qiáng)風(fēng)路段的安全性和穩(wěn)定性，風(fēng)屏障是重要的防護(hù)措施之一［3］，但伴隨著風(fēng)屏障的安裝，列車-橋梁系統(tǒng)氣動特性變得更為復(fù)雜。

近年來，國內(nèi)外眾多專家學(xué)者在風(fēng)屏障對列車-橋梁系統(tǒng)氣動特性影響方面進(jìn)行了研究［4-8］。何瑋等［9］研究了在風(fēng)屏障透風(fēng)率均為30%的情況下，不同風(fēng)屏障高度（2.5，3.0，3.5 及4.0 m）對列車-橋梁系統(tǒng)氣動特性的影響，發(fā)現(xiàn)風(fēng)屏障對行駛在上游迎風(fēng)處的列車保護(hù)作用十分明顯，且隨風(fēng)屏障高度增加保護(hù)效果越強(qiáng)；王玉晶等［10］研究了高度為3.5 m、透風(fēng)率為30%的風(fēng)屏障對列車的影響，驗證了風(fēng)屏障在迎風(fēng)側(cè)的重要性；鄒云峰等［11］對典型高速鐵路列車與橋梁進(jìn)行了風(fēng)洞試驗，討論了不同風(fēng)屏障高度和透風(fēng)率對列車-橋梁系統(tǒng)氣動特性的影響，發(fā)現(xiàn)風(fēng)屏障可減小列車的平均氣動力，但特征紊流的產(chǎn)生會使最大氣動力增大；何旭輝等［12］研究了風(fēng)屏障對列車氣動特性的影響機(jī)理，提出了風(fēng)屏障的透風(fēng)率和高度需要根據(jù)具體環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化；向活躍和李永樂等［13-16］基于大量風(fēng)洞試驗結(jié)果，采用包括數(shù)據(jù)包絡(luò)分析技術(shù)（DEA）在內(nèi)的多種方法評估風(fēng)屏障高度在1.60~2.90 m、透風(fēng)率在0~40%之間的防護(hù)效果，綜合來看，當(dāng)風(fēng)屏障高度為2.05 m、透風(fēng)率為0時，對列車的保護(hù)效果較好，當(dāng)風(fēng)屏障高度超過2.5 m后，其高度對列車的影響十分有限；Zhang 等［17］通過調(diào)整風(fēng)屏障高度（0~5 m）和透風(fēng)率（0~40%）等不同參數(shù)組合測試列車-橋梁系統(tǒng)的氣動力系數(shù)，發(fā)現(xiàn)氣動力系數(shù)與風(fēng)屏障高度沒有明顯的相關(guān)性，但與風(fēng)屏障透風(fēng)率相關(guān)。

盡管上述研究取得了一定的成果，但均采用的是靜態(tài)列車模型，沒有考慮列車與橋梁/地面之間的相對運動和氣動干擾，無法準(zhǔn)確評估列車-橋梁系統(tǒng)的氣動特性［18］。而且隨著運行速度的不斷提高，列車高速運動引起的列車風(fēng)也成為日益重要的空氣動力學(xué)問題［19-21］。因此，亟須對列車在橋上高速運行時的列車-橋梁系統(tǒng)氣動特性展開研究，分析列車靜態(tài)與移動情況下對列車-橋梁系統(tǒng)氣動特性的影響。

本文以我國高速鐵路典型列車、橋梁及風(fēng)屏障為研究對象，通過數(shù)值模擬方法對列車處于靜態(tài)和移動模式及有無風(fēng)屏障條件下的列車-橋梁系統(tǒng)氣動特性開展對比研究，旨在為充實和完善列車-橋梁系統(tǒng)氣動特性評價體系提供理論和數(shù)據(jù)支撐。

1 數(shù)值仿真

以典型高速鐵路32 m雙線簡支梁橋和CRH2型和諧號高速列車為研究對象，并采用高度為2.05 m、透風(fēng)率為0 的風(fēng)屏障對列車和橋梁的氣動特性影響進(jìn)行分析，模型尺寸和實景如圖1所示。高速列車采用3 車編組模型（前車、中車及尾車），全長76.4 m（25.7+25+25.7 m）。橋梁模型的總長度為352 m，為對比有無風(fēng)屏障的影響，風(fēng)屏障設(shè)置于沿橋梁全長的中部。

圖1 列車-橋梁系統(tǒng)及風(fēng)屏障

建立的靜態(tài)、移動列車-橋梁系統(tǒng)數(shù)值仿真模型如圖2 所示。圖中：靜態(tài)列車-橋梁系統(tǒng)模型采用將列車靜置于橋梁上的方式，2 個速度入口分別與列車車頭方向垂直和平行，2 個壓力出口分別與其相對，橋梁、列車及風(fēng)屏障采用無滑移壁面，考慮到來流的充分發(fā)展，靜態(tài)列車-橋梁系統(tǒng)模型設(shè)置于計算域前1/3 處；移動列車-橋梁系統(tǒng)模型的計算域由3個子域組成，分別為包含橋梁和風(fēng)屏障的靜態(tài)部分（圖2（b）中綠色部分）、包含列車的移動部分（圖2（b）中灰色部分）以及受橫風(fēng)影響流域，移動列車-橋梁系統(tǒng)周圍的流動信息通過動、靜網(wǎng)格之間的交界面進(jìn)行傳遞，計算域的側(cè)面都采用壓力出口邊界，速度入口與列車運動方向垂直以模擬橫風(fēng)來流。

圖2 數(shù)值仿真模型

為了保證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和有效性，分別對靜態(tài)、移動模型的數(shù)值網(wǎng)格進(jìn)行了多種形式劃分，通過與試驗結(jié)果進(jìn)行對比并考慮計算效率，最終采用了最優(yōu)的網(wǎng)格劃分策略。此外，由于運行列車周圍的空氣流動包括橫風(fēng)和列車風(fēng)，兩者合成即為相對風(fēng)速，其中橫風(fēng)風(fēng)速為vu，與橋梁橫截面垂直，列車的運行速度為v0，相對風(fēng)速為vH=為進(jìn)一步研究車速和風(fēng)速對橋上列車和橋梁的影響，首先對靜態(tài)列車-橋梁系統(tǒng)設(shè)置了5種模擬工況，具體設(shè)置見表1。表中：5種模擬工況分別采用了5 個不同車速和5 個橫風(fēng)風(fēng)速；5 種模擬工況對應(yīng)的合成風(fēng)向角分別為8.87°，13.50°，24.20°，42.00°及90.00°。

表1 模擬工況設(shè)置

同時，為了探究橋上靜態(tài)列車和移動列車模型對橋上列車和橋梁氣動特性的影響規(guī)律，在移動列車-橋梁系統(tǒng)模型中采用了與模擬工況1 相一致的列車運行速度和橫風(fēng)風(fēng)速。

2 靜態(tài)列車模型下的氣動特性

2.1 靜態(tài)列車氣動力

分別對靜態(tài)模型設(shè)置表1 中的5 種模擬工況下的靜態(tài)列車-橋梁系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得靜態(tài)列車的氣動力，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同風(fēng)向角作用下列車氣動力系數(shù)

由圖3 可以看出：頭車、中車和尾車之間的氣動特性差異明顯，且頭車受橫風(fēng)影響更大；在風(fēng)向角小于42°時，頭車的阻力系數(shù)最大可達(dá)中車的1.5 倍，且遠(yuǎn)大于尾車；隨著風(fēng)向角逐漸增大，氣動力系數(shù)呈階梯式遞增，較大值分布在風(fēng)向角為42°～90°之間，這個規(guī)律和特征是典型從小風(fēng)向角的細(xì)長體結(jié)構(gòu)繞流過渡到鈍體繞流的現(xiàn)象［22］；升力和力矩系數(shù)盡管仍呈現(xiàn)出隨風(fēng)向角增大而增大的趨勢，但各節(jié)車之間的差異變得不再明顯；尾車力矩系數(shù)小于頭車和中車，而頭車和中車力矩系數(shù)相近；風(fēng)屏障大大降低了列車在橫風(fēng)中所承受的氣動力，削弱了橫風(fēng)對列車的影響，特別是對頭車的保護(hù)效果極為明顯；而風(fēng)屏障對列車的升力系數(shù)在不同工況下較為復(fù)雜，在風(fēng)向角為8.87°和42°時，風(fēng)屏障對頭車和尾車展現(xiàn)出了優(yōu)良的防護(hù)效果，然而在其他工況下卻出現(xiàn)了相反的作用，總體上風(fēng)屏障對列車的升力系數(shù)影響較小。

2.2 靜態(tài)列車表面風(fēng)壓系數(shù)

沿列車車身縱向布置6 個壓力分布監(jiān)測截面，每個截面上設(shè)置17個壓力測點，如圖4所示。

圖4 列車表面壓力監(jiān)測截面和測點分布

風(fēng)壓系數(shù)Cp表示為

式中：p 為列車表面風(fēng)壓；p0為參考大氣壓；ρ 為空氣密度。

有、無風(fēng)屏障條件下，風(fēng)向角分別為90°和8.87°時的靜態(tài)模型列車表面風(fēng)壓分布如圖5 所示。圖中：1#90°表示風(fēng)向角為90°時1#監(jiān)測截面上測得的數(shù)據(jù)；1#8.87°表示風(fēng)向角為8.87°時1#監(jiān)測截面上測得的數(shù)據(jù)。

圖5 靜態(tài)模型下各監(jiān)測截面的風(fēng)壓系數(shù)

由圖5 可以看出：除風(fēng)向角為90°時迎風(fēng)面風(fēng)壓系數(shù)Cp值為正值外，其余風(fēng)壓系數(shù)均為負(fù)值；除底面外，風(fēng)向角為90°時的Cp值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于風(fēng)向角為8.87°時，這是由于列車周圍的流體繞流狀態(tài)從風(fēng)向角為90°時的鈍體過渡到8.87°時的細(xì)長體；當(dāng)列車處于風(fēng)向角為8.87°時，風(fēng)屏障能夠?qū)α熊嚤砻骘L(fēng)壓起到降低的作用，但影響不太明顯；而列車處于風(fēng)向角為90°時，風(fēng)屏障對列車表面風(fēng)壓的影響非常明顯，且列車表面風(fēng)壓系數(shù)均為負(fù)值，這是由于風(fēng)屏障的存在使列車進(jìn)入了由橫風(fēng)通過風(fēng)屏障繞流而產(chǎn)生的低壓區(qū)；同時，無風(fēng)屏障時風(fēng)壓負(fù)值最大位置——車肩氣流分離點（測點10）在風(fēng)屏障的作用下發(fā)生了偏移，轉(zhuǎn)移至車肩與頂部的交接處，這是由于受到風(fēng)屏障的影響，橫風(fēng)來流在列車表面測點9處發(fā)生分離。

可見，風(fēng)向角為90°作為車-橋系統(tǒng)氣動特性研究中最常見的風(fēng)向角，可以提高對列車表面風(fēng)壓的評估以增加列車在橫風(fēng)中的安全性，但受風(fēng)屏障影響時，則完全處于失真狀態(tài)。

2.3 靜態(tài)列車模型下的橋梁氣動力

有、無風(fēng)屏障時，靜態(tài)列車模型下橋梁的氣動力系數(shù)如圖6所示。

圖6 有無風(fēng)屏障時橋梁氣動力系數(shù)對比

由圖6 可以看出：橋梁的阻力系數(shù)隨風(fēng)向角增大而增大，風(fēng)屏障會使橋梁的阻力系數(shù)降低；在風(fēng)屏障的影響下，橋梁的升力系數(shù)在小風(fēng)向角時變化不明顯，隨著風(fēng)向角的增大逐漸增大；當(dāng)風(fēng)向角為42°與90°時，橋梁的升力系數(shù)負(fù)增長明顯，這是因為在較大風(fēng)向角下，橫風(fēng)與風(fēng)屏障產(chǎn)生的氣動繞流導(dǎo)致了風(fēng)屏障下游形成的低壓區(qū)不僅影響了列車也影響了橋梁。

3 移動列車模型下的氣動特性

3.1 移動列車氣動力

列車高速通過風(fēng)屏障時氣動力系數(shù)隨時間變化曲線如圖7所示。

由圖7 可以看出：在列車進(jìn)入風(fēng)屏障前，各節(jié)車的側(cè)力系數(shù)比較穩(wěn)定，且頭車的數(shù)值最大，約為0.082，中車為0.024，尾車為1個較小的負(fù)值；列車進(jìn)入風(fēng)屏障后，頭車的側(cè)力系數(shù)顯著降低至0.01 左右，當(dāng)靠近風(fēng)屏障末端時，側(cè)力系數(shù)有小的下降之后再快速恢復(fù)到之前的狀態(tài)；相比之下，中車的側(cè)力系數(shù)在有風(fēng)屏障范圍內(nèi)的變化幅值遠(yuǎn)不如頭車；尾車進(jìn)入風(fēng)屏障后，側(cè)力系數(shù)變?yōu)樨?fù)值且變化幅度與中車相似，這種列車側(cè)力系數(shù)的突然下降歸因于風(fēng)屏障的遮擋效應(yīng)；列車完全進(jìn)入風(fēng)屏障后，頭車和中車的升力系數(shù)由較小的正值變?yōu)樨?fù)值；當(dāng)頭車離開風(fēng)屏障時，氣動力系數(shù)會很快恢復(fù)到進(jìn)入風(fēng)屏障前的狀態(tài)；盡管尾車的升力系數(shù)始終為正值，但也出現(xiàn)了先減小再恢復(fù)的過程；力矩系數(shù)在各節(jié)車間的變化與側(cè)力系數(shù)和升力系數(shù)的變化相似，整體變化幅度和范圍小于前兩者。

圖7 移動列車氣動力系數(shù)

對比圖3 和圖7 可以看出：在無風(fēng)屏障時，靜態(tài)和移動列車模型對側(cè)力系數(shù)的影響存在相似性；然而，當(dāng)列車進(jìn)入風(fēng)屏障時，側(cè)力系數(shù)的變化存在差異，特別是頭車和尾車差異更加明顯；升力系數(shù)和力矩系數(shù)受到列車運行狀態(tài)的影響也十分明顯；移動列車模型下，當(dāng)列車進(jìn)入風(fēng)屏障時，頭車的升力系數(shù)由正變負(fù)；對于靜態(tài)列車模型，頭車升力系數(shù)均為正值。

分析結(jié)果表明，采用靜態(tài)列車-橋梁系統(tǒng)模型對于無風(fēng)屏障時的列車氣動特性有相關(guān)適應(yīng)性。但當(dāng)有風(fēng)屏障時，列車的運動對氣動力有顯著影響，因此，靜態(tài)列車-橋梁系統(tǒng)模型簡化的方法變得不再適用。

3.2 移動列車表面風(fēng)壓系數(shù)

有、無風(fēng)屏障時移動列車模型各監(jiān)測表面風(fēng)壓系數(shù)變化曲線如圖8所示。

圖8 移動列車模型各監(jiān)測表面風(fēng)壓系數(shù)

由圖8 可以看出：1#和6#監(jiān)測截面的風(fēng)壓系數(shù)分布與其他截面的差異最為明顯，這是由于列車頭尾兩端氣流的強(qiáng)烈三維流動造成的；在無風(fēng)屏障時，列車迎風(fēng)面中心與列車尾部附近的風(fēng)壓系數(shù)為正值；位于列車車肩處附近測點10 的風(fēng)壓系數(shù)為負(fù)值，且絕對值最大，這是由于來流在測點10 附近發(fā)生了強(qiáng)烈的分離，且移動列車與橋梁間隙的流動被限制在1個很小的區(qū)域內(nèi)，沒有發(fā)生強(qiáng)烈的流動分離，列車底面沒有明顯的負(fù)壓；在有風(fēng)屏障時，列車表面風(fēng)壓系數(shù)與無風(fēng)屏障時差異較大，迎風(fēng)面上的風(fēng)壓系數(shù)均為負(fù)，這是由于風(fēng)屏障為下游的列車提供了低壓區(qū)；且列車車肩上強(qiáng)烈的負(fù)壓消失，說明風(fēng)屏障抑制了列車周圍的氣流分離；此外，迎風(fēng)面和背風(fēng)面之間的壓力差相對于沒有風(fēng)屏障時變得不再明顯。

通過對比圖5 和圖8 還可以發(fā)現(xiàn)：在相同風(fēng)向角8.87°下移動列車和靜態(tài)列車的風(fēng)壓系數(shù)分布差異明顯。這表明：采用具有相同風(fēng)向角的靜態(tài)列車模型無法完全揭示列車在橋梁上運行時的氣動特性，列車與橋梁之間的相對運動起著不可忽視的重要作用。

3.3 移動列車模型下的橋梁氣動力

有、無風(fēng)屏障時移動列車模型下橋梁側(cè)力系數(shù)變化曲線如圖9所示。

圖9 橋梁側(cè)力系數(shù)

由圖9 可以看出：與上述研究列車-橋梁系統(tǒng)處于靜態(tài)狀態(tài)不同，由于列車與橋梁之間的相對運動，橋梁的側(cè)力系數(shù)隨著列車的運動發(fā)生改變，且頭車的強(qiáng)烈氣流沖擊和尾車的渦旋脫落對橋梁的側(cè)力系數(shù)影響十分明顯；與圖6相比，風(fēng)屏障對橋梁側(cè)力系數(shù)在靜態(tài)模型中的影響是相當(dāng)有限的，而在圖9中，列車高速運動對橋梁側(cè)力系數(shù)的瞬時非定常效應(yīng)十分明顯，且在無風(fēng)屏障時，車頭的影響會使橋梁的側(cè)力系數(shù)增大1倍以上。

因此，采用靜態(tài)模型計算會明顯低估列車對橋梁側(cè)力系數(shù)的影響。此外，通過圖9 還可以看出，風(fēng)屏障可以降低列車的高速移動和橫風(fēng)對橋梁的聯(lián)合作用，特別是對列車的首尾效應(yīng)削弱明顯。

4 結(jié) 論

（1）經(jīng)過對比分析不同車速和風(fēng)速對應(yīng)的合成風(fēng)向角作用下的靜態(tài)列車-橋梁系統(tǒng)氣動特性，列車和橋梁的氣動特性受風(fēng)向角影響明顯，總體上隨風(fēng)向角的增大而增大，但各節(jié)車之間的差異也十分顯著，當(dāng)向角小于42°時，頭車的阻力系數(shù)最大可達(dá)中車的1.5 倍，且遠(yuǎn)大于尾車，頭車在橫風(fēng)中運行風(fēng)險最高，應(yīng)是以后研究重點關(guān)注的對象。

（2）經(jīng)過比較風(fēng)屏障對列車-橋梁系統(tǒng)氣動特性的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)2.05 m 風(fēng)屏障對列車-橋梁系統(tǒng)氣動特性影響明顯，可對橋上運行的列車起到保護(hù)作用，減小車橋系統(tǒng)受橫風(fēng)的影響，利于提高列車在橋上運行的安全性。

（3）經(jīng)過對比靜態(tài)和移動列車對列車-橋梁系統(tǒng)氣動特性的影響，發(fā)現(xiàn)合成風(fēng)向角法可以在很大程度上反映列車在上游軌道運行時的氣動特性，但受風(fēng)屏障影響，在特定的風(fēng)向角下，靜態(tài)列車與橋梁的氣動力和表面風(fēng)壓會因風(fēng)屏障而增大，因此對于靜態(tài)列車和橋梁模型而言，風(fēng)屏障的存在對其不利，同時也反映出該方法目前存在的困境及其不適用性。

（4）當(dāng)列車在橋上運行時，受橫風(fēng)與列車風(fēng)的疊加作用，列車和橋梁的氣動特性表現(xiàn)出十分顯著的瞬態(tài)效應(yīng)，進(jìn)而受風(fēng)屏障的影響發(fā)生突變。顯然，無論采用何種風(fēng)向角，靜態(tài)模型簡化都無法揭示列車-橋梁系統(tǒng)上氣動力的非定常特性。