武月恒

（鐵道第三勘察設(shè)計院有限公司，天津 300142）

0 引言

強風(fēng)對列車運行的安全影響極大，加強對大風(fēng)天氣的預(yù)測并采取合適的防護(hù)措施尤其重要［1-2］，目前主流的方法有3種：（1）改進(jìn)車輛外形；（2）實時監(jiān)測運行區(qū)段風(fēng)況來控制車速；（3）在線路周圍設(shè)置防風(fēng)結(jié)構(gòu)。目前列車外形經(jīng)過多年改進(jìn)其氣動性能已無法再得到有效提高，實時監(jiān)控需在全線另設(shè)置一整套先進(jìn)設(shè)備，經(jīng)濟適用性差，這種實時控制引起的降速也會導(dǎo)致高鐵無法準(zhǔn)時，所以目前綜合來看最優(yōu)解是風(fēng)區(qū)沿線建立風(fēng)屏障。

我國對于列車氣動效應(yīng)的研究起步較晚，鐵路抗風(fēng)工程在20世紀(jì)90年代建立風(fēng)洞后開始興起，隨后伴隨著計算機的不斷升級以及大量流體計算軟件的開發(fā)，數(shù)值模擬越來越受到研究人員的關(guān)注。王厚雄等［3］通過風(fēng)洞縮尺試驗發(fā)現(xiàn)由于擋風(fēng)墻的幾何特點，空氣通過擋風(fēng)墻時被分離開，在靠近擋風(fēng)墻尾跡區(qū)底部附近時，空氣流回分離區(qū)來補充被卷吸走的部分空氣，形成尾渦區(qū)，在車輛迎風(fēng)面的尾渦區(qū)形成負(fù)壓，向逆風(fēng)側(cè)吸引車體，提高了車輛抗傾覆的能力。高廣軍等［4］依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)安裝風(fēng)屏障后車輛迎風(fēng)面由大部分正壓轉(zhuǎn)為負(fù)壓，擋風(fēng)墻高度較低時，車輛受到隨高度增加而減小的橫向力，減小到一定高度后橫向力變?yōu)樨?fù)值，傾覆力矩變化情況與其正好相反。根據(jù)以上研究資料顯示，加裝風(fēng)屏障會使列車與防風(fēng)裝置之間的空氣流動發(fā)生變化、產(chǎn)生漩渦，導(dǎo)致高速列車受力情況發(fā)生變化，比如風(fēng)屏障設(shè)置過低則無法擋風(fēng)，設(shè)置過高又會給列車背風(fēng)面施加力，使列車有倒向迎風(fēng)側(cè)的趨勢。雙線橋梁上高速列車的運行位置分為上風(fēng)線和下風(fēng)線，列車與風(fēng)屏障相對位置的不同使得其間流動空腔不同，進(jìn)而導(dǎo)致列車表面受力不同。這些變量的改變對列車運行的影響均值得重點討論，因此重點分析風(fēng)屏障高度變化對列車受力產(chǎn)生的影響，研究雙線橋上列車位置不同對列車表面壓力的影響。

1 車-橋-風(fēng)屏障系統(tǒng)設(shè)計與氣動仿真模型

高速列車速度為300 km/h，橫風(fēng)速度為15～30 m/s，馬赫數(shù)未達(dá)到0.3，所以可以不考慮流體的可壓縮性。

1.1 計算區(qū)域確定

高速列車在流場中運行時，車體附近的流場會因受力發(fā)生變化，而當(dāng)距離列車足夠遠(yuǎn)后這種變化會趨于穩(wěn)定，在設(shè)置計算區(qū)域時，區(qū)域尺寸的選取會對計算結(jié)果造成影響。在計算區(qū)域內(nèi)，流場需要能夠充分發(fā)展，流場邊界的設(shè)置不能距模型過近，否則會使多個面發(fā)生回流現(xiàn)象嚴(yán)重影響計算結(jié)果。

通常情況下，列車與流場邊界的距離要大于5倍車寬，尾流區(qū)要大于20倍車寬以使流場充分發(fā)展，豎直方向只要邊界設(shè)置不影響列車上部空氣擾流即可。將流場頂面定義為SYMMETRY可進(jìn)一步降低流場阻塞效應(yīng)。

列車速度方向沿x軸，橫風(fēng)方向沿y軸，z軸為垂直地面方向。以此基準(zhǔn)建立流場區(qū)域，x、y、z三個方向的長度分別為200、50、100 m。流場及車-橋-風(fēng)屏障模型示意見圖1。

圖1 流場及車-橋-風(fēng)屏障模型示意圖

1.2 計算網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分的疏密程度直接影響結(jié)果精確度，但不能為了提高精確度將全流場區(qū)域都劃分為尺寸很小的網(wǎng)格，因為流場變動在遠(yuǎn)離模型一定程度后就趨于穩(wěn)定，網(wǎng)格細(xì)致程度對這一區(qū)域影響不大。為了盡可能不占用過多計算機資源，同時使數(shù)值計算能夠有效進(jìn)行，需要在貼近車體、橋和風(fēng)屏障的表面劃分細(xì)致的網(wǎng)格，而遠(yuǎn)離模型部分的網(wǎng)格則相對大些［5］。

Gambit中網(wǎng)格分為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格2種，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量少、計算結(jié)果更精確，但考慮到車-橋-風(fēng)屏障模型外形比較復(fù)雜，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的四面體結(jié)構(gòu)更能適應(yīng)，所以該算例使用設(shè)置好的尺寸函數(shù)以非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對整個流場進(jìn)行離散。網(wǎng)格繪制完成后顯示網(wǎng)格數(shù)約為3×106個（見圖2）。

圖2 橫截面網(wǎng)格質(zhì)量

1.3 邊界條件設(shè)定

數(shù)值計算時，首先定義一個有限區(qū)域，也被稱作計算域，其邊界由人為界定，該部分設(shè)定是計算的重要環(huán)節(jié)。在求解計算前需要設(shè)置合理的邊界條件，邊界條件要盡量接近現(xiàn)實情況。計算模型需要設(shè)置的邊界條件包括入口、出口、壁面以及對稱邊界條件。

根據(jù)相對運動原理，假設(shè)列車不動，空氣從列車正面迎來，速度與列車正常行駛速度相同。具體設(shè)定如下：

（1）入口邊界條件：流場前面和右側(cè)面定義為VELOCITY_INLET，該邊界條件適合設(shè)置于不可壓縮流體。在FLUENT中前面設(shè)定速度為83.3 m/s（模擬列車以83.3 m/s的速度行駛），右側(cè)面設(shè)定速度為20 m/s（模擬橫風(fēng)速度20 m/s）。

（2）出口邊界條件：流場后面和左側(cè)面定義為PRESSURE_OUTLET，該處不用OUTFLOW作為出口條件，原因是其在有回流情況下不容易在計算中收斂。

（3）壁面邊界條件：列車車體整體定義為TRAIN-WALL；橋-風(fēng)屏障整體定義為QIAOFPZ-WALL，在FLUENT中設(shè)置為moving wall，速度設(shè)為83.3 m/s；流場底面定義為WALL。將模型設(shè)定為WALL以模擬真實情況下列車與橋梁、風(fēng)屏障對氣流的阻擋作用。

（4）對稱邊界條件：將流場頂面設(shè)置為SYMMETRY。

2 橋梁加裝風(fēng)屏障前后對列車周圍流場的影響

以FLUENT中的車-橋-風(fēng)屏障氣動模型計算結(jié)果為依托，輔以Tecplot后處理軟件輸出的壓力云圖、速度流線圖，討論橋梁加裝風(fēng)屏障前后列車周圍流場結(jié)構(gòu)、列車表面所受氣動力的變化。

2.1 上風(fēng)線加裝風(fēng)屏障前后列車周圍流場變化

2.1.1 橋梁加裝風(fēng)屏障后列車流場變化

運行在上風(fēng)線的列車在橫風(fēng)速度為20 m/s下加裝風(fēng)屏障（風(fēng)屏障高3 m）前后，列車中部周圍流場分布變化見圖3。未設(shè)立風(fēng)屏障前，來流直接作用于車和橋的迎風(fēng)側(cè)，遇到的車橋阻礙被分流為三部分：一是向下繞過橋梁下表面；二是向上繞過車頂；三是從車和橋之間的空隙流出。由圖3（a）可以看出，未設(shè)置風(fēng)屏障時，列車迎風(fēng)側(cè)沒有形成漩渦，背風(fēng)側(cè)由流經(jīng)列車上表面和流經(jīng)車橋空隙的氣流形成2股氣流漩渦。

圖3 加裝風(fēng)屏障前后列車中部周圍流場分布變化

由圖3（b）可以看出，加裝3 m風(fēng)屏障后，空氣流動具有明顯改變：橫風(fēng)受到風(fēng)屏障的阻擋作用，一部分被抬高后流經(jīng)車頂，使車頂周圍空氣流速得到提升，一部分繞過風(fēng)屏障在車迎風(fēng)側(cè)和風(fēng)屏障之間形成漩渦，一部分流經(jīng)列車頂部后在車背風(fēng)側(cè)和風(fēng)屏障之間形成漩渦。氣旋依次經(jīng)過頭車、車身、車尾向后流動，流場得到充分發(fā)展，所以漩渦有從前往后增大的趨勢。與未安裝風(fēng)屏障時不同，列車兩側(cè)均有漩渦形成，且背風(fēng)側(cè)的氣流漩渦明顯大于迎風(fēng)側(cè)。列車背風(fēng)側(cè)的漩渦結(jié)構(gòu)形式較未設(shè)置風(fēng)屏障時簡單，只有1個大的氣流漩渦，這是由于安裝風(fēng)屏障后流經(jīng)車底空隙的氣流在背風(fēng)側(cè)未繼續(xù)形成漩渦。風(fēng)屏障使橫風(fēng)不能直接作用于車體表面，可以對列車所受到的橫向氣動力起到一定程度上的緩解作用。

2.1.2 列車周圍氣壓分布

安裝風(fēng)屏障前后上風(fēng)線列車中部周圍壓力云圖見圖4，結(jié)合圖3可以看出風(fēng)屏障的作用主要靠改變列車周圍氣流速度與氣壓影響列車的氣動力，而氣壓變化與氣流漩渦具有一定相關(guān)性。

圖4 上風(fēng)線列車中部周圍壓力云圖

根據(jù)計算機仿真結(jié)果，在未安裝風(fēng)屏障時列車迎風(fēng)側(cè)所受空氣壓強為正，從車頭到車尾正壓逐漸減小，從車頭所受壓強7 000 Pa減小到車尾2 000 Pa左右；背風(fēng)側(cè)所受壓強未見明顯變化。在車頭背風(fēng)側(cè)形成了負(fù)壓區(qū)域，這與迎風(fēng)側(cè)的正壓產(chǎn)生較大的壓差使得車頭部分在未安裝風(fēng)屏障時受到很大的橫向力。根據(jù)負(fù)壓形成位置，推測原因是氣流經(jīng)過車體上表面時被抬升，導(dǎo)致速度變快，使得背風(fēng)面的氣流被抽空，形成負(fù)壓區(qū)，漩渦部分也是由于負(fù)壓的吸引而生成。車頭部分車頂與車底空氣流速加快，各形成1個強負(fù)壓區(qū)，但車底部負(fù)壓小于車頂部，于是未安裝風(fēng)屏障時列車受到正升力的作用［6］。

2.1.3 列車表面壓力變化

列車行駛在未安裝風(fēng)屏障的橋梁時，受到橫風(fēng)的影響，迎風(fēng)側(cè)顯示大面積的正壓，其最大值可以達(dá)到10 000 Pa，在背風(fēng)側(cè)受到近4 000 Pa負(fù)壓。車尾迎風(fēng)側(cè)與背風(fēng)側(cè)表面壓力大致相同。迎風(fēng)側(cè)無風(fēng)屏障時車頭表面壓力分布云圖見圖5，由圖5可知，車頭鼻尖處正壓最大，車頭與車身的過渡區(qū)域以及列車頂部與側(cè)面連接處負(fù)壓最大，這可為空調(diào)裝置的布置提供參考，即進(jìn)風(fēng)口設(shè)置在車體鼻尖區(qū)域，出風(fēng)口設(shè)在車頭頂部及車身側(cè)面和頂面交界處。

圖5 迎風(fēng)側(cè)無風(fēng)屏障時車頭表面壓力分布云圖

加裝風(fēng)屏障后，壓強分布規(guī)律和未安裝風(fēng)屏障時類似，車頭兩側(cè)壓差相對于未安裝時減小2 000 Pa左右。車頭迎風(fēng)側(cè)的車身側(cè)面壓強分布較未安裝風(fēng)屏障時緩和，未出現(xiàn)大跨度的壓強分布。針對以上現(xiàn)象可以預(yù)測：列車表面壓力大小與氣流在此處是否產(chǎn)生漩渦可能由氣流速度決定。

2.2 下風(fēng)線加裝風(fēng)屏障前后列車周圍流場變化

根據(jù)計算機仿真結(jié)果，流場分布情況與列車在上風(fēng)線時類似。安裝3 m風(fēng)屏障之后，迎風(fēng)側(cè)列車表面與風(fēng)屏障之間形成較行駛在上風(fēng)線時更大的漩渦。迎風(fēng)側(cè)車頭部分周圍壓強比上風(fēng)線時大，分析原因可能是氣流翻過風(fēng)屏障后與車體還有一段距離，于是產(chǎn)生一定程度的回落，造成對列車表面的沖擊比上風(fēng)線時大。

3 參數(shù)變化對列車所受氣動力的影響

架設(shè)風(fēng)屏障改變了列車周圍流場的結(jié)構(gòu)形式，使得列車表面壓力改變，影響高速行駛的列車運行平穩(wěn)性。分析設(shè)置不同高度風(fēng)屏障或高度相同速度不同的條件下，列車所受阻力、升力以及側(cè)向力的變化。選擇3 m作為基礎(chǔ)高度，通過改變風(fēng)屏障的結(jié)構(gòu)，觀察列車氣動力的變化。

3.1 風(fēng)屏障高度對列車氣動特性的影響

加裝1.5 m風(fēng)屏障后列車所受側(cè)向力與升力明顯降低，側(cè)向力降低29.17%，升力降低65.8%，阻力上升10.88%，在風(fēng)屏障高度增加到3.00～3.15 m時，升力與側(cè)向力發(fā)生正負(fù)的變化，這與Coleman等［7］建立1∶50縮尺模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗的結(jié)果契合。列車傾覆主要是由升力與側(cè)向力共同作用產(chǎn)生的傾覆力矩造成［8］，在風(fēng)屏障高度為3.00～3.15 m時，升力與側(cè)向力可以取到0，說明風(fēng)屏障高度設(shè)置在3.00～3.15 m比較合適，這也符合原鐵道部經(jīng)濟規(guī)劃研究院發(fā)布的高架橋段標(biāo)準(zhǔn)高度和加高高度［9］。當(dāng)風(fēng)屏障高度繼續(xù)加高后，升力與側(cè)向力都轉(zhuǎn)為負(fù)值且反向增大，說明此時風(fēng)屏障已經(jīng)處于過保護(hù)狀態(tài)。列車受到的氣動阻力基本不隨風(fēng)屏障高度的變化而變化。隨著風(fēng)屏障高度的增加，上下風(fēng)線的阻力、升力、側(cè)向力對比情況見圖6。

圖6 上下風(fēng)線的阻力、升力、側(cè)向力對比情況

由圖6可以看出，對于升力：（1）下風(fēng)線列車升力對風(fēng)屏障高度變化更敏感；（2）上下風(fēng)線升力的變化趨勢并不完全相同；（3）下風(fēng)線升力在連續(xù)減小到負(fù)值后，當(dāng)風(fēng)屏障高度增加到3 m后，下風(fēng)線升力又有抬升趨勢。對于側(cè)向力：（1）風(fēng)屏障高度增加到2 m前，上風(fēng)線側(cè)向力更大；（2）在風(fēng)屏障高度為2 m時，上下風(fēng)線的側(cè)向力幾乎相同；（3）在風(fēng)屏障高度增加到2 m后，上下風(fēng)線的側(cè)向力變化趨勢幾乎一致；（4）在風(fēng)屏障高度為4 m時，側(cè)向力值由正轉(zhuǎn)負(fù)，表明側(cè)向力方向發(fā)生改變。

上下風(fēng)線的側(cè)向力與升力都有由正轉(zhuǎn)負(fù)的情況，說明存在一個風(fēng)屏障高度使得列車所受傾覆力矩為0。姜翠香等［10］為確定這個合理的高度，構(gòu)造了一個函數(shù)：

式中：f1為列車行駛在一線時傾覆力矩隨風(fēng)屏障高度變化的擬合函數(shù)；f2為列車行駛在二線時傾覆力矩隨風(fēng)屏障高度變化的擬合函數(shù)；fx為列車分別行駛在一線、二線時傾覆力矩絕對值之和的最小值。最后得出風(fēng)屏障設(shè)置位置變化時，其合理高度也會發(fā)生變化，兩者之間近似成三次多項式關(guān)系［10］。這也印證：過高的風(fēng)屏障會再次改變車體周圍流場結(jié)構(gòu)，流場的改變使壓差發(fā)生正負(fù)變化，以及氣動力方向發(fā)生改變。

3.2 橫風(fēng)速度對列車氣動性的影響

為研究橫風(fēng)速度對風(fēng)屏障防風(fēng)效果的影響，取4個風(fēng)速值分別為15、20、25、30 m/s，設(shè)置固定3 m風(fēng)屏障，計算以速度300 km/h行駛的高速列車所受氣動力，結(jié)果見圖7。在橫風(fēng)速度較低時，升力向下為負(fù)值。

圖7 列車氣動力隨橫風(fēng)速度的變化

橫風(fēng)速度每增加25%，根據(jù)3次仿真結(jié)果，阻力分別增加10.3%、9.3%、6.8%，側(cè)向力分別增加18.1%、13.1%、11.3%；橫風(fēng)速度達(dá)到20 m/s之后，橫風(fēng)速度每增加25%，根據(jù)2次仿真結(jié)果，升力分別增加25.8%、109%。由此可見，升力受橫風(fēng)速度的影響最大。

3.3 列車速度對列車氣動性的影響

為研究不同列車運行速度下風(fēng)屏障的效果，將風(fēng)屏障高度設(shè)為固定3 m，橫風(fēng)速度固定20 m/s，研究不同車速通過時列車所受氣動力。

仿真結(jié)果顯示，列車速度從225 km/h增加到300 km/h時，升力無明顯變化，速度繼續(xù)增加到375 km/h時，升力反而下降變?yōu)樨?fù)值。阻力、側(cè)向力均隨車速增加逐漸增大，其中車速每增加25%，根據(jù)2次仿真結(jié)果，阻力分別增加57.6%、44.3%，側(cè)向力分別增加48.9%、34.5%?？梢酝茰y：在只存在橫風(fēng)的條件下，車體所受氣動阻力主要取決于列車自身運行速度，升力主要取決于橫風(fēng)速度而與列車運行速度關(guān)系較小。

3.4 風(fēng)屏障形狀對列車氣動力的影響

根據(jù)上述對風(fēng)屏障擋風(fēng)效果的研究，以及對擋風(fēng)機理的分析，提出對L內(nèi)扣型風(fēng)屏障、45°內(nèi)扣型風(fēng)屏障2種新型風(fēng)屏障進(jìn)行探究。2種風(fēng)屏障以3 m高風(fēng)屏障為標(biāo)準(zhǔn)建立模型，除形狀以外，模型其余所有參數(shù)設(shè)置與3 m風(fēng)屏障相同，模擬其在20 m/s橫風(fēng)時對以速度300 km/h行駛的列車的保護(hù)效果，計算結(jié)果見圖8。

圖8 不同形狀風(fēng)屏障對列車所受氣動力的影響

由圖8可以看出，與直板型相比，L內(nèi)扣型風(fēng)屏障升力下降55.6%、阻力下降1.8%、側(cè)向力增加118.5%，該型風(fēng)屏障雖然改善了列車升力、阻力的氣動性能，但由于影響列車傾覆力矩的主要是側(cè)向力，其側(cè)向力激增1倍多，嚴(yán)重影響列車運行安全性；45°內(nèi)扣型風(fēng)屏障升力、側(cè)向力均增大1倍至數(shù)倍，傾覆力矩也一定隨之增大，因此該方案更不能運用到實際中。

安裝2種異型風(fēng)屏障的列車具有以下特點：一是其上部與背風(fēng)側(cè)面的壓力相對更小，這導(dǎo)致列車產(chǎn)生更大的正升力與側(cè)向力；二是其迎風(fēng)側(cè)均未出現(xiàn)空氣漩渦，這是由于異型風(fēng)屏障形狀的阻礙作用使流場不能充分舒展所致。

4 結(jié)論

（1）安裝風(fēng)屏障后能明顯改變列車周圍氣流的流動，但與未設(shè)置風(fēng)屏障相比，列車迎風(fēng)側(cè)與風(fēng)屏障之間會形成漩渦。列車兩側(cè)的空氣漩渦會產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)，其壓力差使列車受到側(cè)向氣動力，使列車有傾覆風(fēng)險。在一定速度下，列車隨著風(fēng)屏障高度的變化，存在一個特定高度值（約3 m）使列車所受側(cè)向力為0。

（2）風(fēng)屏障高度的變化對列車側(cè)向力的影響最大，隨著風(fēng)屏障高度的增加，升力與側(cè)向力都出現(xiàn)方向改變的現(xiàn)象，這是由于風(fēng)屏障高度對于列車兩側(cè)漩渦的影響，即風(fēng)屏障高度過高，流體補償由于卷吸作用帶走的流體作用減弱，導(dǎo)致列車兩側(cè)的壓差反向，使列車產(chǎn)生向迎風(fēng)側(cè)傾倒的趨勢。升力方向改變則是由于風(fēng)屏障對氣流的抬升作用使流體經(jīng)過列車上表面時速度較慢，產(chǎn)生的負(fù)壓較小，由于壓差的影響升力向下。

（3）通過對比列車運行在上下風(fēng)線時風(fēng)屏障對流場改變的差別，發(fā)現(xiàn)列車運行在下風(fēng)線時迎風(fēng)側(cè)壓力更大，這是因為下風(fēng)線的列車與迎風(fēng)側(cè)風(fēng)屏障有一段距離，氣流繞過風(fēng)屏障后產(chǎn)生一定回落，對列車迎風(fēng)側(cè)造成一定沖擊作用。上下風(fēng)線列車所受氣動力變化趨勢大體相同，總體而言，上風(fēng)線防護(hù)效果更優(yōu)。

（4）在安裝同一高度風(fēng)屏障時，隨著橫風(fēng)速度增加或列車運行速度增加，會使列車的氣動性能惡化。升力主要影響因素是橫向風(fēng)速，對于列車速度的變化并不敏感；阻力受列車速度的影響較大；側(cè)向力對列車速度與橫風(fēng)速度的變化反應(yīng)都較為敏感。

（5）風(fēng)屏障結(jié)構(gòu)影響列車所受氣動力的大小，研究表明傳統(tǒng)直板型風(fēng)屏障防護(hù)效果更好。

（6）風(fēng)屏障的高度設(shè)置對于風(fēng)屏障表面壓力影響很大，過高會使風(fēng)屏障內(nèi)外壓差過大，增加損壞的可能。