王玉晶， 徐學翔， 管青海， 劉睿

(1.山東建筑大學交通工程學院， 濟南 250101； 2.中國交通建設股份有限公司， 北京 100088)

隨著中國高鐵時代的到來，列車運行速度不斷地提高，由此引起的列車安全性也越來越受到人們的關注[1-2]。橫風是制約列車提速以及影響列車運行安全性的主要因素，為了保證列車的運行安全，目前較常用的措施是在路堤段設置擋風墻，在橋梁段安裝風屏障。其中空隙式風屏障得到很多研究者的青睞，它不但可以為列車提供一個較低的風速安全域，還可以減小橋梁的重量，因此應用廣泛[3]。

近年來，中外學者針對風屏障的形式和擋風作用開展了廣泛的研究，目前常用的方法主要有風洞試驗和數(shù)值模擬。蘇洋等[4]提出了一種新的多孔型風屏障的二維等效透風率模擬方法，并透風率對流場及風荷載的影響。韓旭等[5]通過階段模型試驗對全封閉聲屏障的三分力和表面風壓進行了測試。劉葉等[6]對采用風洞試驗方法對側風作用下平層公鐵橋梁-列車-風屏障系統(tǒng)進行了研究，分析了風屏障在不同風偏角下傾覆力矩系數(shù)的折減系數(shù)。徐昕宇等[7]測試了安有不同透風率的風屏障時的車橋系統(tǒng)氣動特性，分析了風屏障的防風效果。也有一些學者采用數(shù)值模擬的方法進行了研究。雷卿等[8]基于數(shù)值模擬方法分析了百里風區(qū)吾普爾大橋擋風片的遮蔽效應特性。周蕾等[9]分析了橋型和風屏障透風率對車橋氣動特性及流場影響，揭示了風屏障對車橋系統(tǒng)氣動特性的影響機理。Gu等[10]研究了風屏障的遮蔽性能和不同風屏障彎曲角度時的風場。Mohebbi等[11]研究了高速軌道旁的多孔風屏障對高速列車模型的影響。Buljac等[12]分析了風障對大跨度橋梁橫斷面氣動特性和氣彈特性的影響，以及橋面斷面周圍的流動特性。但已有研究大多考慮了風屏障高度、透風率及安裝位置等因素對防風效果的影響，均未考慮風屏障的開孔形狀的影響，并且沒有考慮車體形狀對車輛氣動特性的影響。

為此，基于計算流體力學理論，采用Star CCM+軟件建立了全尺寸的CRH2型高速列車模型和簡支箱梁模型，對裝有不同形式風屏障的車橋系統(tǒng)的風場進行模擬，分析了不同開孔形式下的流場和車體形狀對車輛氣動特性的影響。根據(jù)不同開孔形式風屏障的擋風效率，為不同車輛模型以及車輛位于不同位置時的風屏障選型提供建議。

圖1 蘭新鐵路沿線風區(qū)分布Fig.1 Illustration of wind zones along Lanzhou-Xinjiang railway

1 計算模型

1.1 工程背景

20世紀60年代建成的蘭新鐵路橫跨甘肅、新疆，穿越百里風區(qū)、三十里風區(qū)、安西風區(qū)、煙墩風區(qū)、達坂城風區(qū)五大風區(qū)(圖1)。由大風導致的列車脫軌、傾覆事故時常發(fā)生，并且造成了巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡。橋梁模型為位于大風區(qū)的蘭新第二雙線，該線依然橫穿五大風區(qū)，風區(qū)線路占全線總長的32.6%。

1.2 計算模型

選用CRH2型高速列車為車輛模型，并采用頭車-中車-尾車的形式，適當簡化掉風擋、轉向架、受電弓等附屬結構。圖2為計算域尺寸和車橋模型分段示意圖，頭車、中車和尾車的長度分別為25.7、25、25.7 m，總長度為76.4 m。橋梁模型簡化掉欄桿和軌道等結構，車輛和橋梁中間有20 cm空隙來模擬軌道結構。計算域的大小為90 m(高)×280 m(寬)×120 m(長)。橋梁和風屏障的長度與計算域的長度相同，并根據(jù)車輛的位置將橋梁和風屏障的分為三段有效計算區(qū)域：橋A段、橋B段和橋C段，分別對應頭車、中車和尾車。風屏障的厚度為0.3 m，各模型尺寸在數(shù)值建模中均采用1∶1進行建模。

圖2 計算域尺寸和車橋模型分段示意圖Fig.2 Calculation domain size and schematic diagram of vehicle-bridge model segmentation

入口(inlet)邊界條件為velocity-inlet，側風風速取20 m/s；出口(outlet)邊界條件為pressure-outlet；上邊界(top)的邊界條件為滑移的壁面；地面(ground)的為無滑移的壁面；車輛和橋梁表面為無滑移的壁面。

1.3 網(wǎng)格劃分

圖3 網(wǎng)格劃分示意圖Fig.3 Schematic diagram of meshing

網(wǎng)格質量直接關系到數(shù)值模擬的精度[13]。近壁區(qū)采用0.01 m的邊界層網(wǎng)格以更好的模擬邊界層流動情況，其他區(qū)域采用結構化的六邊形網(wǎng)格以加快計算速度和收斂速度。如圖3所示，網(wǎng)格劃分采用六面體網(wǎng)格，由于車頭和車尾是復雜的三維曲面結構，因此車體表面的網(wǎng)格尺寸最大取0.15 m，橋梁和風屏障表面網(wǎng)格最大尺寸為0.8 m，最小尺寸為0.1 m；分別在車輛和橋梁間的空隙和橋梁車輛和橋梁空隙網(wǎng)格尺寸加密為0.1 m。此外，在橋梁截面周圍10 m×8 m的范圍內進行網(wǎng)格加密，加密網(wǎng)格的尺寸為0.8 m。在遠離車輛和橋梁的位置網(wǎng)格逐漸稀疏，不同的工況中，網(wǎng)格數(shù)量在7×106～1×107。

湍流計算模型采用 SSTk-w模型(k為湍動能，w為比耗散率)，湍流強度為0.5%,黏性系數(shù)為10。邊界條件：迎風面取為速度進口邊界條件, 設定來流速度為20 m/s, 對應的雷諾數(shù)為4.67×105, 背風面取壓力出口邊界條件, 計算域上下邊界以及模型取為壁面。

1.4 氣動力系數(shù)定義及模型驗證

車輛在橫風作用下，會產生氣動側力FD、氣動升力FL和氣動力矩M，將車輛和橋梁的氣動三分力系數(shù)定義為

(1)

式(1)中：ρ為空氣密度,取1.225 kg/m3;U為來流風速；AH為車輛在來流方向的迎風面積；AV為車輛在豎向的面積；B為車輛寬度；FD、FL和M分別為橫風時車輛受的側力、升力和力矩；CD、CL、CM分別為側力系數(shù)、升力系數(shù)和力矩系數(shù)。

為驗證本文模型網(wǎng)格的準確性，采用車橋系統(tǒng)風洞試驗數(shù)據(jù)進行驗證，結果如表1所示?？梢钥闯?，數(shù)值結果與試驗結果都較為接近，車輛和橋梁的阻力系數(shù)誤差分別為11.2%和10.5%，說明所采用的數(shù)值模擬方法可行。

表1 數(shù)值結果與試驗結果的對比Table 1 Comparison of numerical and experimental results

2 開孔形式對車橋系統(tǒng)氣動特性的影響

2.1 風屏障的開孔形式

為了充分考慮風屏障的不同開孔形式對車輛氣動特性的影響，取所有風屏障的高度為4 m，開孔率為30%。圖4為不同開孔形式的風屏障，風屏障的開孔方式有：格柵形、正三角形、正四邊形、正五邊形和圓形。所有形式的開孔面積均相同，在建模過程中以1 m×1 m的矩形為基本單元，孔洞中心與矩形單元的型心重合，以此建立沿橋梁全長的風屏障。

2.2 對不同車輛模型氣動性能影響

高速列車在設計時，頭部和尾部的外形表面光滑、平順，且采用大曲面的設計，保證了頭車和尾車的流線型，這與中車不同。為研究風屏障的開孔形式對頭車、中車和尾車各自的影響，選取車輛位于迎風側的風屏障-車-橋系統(tǒng)為研究對象進行數(shù)值分析，各車輛及其對于橋段的三分力系數(shù)分別如圖5、圖6所示。

圖4 不同開孔形式的風屏障Fig.4 Wind barriers with different openings

圖5 不同車輛的三分力系數(shù)Fig.5 Tri-component coefficients of vehicles

圖5為不同風屏障開孔形式下各車輛的氣動力系數(shù)?？梢钥闯觯孩亠L屏障的開孔形式對車輛的阻力系數(shù)影響較大，且隨著開孔邊數(shù)的增加各車輛的阻力系數(shù)先減小后增大，開孔形式為格柵形時阻力系數(shù)最大，且開孔除圓形外，中車的阻力系數(shù)都大于頭車和尾車的阻力系數(shù)；②風屏障的開孔形式對車輛的升力系數(shù)影響也較大，由于升力數(shù)值較小，導致開孔形式為三角形、四邊形和圓形時的各車輛系數(shù)相差較大，這是由于來流風穿過孔洞后會在車輛迎風面的上下兩個拐角處出現(xiàn)渦，并且不斷地發(fā)生脫落，開孔形式為四邊形時中車的升力系數(shù)與頭

圖6 不同橋段的三分力系數(shù)Fig.6 Tri-component coefficients of different bridge segments

車和尾車的升力系數(shù)符號不同，這是由于升力數(shù)值較小，數(shù)值有所波動；③各車輛的力矩系數(shù)隨開孔邊數(shù)的增加先減小后增加又減小，當開孔形式為格柵形時各車輛的力矩系數(shù)最大，且均為正值。當采用這五種開孔形式的風屏障時，中車的力矩系數(shù)均大于頭車和尾車的力矩系數(shù)，采用格柵形式時中車比頭車的力矩系數(shù)大了63.6%；④在計算車輛動力響應時，應分別計算頭車、中車和尾車的三分力系數(shù)。

圖6為不同風屏障開孔形式下各橋段的氣動力系數(shù)?？梢钥闯觯孩僭跈M風作用下，風屏障的開孔性轉對橋梁阻力系數(shù)的影響較小，且當風屏障開孔形狀相同時橋梁各段的阻力系數(shù)也相近；②橋A段和橋C段較為接近，且安裝這5種風屏障時，橋B段的升力系數(shù)都小于橋A段和橋C段。當采用圓形的風屏障時，兩者相差最小，為0.56%。采用三角形風屏障時相差最大，為17.2%，這是由于風屏障開孔位置的影響；③橋梁各段的力矩系數(shù)隨風屏障開孔邊數(shù)的變化先減小后增大，開孔為五邊形時力矩系數(shù)最小，安裝各種風屏障時橋A段和橋C段的力矩系數(shù)都很接近，且小于橋B段的力矩系數(shù)，這是因為橋梁的迎風面積較大，氣動力系數(shù)主要受本身尺寸的影響最大；④在計算橋梁動力響應時，可采用橋A段和橋C段的三分力系數(shù)。

2.3 對不同位置車輛的影響

為研究風屏障開孔形式對不同位置車輛的影響，建立了車輛位于迎風側和背風側的風屏障-車-橋系統(tǒng)模型并進行分析，如圖7所示。

只考慮中車的三分力系數(shù)受線路位置和風屏障開孔形式的影響，計算結果如表2所示。

圖7 車輛和橋梁的布置圖Fig.7 Layout of vehicle and bridge

表2 車輛位于不同線路上時中車的三分力系數(shù)Table 2 Three-component force coefficients of the middle car when the train is on different routes

表2為車輛位于不同線路上時中車的三分力系數(shù)。可以看出：①開孔形式為格柵形時中車的三分力系數(shù)均相差較大，這是由于車輛位置不同造成的，當車輛位于背風側線路時，風屏障和車輛中間孔隙較大，產生的渦也較大；②中車的阻力系數(shù)和力矩系數(shù)隨開孔邊數(shù)的增加基本呈下降趨勢，位于背風側時的中車阻力系數(shù)和力矩系數(shù)變化較緩；③位于迎風側和背風側的中車的升力系數(shù)隨開孔邊數(shù)的增加基本呈上升趨勢，但開孔形式為五邊形時，迎風側中車的升力系數(shù)出現(xiàn)了負值，這是因為開孔形狀影響了風屏障后漩渦脫落的尺寸和脫落速度；④在計算車輛動力響應時，應考慮車輛位置對三分力系數(shù)和車輛動力響應的影響。

2.4 對風屏障擋風效率的影響

在橋梁上安裝風屏障之后，由于風屏障阻擋了氣流，使得作用于車體上的風荷載減小。與此同時，由于風屏障和橋梁相連接，作用在風屏障的風荷載也傳遞給了橋梁。對于給定高度和透風率的風屏障，開孔面積相同，但是由于開孔形式不同，對風場的影響也不同，主要體現(xiàn)在橋梁三分力中占的比重。因此，定義風屏障的貢獻率(contribution rate of wind barrier，CRWB)為

(2)

式(2)中：CRWB為風屏障的貢獻率；Ftotal為風屏障和橋梁整體的三分力；FB為橋梁單體的三分力；當三分力分別取FD、FL、M時，CRWB分別對應CRWBD、CRWBL、CRWBM，其中CRWBD、CRWBL、CRWBM分別為風屏障對阻力系數(shù)、升力系數(shù)和力矩系數(shù)的貢獻率。

為研究風屏障開孔形式對風屏障擋風效率的影響，選取車輛位于迎風側時的工況進行討論，根據(jù)式(4)分別計算不同開孔形式下橋A段、橋B段和橋C段的風屏障貢獻率，結果如圖8所示。

圖8為5種風屏障對各段橋梁氣動力的貢獻率?？梢钥闯觯孩亠L屏障對阻力的貢獻率CRWBD都超過了50%，可見風屏障的存在為橋梁增加了超過50%的側力。隨著風屏障開孔邊數(shù)的增加，橋A段、橋B段和橋C段的CRWBD都呈增加趨勢，其中橋B段的貢獻率增加最多，增加了12.2%；②隨著風屏障開孔邊數(shù)的增加，3個橋段的CRWBL都呈減小趨勢，且當風屏障開孔形式為三角形時風屏障對升力貢獻率最低；③除開孔形式為五邊形的橋A段和橋B段外，風屏障對力矩的貢獻率CRWBM也都超過了50%，可見風屏障的存在為橋梁增加了一半多的力矩，且CRWBM隨風屏障開孔邊數(shù)的變化先減小后增大，當開孔形式為五邊形時CRWBM最小。綜上所述，風屏障承擔了橋梁一半多的阻力和力矩，增加了橋梁的不安全性。

3 開孔形式對流場的影響

風屏障開孔形式不同會直接影響作用于車體上的風壓，以1.2節(jié)中的模型為研究對象，分析側風速度為20 m/s時車體表面的風壓分布。如圖9所示，為了清晰看出車體表面的風壓分布，將中車左側的部分風屏障隱藏(計算時，風屏障與橋梁長度相同)。

圖8 風屏障對橋梁氣動力的貢獻率Fig.8 Contribution rate of wind barrier to aerodynamic force of bridge

圖9 不同風屏障開孔形式下的風壓云圖Fig.9 Wind pressure cloud diagrams under different wind barrier opening forms

圖9為車橋系統(tǒng)在不同開孔形式風屏障下的表面風壓云圖。可以看出：①無論風屏障的開孔形式如何，作用在風屏障上的風壓最大，且風壓數(shù)值沿著風屏障高度方向逐漸減小，這是由于風在風屏障的上方發(fā)生了繞流；②另一部分來流穿過風屏障的孔洞，作用于列車上，明顯可見作用于車體迎風面的壓強數(shù)值為正值，但是數(shù)值明顯減小，這是由于來流直接垂直作用于風屏障上后能量發(fā)生損失，風速也驟減，導致壓強也突增；③風屏障和列車迎風面之間的渦流由于孔洞的存在變化異常復雜，穿過孔洞的氣流在車體迎風面和頂面的交界處發(fā)生繞流且出現(xiàn)負值；④由圖9(b)可見，風屏障開孔形式為三角形時，負壓的絕對值最大，出現(xiàn)在列車迎風面與車頂面的交界處，其次為圓形、五邊形，開孔形式為四邊形時負壓絕對值最小，對比列車迎風面的壓強可見，安有格柵形風屏障的列車迎風面壓強更加均勻些，這是由于風穿過格柵形風屏障時，沿橋梁方向的流動不受限制，只在垂向受限；⑤孔洞形式的風屏障，隨著小孔邊數(shù)越多，壓強分布越均勻。這是由于來流風在小孔的拐角處會發(fā)生方向突變，邊數(shù)增加后拐角增大，突變效果也不再明顯。

4 結論

建立了不同開孔形式的風屏障-車-橋系統(tǒng)氣動模型，采用數(shù)值方法進行了模擬，分析了開孔形式對車橋氣動特性、風屏障擋風效率和流場的影響，得到以下主要結論。

(1)風屏障的開孔形式對車輛的阻力系數(shù)影響較大，且隨著開孔邊數(shù)的增加各車輛的阻力系數(shù)先減小后增大，開孔形式為格柵形時阻力系數(shù)最大。采用格柵形式時中車比頭車的力矩系數(shù)大了63.6%。在橫風作用下，風屏障的開孔性轉對橋梁阻力系數(shù)的影響較小，且當風屏障開孔形狀相同時橋梁各段的阻力系數(shù)也相近。

(2)中車的阻力系數(shù)和力矩系數(shù)隨開孔邊數(shù)的增加基本呈下降趨勢，位于背風側時的中車阻力系數(shù)和力矩系數(shù)變化較緩；在計算車輛動力響應時，應考慮車輛位置對三分力系數(shù)和車輛動力響應的影響。

(3)隨著風屏障開孔邊數(shù)的增加，橋A段、橋B段和橋C段的CRWBD都呈增加趨勢，其中橋B段的貢獻率增加最多，增加了12.2%。風屏障對阻力和力矩的貢獻率CRWBD、CRWBM基本都超過了50%，風屏障承擔了橋梁一半多的阻力和力矩，增加了橋梁的不安全性。

(4)風屏障開孔形式為三角形時，負壓的絕對值最大，出現(xiàn)在列車迎風面與車頂面的交界處。對比列車迎風面的壓強可見，安有格柵形風屏障的列車迎風面壓強更加均勻些?？锥葱问降娘L屏障，隨著小孔邊數(shù)越多，壓強分布越均勻。