強(qiáng)側(cè)風(fēng)不同擋風(fēng)墻下棚車氣動(dòng)性能*

黃尊地，常 寧

(五邑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東 江門(mén) 529020)

強(qiáng)側(cè)風(fēng)對(duì)運(yùn)行列車的安全危害很大，在其作用下，列車的氣動(dòng)性能惡化，不僅氣動(dòng)阻力迅速上升，而且嚴(yán)重影響列車的橫向穩(wěn)定性。因此，列車出現(xiàn)脫軌、翻車和人員傷亡的可能性增加。今年因強(qiáng)側(cè)風(fēng)導(dǎo)致列車行車安全在世界各國(guó)時(shí)有發(fā)生［1］。目前，像日本、德國(guó)和法國(guó)等一些強(qiáng)側(cè)風(fēng)頻發(fā)的國(guó)家，都已開(kāi)展了多項(xiàng)科研工作，包括風(fēng)洞試驗(yàn)、實(shí)車實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算等，其目的是研究出強(qiáng)側(cè)風(fēng)對(duì)列車氣動(dòng)性能的影響及提出相應(yīng)的防風(fēng)措施［2］。蘭新鐵路既有線穿越新疆大風(fēng)戈壁地區(qū)，自然條件十分惡劣，尤其是大風(fēng)給列車運(yùn)行安全造成的影響更為嚴(yán)重。自通車以來(lái)，常造成整列車被吹翻的重大事故，大風(fēng)季節(jié)，常采用列車停輪，以保證行車安全，由此造成大批旅客、貨車被滯留，給旅客出行帶來(lái)極大不便。自2012年3月19日以來(lái)，蘭新鐵路、南疆鐵路風(fēng)區(qū)路段出現(xiàn)大風(fēng)天氣，致2條鐵路24趟旅客列車被迫在沿途車站停輪避風(fēng)。蘭新鐵路既有線上原已建成的擋風(fēng)墻，由于氣候和時(shí)間等原因，很多墻體都有損壞，擋風(fēng)墻實(shí)際高度降低，有的甚至被風(fēng)沙掩埋，所以，對(duì)蘭新既有線防風(fēng)設(shè)施的改進(jìn)和修復(fù)工作迫在眉睫。本文基于蘭新鐵路既有線上強(qiáng)側(cè)風(fēng)條件［3－9］，對(duì)已有擋風(fēng)墻形狀和高度變化時(shí)棚車氣動(dòng)性能進(jìn)行研究，以便為擋風(fēng)墻優(yōu)化建造提供參考。

1 計(jì)算模型

蘭新線上運(yùn)行的車輛很多，有單層客車、雙層客車、單層集裝箱、棚車、敞車、罐車及篷布車等等，但棚車的橫向穩(wěn)定性能最差，強(qiáng)側(cè)風(fēng)下最容易翻車的也往往是棚車［10］，故本文采用蘭新上常用的DF11機(jī)車加3節(jié)棚車為車體計(jì)算模型。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)線路實(shí)地測(cè)量和鐵道工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算區(qū)域內(nèi)，道床坡度為1∶1.75，路堤坡度為1∶1.5，線間距為 4.4 m，一線中心線和擋風(fēng)墻內(nèi)側(cè)的距離是3.95 m，擋風(fēng)墻外側(cè)和路堤的距離為1.15 m。擋風(fēng)墻的類型很多，但蘭新既有線上分布最多的是土堤式、加筋對(duì)拉式和砼板式擋風(fēng)墻，本文對(duì)這3種類型的擋風(fēng)墻進(jìn)行了研究分析。土堤式、加筋對(duì)拉式和砼板式擋風(fēng)墻模型如圖1所示，其中擋風(fēng)墻的寬度分別為1.0，1.5和0.15 m，高度為擋風(fēng)墻頂部到軌面的距離，路堤高度為路基到地面的高度。因?yàn)槁返谈叨群蛽躏L(fēng)墻高度都是本文的研究變量，所以，具體高度在圖1中沒(méi)有標(biāo)出。

圖1 擋風(fēng)墻模型圖Fig.1 Model of wind － break wall

列車是近地運(yùn)行的龐大、細(xì)長(zhǎng)物體。當(dāng)列車高速運(yùn)行時(shí)，若取列車長(zhǎng)度為其特征長(zhǎng)度，那么，列車外部流場(chǎng)雷諾數(shù)Re＞106，流場(chǎng)處于湍流狀態(tài)，因此采用工程上應(yīng)用較廣的k－ε雙方程模型。本文車速取值80 km/h，風(fēng)速取值為46 m/s，馬赫數(shù)小于 0.3，氣流流動(dòng)可按三維不可壓縮處理［11－12］，計(jì)算時(shí)選擇適合不可壓流體計(jì)算的SIMPLEC算法［13－14］。在求解過(guò)程中，壓力、力矩、湍流動(dòng)能和湍流動(dòng)能耗散率均采用QUICK精度格式保留，松弛因子選擇使數(shù)值解穩(wěn)定性高的參數(shù)組合［15］。

2 不同類型擋風(fēng)墻研究

在對(duì)不同類型擋風(fēng)墻氣動(dòng)性能研究的過(guò)程中，擋風(fēng)墻高度初始高度為2 m。圖2所示為平地上、不同擋風(fēng)墻高度下，3種類型擋風(fēng)墻下棚車傾覆力矩計(jì)算結(jié)果的絕對(duì)值隨擋風(fēng)墻高度變化曲線。

圖2 3種擋風(fēng)墻傾覆力矩比較Fig.2 Comparison of overturning moment among the three kinds of wind－break wall

從圖2可見(jiàn):擋風(fēng)墻在任一高度上，土堤式擋風(fēng)墻的傾覆力矩是最大的;隨著擋風(fēng)墻高度的增加，土堤式的氣動(dòng)性能逐漸變好;砼板式和加筋對(duì)拉式傾覆力矩很接近，但加筋對(duì)拉式還是要小一些，且它們隨著擋風(fēng)墻高度的增加先減小后增大。所以，在防風(fēng)效果上，土堤式最差，加筋對(duì)拉式相對(duì)砼板式較好一些，即擋風(fēng)墻的外形比尺寸大小影響作用顯著。所以在后續(xù)的不同路堤上擋風(fēng)墻高度的優(yōu)化研究中，選用加筋對(duì)拉式擋風(fēng)墻。

3 不同路堤和擋風(fēng)墻高度組合研究

路堤高度不同，棚車周圍的流場(chǎng)也不同，其最優(yōu)擋風(fēng)墻的高度也不相同。在實(shí)際研究中，對(duì)不同路堤和擋風(fēng)墻高度組合下棚車的氣動(dòng)性能進(jìn)行了研究。本文只選取了部分路況進(jìn)行分析。圖3和圖4給出了路堤高度為2 m時(shí)，棚車在一線和二線上傾覆力矩隨擋風(fēng)墻高度的變化曲線，其中數(shù)值表示傾覆力矩，正負(fù)號(hào)僅表示傾覆的方向，負(fù)號(hào)表示傾覆方向?yàn)轫橈L(fēng)向，正號(hào)表示傾覆方向?yàn)槟骘L(fēng)向。

圖3 路堤高度2 m時(shí)一線傾覆力矩比較Fig.3 Comparison of overturning moment on the first line when embankment is 2 m

圖4 路堤高度為2 m時(shí)二線傾覆力矩比較Fig.4 Comparison of overturning moment on the second line when embankment is 2 m

在同一路堤高度下，頭車、中車和尾車的氣動(dòng)性能非常接近。從圖3可見(jiàn):隨著擋風(fēng)墻高度的增加，一線時(shí)棚車的傾覆力矩由負(fù)值到零變到正值，傾覆方向也由順風(fēng)向轉(zhuǎn)變?yōu)槟骘L(fēng)行，零點(diǎn)位置時(shí)擋風(fēng)墻高度在1.5～2.0之間，頭車最高，中車次之，尾車最小;當(dāng)路堤高度為2 m時(shí)，擋風(fēng)墻高度為1.5～2.0，棚車的傾覆力矩有可能接近零，此時(shí)，棚車的氣動(dòng)性能最好。從圖4可見(jiàn):當(dāng)棚車在二線時(shí)，傾覆力矩變化規(guī)律和一線是一致的，但是，傾覆力矩為零點(diǎn)的位置相對(duì)一線較低。

當(dāng)路堤高度發(fā)生變化時(shí)，棚車周圍的氣動(dòng)流場(chǎng)發(fā)生變化，棚車的側(cè)向力和升力也發(fā)生變化，造成棚車傾覆力矩?cái)?shù)值和方向同樣也會(huì)發(fā)生變化。圖5和圖6所示為棚車在一線、路堤高度分別為0 m和5 m時(shí)，棚車傾覆力矩隨擋風(fēng)墻高度的變化曲線。

圖5 路堤高度0 m時(shí)一線傾覆力矩比較Fig.5 Comparison of overturning moment on the second line when embankment is 0 m

圖6 路堤高度5 m時(shí)一線傾覆力矩比較Fig.6 Comparison of overturning moment on the first line when embankment is 5 m

從圖3、圖5和圖6可見(jiàn):路堤高度不同時(shí)，棚車傾覆力矩的變化規(guī)律相同，但傾覆力矩接近零點(diǎn)時(shí)擋風(fēng)墻的高度不同;隨著路堤高度的增加，零點(diǎn)擋風(fēng)墻位置在逐漸減小，但減小的幅度不斷變小;棚車在二線時(shí)的傾覆力矩零點(diǎn)擋風(fēng)墻高度相對(duì)一線要小，也同樣隨著路堤高度的增大而減小。砼板式擋風(fēng)墻、傾覆力矩零點(diǎn)擋風(fēng)墻高度變化與加筋對(duì)拉式擋風(fēng)墻的接近。表1中列出了加筋對(duì)拉式和砼板式擋風(fēng)墻下棚車傾覆力矩接近零時(shí)的擋風(fēng)墻高度范圍，即最優(yōu)擋風(fēng)墻高度范圍。

表1 最優(yōu)擋風(fēng)墻高度范圍Table 1 Range of the best wind wall m

4 計(jì)算結(jié)果分析

當(dāng)路堤高度為2 m，無(wú)擋風(fēng)墻、土堤式擋風(fēng)墻高2 m、砼板式擋風(fēng)墻高2 m和加筋對(duì)拉式擋風(fēng)墻高2 m時(shí)，棚車周圍的流速矢量圖和壓力云圖分別如圖7～10所示。

圖7 路堤高度為2 m、無(wú)擋風(fēng)墻時(shí)的速度矢量圖和壓力云圖Fig.7 Velocity vector and pressure nephogram without wind－break wall when embankment is 2 m

圖8 路堤高度為2 m、土堤式擋風(fēng)墻高2 m時(shí)的速度矢量圖和壓力云圖Fig.8 Velocity vector and pressure nephogram of wind －break wall when embankment is 2 m

圖9 路堤高度為2 m、砼板式擋風(fēng)墻高2 m時(shí)的速度矢量圖和壓力云圖Fig.9 Velocity vector and pressure nephogram of wind －break wall when embankment is 2 m

圖10 路堤高度為2 m、加筋對(duì)拉式擋風(fēng)墻高2 m時(shí)的速度矢量圖和壓力云圖Fig.10 Velocity vector and pressure nephogram of wind －break wall when embankment is 2 m

分析擋風(fēng)墻不同類型可見(jiàn):土堤式擋風(fēng)墻的防風(fēng)效果最差;加筋對(duì)拉式擋風(fēng)墻高度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，棚車的傾覆力矩會(huì)接近零點(diǎn)，且路堤越高，接近零點(diǎn)時(shí)的擋風(fēng)墻高度越低。產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因是:圖7中，線路一側(cè)沒(méi)有擋風(fēng)墻，流場(chǎng)在棚車的迎風(fēng)側(cè)面停滯，使棚車迎風(fēng)面行成很大的正壓;而在上部產(chǎn)生加速效應(yīng)，棚車上方的流速激增，壓力下降，且背風(fēng)側(cè)生成渦流，有很大的負(fù)壓，使得車體受到的橫向力和升力迅速增大，容易側(cè)翻。圖8～10中，迎風(fēng)側(cè)修建擋風(fēng)墻，整個(gè)流場(chǎng)中會(huì)發(fā)生2次加速效應(yīng):一次是在擋風(fēng)墻上端，流場(chǎng)流速增加，一部分沿著擋風(fēng)墻上側(cè)繼續(xù)流動(dòng)，一部分在車體和擋風(fēng)墻中間形成滯止流;繼續(xù)流動(dòng)的流場(chǎng)部分在棚車的迎風(fēng)側(cè)面上端再次發(fā)生加速，會(huì)在棚車后形成很大的渦流區(qū)。圖9中，土堤式擋風(fēng)墻兩側(cè)是爬坡形式的，流場(chǎng)中流體會(huì)漫過(guò)土堤式擋風(fēng)墻在擋風(fēng)墻和車體中間形成正壓，所以在擋風(fēng)墻高度一定時(shí)，土堤式的側(cè)向力最大，防風(fēng)效果最差。因此，必須繼續(xù)增高土堤式擋風(fēng)墻的高度，才可能達(dá)到砼板式或加筋對(duì)拉式擋風(fēng)墻的防風(fēng)效果。圖9和圖10中，擋風(fēng)墻的存在使分離的流場(chǎng)遠(yuǎn)離了車體，這樣，在車體和擋風(fēng)墻之間的滯止流使車體受到很小的正壓，車體后面是很大的負(fù)壓;當(dāng)擋風(fēng)墻高度繼續(xù)增加時(shí)，車體和擋風(fēng)墻之間的正壓減小，出現(xiàn)負(fù)壓;當(dāng)擋風(fēng)墻達(dá)到一定高度時(shí)，車體兩側(cè)受到的負(fù)壓相等，即棚車的傾覆力矩接近零點(diǎn)。高路堤可以加快流場(chǎng)的增速效應(yīng)和提前分離，使棚車傾覆力矩接近領(lǐng)零點(diǎn)時(shí)擋風(fēng)墻的高度降低，這正是路堤高度越高，最優(yōu)擋風(fēng)墻高度越低的原因。

當(dāng)棚車處在二線時(shí)，在相同高度下，二線時(shí)棚車前后兩側(cè)受到的壓差較小，即傾覆力矩出現(xiàn)零點(diǎn)的擋風(fēng)墻高度要比一線低一些。

5 結(jié)論

(1)在防風(fēng)效果上，土堤式擋風(fēng)墻最差，加筋對(duì)拉式和砼板式相差不大，即擋風(fēng)墻的外形比尺寸影響作用顯著。在既有線擋風(fēng)墻的改造過(guò)程中，建議將土堤式擋風(fēng)墻改造為加筋對(duì)拉式擋風(fēng)墻，同時(shí)清理加筋對(duì)拉式擋風(fēng)墻迎風(fēng)側(cè)的沙石;為減小改造過(guò)程的人力、物力和資金投入，砼板式擋風(fēng)墻可以不必加大其寬度。

(2)當(dāng)擋風(fēng)墻類型為加筋對(duì)拉式，路堤高度一定時(shí)，隨著擋風(fēng)墻高度的增加，棚車傾覆力矩絕對(duì)值先減小到零點(diǎn)后逐漸增加，傾覆方向也會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，由順風(fēng)傾覆向逆風(fēng)傾覆轉(zhuǎn)變;棚車頭車、中車和尾車的氣動(dòng)性能非常接近。

(3)當(dāng)擋風(fēng)墻類型為加筋對(duì)拉式和砼板式，棚車在一線時(shí)，傾覆力矩零點(diǎn)的擋風(fēng)墻高度比在二線時(shí)要大一些。隨著路堤高度的增加，棚車傾覆力矩零點(diǎn)的擋風(fēng)墻高度值逐漸減小，但減小的幅度變緩。

(4)蘭新既有線列車運(yùn)行速度一般都較低，合理改造擋風(fēng)墻工程可以保障列車的運(yùn)行安全，但如果要提高列車運(yùn)行速度及效率，建議采用半封閉式防風(fēng)走廊或者全封閉式防風(fēng)走廊代替原有的防風(fēng)設(shè)施。

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