側(cè)風(fēng)下?lián)躏L(fēng)墻對(duì)CRH2列車－簡(jiǎn)支梁橋氣動(dòng)性能的影響*

何旭輝，杜風(fēng)宇，冉瑞飛，賴慧蕊

(中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410075)

根據(jù)《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，到2020年，建設(shè)客運(yùn)專線1.2萬km以上，客車速度目標(biāo)值達(dá)到200 km及以上。隨著列車運(yùn)行速度的不斷提高，在強(qiáng)側(cè)風(fēng)作用下，列車空氣動(dòng)力性能惡化，對(duì)列車安全運(yùn)行產(chǎn)生極其不利的影響［1－6］。在側(cè)風(fēng)作用下，列車在特大橋梁上極有可能發(fā)生傾覆事故。曾在日本山陰線的余步橋上，超過列車臨界傾覆風(fēng)速的強(qiáng)風(fēng)將列車吹至橋下，造成列車車輛、路軌、橋梁結(jié)構(gòu)受損及人員傷亡的災(zāi)難性交通事故［7］。我國(guó)蘭新鐵路自通車以來(統(tǒng)計(jì)至2002年)，因大風(fēng)而引起的列車脫軌、傾覆事故多達(dá)30起，吹翻貨車110輛，而因大風(fēng)引起的晚點(diǎn)、停運(yùn)造成的損失更是無法計(jì)算［8］。橋梁上的風(fēng)速和風(fēng)力相對(duì)于地面時(shí)更加強(qiáng)勁，車－橋的耦合效應(yīng)也使得列車所受的風(fēng)荷載更為不利。近年來由于大風(fēng)而引起的各種列車事故屢見不鮮，因此，為減少大風(fēng)對(duì)運(yùn)行于橋梁上列車的行車安全所造成的危害，應(yīng)該在高大橋梁上采取相應(yīng)的抗風(fēng)措施。設(shè)置擋風(fēng)墻及其他防風(fēng)設(shè)施，是保證風(fēng)區(qū)新建鐵路列車安全運(yùn)行的主要措施［9－13］。

1 數(shù)值計(jì)算理論及模型

側(cè)風(fēng)作用下車橋周圍流場(chǎng)采用三維粘性不可壓縮湍流流動(dòng)模擬。描述車橋周圍空氣流動(dòng)的控制方程包括質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量方程及湍流模型方程。在此，湍流模擬選用Realizable k－ε模型。方程具體形式見文獻(xiàn)［14］。

列車模型選取CRH2型高速列車，其外形復(fù)雜且長(zhǎng)細(xì)比較大，受計(jì)算機(jī)處理能力的限制，對(duì)列車模型進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化。高速列車中間部分橫截面的形狀保持不變，氣動(dòng)力的變化在列車中部趨于穩(wěn)定［15］。研究列車靜止于橋上各工況時(shí)，采用頭車+中間車+尾車的三節(jié)車簡(jiǎn)化模型，其中頭車和尾車的幾何外形完全一樣，且忽略列車外部突出物。橋梁以京滬高速鐵路32 m簡(jiǎn)支梁為研究對(duì)象，梁寬12.24 m，梁高3.628 m，墩高取10 m，橋梁選取三跨簡(jiǎn)支梁模型。

擋風(fēng)墻模擬采用以下假定:擋風(fēng)墻由一系列均勻分布的橫向欄桿代替，高度定義為擋風(fēng)墻頂面與橋面距離。因研究的擋風(fēng)墻高度及透風(fēng)率變化較多，這里僅給出部分高度3 m不同透風(fēng)率擋風(fēng)墻的示意圖，如圖1所示。擋風(fēng)墻形式表達(dá)為A m BC，其中A代表高度(m)，B代表透風(fēng)率(%)，C代表高度A和透風(fēng)率B下?lián)躏L(fēng)墻的欄桿數(shù)。

圖1 擋風(fēng)墻示意圖Fig.1 Schematic of wind－break wall

計(jì)算模型采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格來離散。在網(wǎng)格劃分過程中采取試算方法，對(duì)不同網(wǎng)格大小的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。列車表面網(wǎng)格取0.05～0.20 m，對(duì)車頭變化復(fù)雜的部位進(jìn)行局部加密，橋梁表面網(wǎng)格取0.15～0.40 m。對(duì)靠近列車與橋梁表面范圍的體網(wǎng)格進(jìn)行加密，體網(wǎng)格均選用Gambit的sizefunction完成。車橋網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分圖Fig.2 Mesh figure

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 雷諾數(shù)

根據(jù)雷諾數(shù)的定義Re=Vl/υ，假設(shè)運(yùn)動(dòng)粘度υ不變，可通過改變速度V和特征長(zhǎng)度l來改變雷諾數(shù)Re。Scanlan［16］指出，如果橋梁風(fēng)洞試驗(yàn)的縮尺比小于1∶300時(shí)，應(yīng)重視雷諾數(shù)效應(yīng)。20世紀(jì)80年代初，Schewe［17］在對(duì)圓柱的雷諾數(shù)、H形斷面與橋梁斷面進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)雷諾數(shù)效應(yīng)不同程度地存在于這些斷面。Schewe［17］通過對(duì)機(jī)翼、圓柱和橋梁斷面(大海帶東橋引橋)尾跡區(qū)形狀隨雷諾數(shù)變化研究認(rèn)為，雷諾數(shù)對(duì)三分力的影響體現(xiàn)在其對(duì)尾流形狀的影響。

在橋梁上設(shè)置擋風(fēng)墻后，車－橋系統(tǒng)的外形改變較大，有必要對(duì)雷諾數(shù)的影響進(jìn)行分析。這里以高4 m、透風(fēng)率20%擋風(fēng)墻為例，通過風(fēng)速和縮尺比的改變，計(jì)算了8種工況下列車的氣動(dòng)力系數(shù)。定義縮尺比為1∶25、風(fēng)速為10 m/s模型的雷諾數(shù)為1，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1結(jié)果表明，雷諾數(shù)對(duì)列車氣動(dòng)力有一定的影響。由于頭車外形比中車圓滑，頭車受影響更大。對(duì)頭車，工況1與工況3相比，側(cè)力系數(shù)相差6%，升力系數(shù)相差18%，傾覆力矩系數(shù)相差14%，說明模型尺寸與真實(shí)值越接近，計(jì)算所得結(jié)果越準(zhǔn)確。風(fēng)速增大，氣動(dòng)力系數(shù)減小，用某一風(fēng)速得出的結(jié)果應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行必要的調(diào)整才能與實(shí)際相符。雷諾數(shù)相同時(shí)氣動(dòng)力系數(shù)基本相同。

2.2 橋梁氣動(dòng)性能

在探討列車對(duì)有擋風(fēng)墻橋梁氣動(dòng)性能影響時(shí)，研究在安裝不同高度不透風(fēng)擋風(fēng)墻時(shí)，橫風(fēng)風(fēng)速10 m/s作用下，橋梁迎風(fēng)側(cè)有、無列車時(shí)橋梁的氣動(dòng)性能。圖3所示為橋梁節(jié)段氣動(dòng)力系數(shù)隨擋風(fēng)墻高度的變化曲線。

由圖3可知:隨著擋風(fēng)墻高度增大，有車橋梁的氣動(dòng)力系數(shù)開始增大，并逐漸超過無車橋梁，但兩者差別不大，說明擋風(fēng)墻超過一定高度后有車橋梁安全性要低于無車橋梁，因此，對(duì)于橋梁自身的安全性要加入列車的影響。同時(shí)，有車橋梁力矩系數(shù)在擋風(fēng)墻高度超過3.5 m以后基本不再變化。

擋風(fēng)墻與橋梁固結(jié)在一起，增加了擋風(fēng)面積。對(duì)側(cè)力，擋風(fēng)墻越高，迎風(fēng)面正壓力越大，背風(fēng)面負(fù)壓區(qū)域也增大，因而橋梁側(cè)力增大;對(duì)升力，橋梁上表面無擋風(fēng)墻時(shí)，風(fēng)自迎風(fēng)面翼緣被分流，在靠近迎風(fēng)面部分形成很大的負(fù)壓，隨后慢慢減小;有擋風(fēng)墻時(shí)，風(fēng)自擋風(fēng)墻頂端被分流，橋梁上表面形成覆蓋橫向的大型漩渦，整個(gè)橋面形成較大的且數(shù)值相當(dāng)?shù)呢?fù)壓，靠近迎風(fēng)側(cè)負(fù)壓小于無擋風(fēng)墻時(shí)，靠近背風(fēng)側(cè)負(fù)壓大于無擋風(fēng)墻時(shí)。下表面都是靠近迎風(fēng)側(cè)負(fù)壓大，靠近背風(fēng)側(cè)負(fù)壓小，總體上有擋風(fēng)墻時(shí)比無擋風(fēng)墻時(shí)負(fù)壓大;無擋風(fēng)墻時(shí)，由于上表面靠近迎風(fēng)面部分負(fù)壓大得很明顯，所以，整體上無擋風(fēng)墻時(shí)升力大，而不同高度的擋風(fēng)墻對(duì)橋梁上下表面的影響無太大差別，升力變化不明顯;對(duì)力矩，無擋風(fēng)墻時(shí)側(cè)力較小，但是升力作用點(diǎn)離矩心遠(yuǎn)，且為正，力矩較大;當(dāng)擋風(fēng)墻高度大于1.5 m時(shí)，側(cè)力有所增大，且作用點(diǎn)向上移，使得力矩正向增大，但是升力減小，且作用點(diǎn)相比無擋風(fēng)墻時(shí)更靠近矩心，綜合而使力矩減小。隨著擋風(fēng)墻高度的增大，側(cè)力不斷增大，側(cè)力作用點(diǎn)不斷往上移，升力變化較小。側(cè)力是制約力矩變化的主要因素，因而，力矩隨著側(cè)力的增加而增大。

表1 不同雷諾數(shù)下列車氣動(dòng)力系數(shù)Table 1 Aerodynamic coefficients of train under different Reynolds numbers

表2 橫風(fēng)下不同欄桿擋風(fēng)墻對(duì)列車氣動(dòng)性能影響Table 2 Influence of differentwind－break wall＇s railings on train aerodynamic coefficient under cross－wind

圖3 橋梁節(jié)段氣動(dòng)力系數(shù)與擋風(fēng)墻高度的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between aerodynamic coefficient of bridge segment and height ofwind－break walls

2.3 等價(jià)透風(fēng)率

等價(jià)透風(fēng)率即擋風(fēng)墻高度、透風(fēng)率相同，只有欄桿數(shù)量不同的情況。表2所示為橫風(fēng)風(fēng)速10 m/s作用下，擋風(fēng)墻高度分別為3.5m和4.0 m，透風(fēng)率為40%，欄桿數(shù)量分別為5，6和7時(shí)列車的氣動(dòng)力系數(shù)

從表2可以看出:頭車和中車的側(cè)力系數(shù)隨著欄桿數(shù)量的增加有減小的趨勢(shì)，但降幅不大;頭車和中車的升力系數(shù)隨著欄桿數(shù)量的增加有增大的趨勢(shì)，但增幅亦不大。隨著欄桿數(shù)量的增加，頭車和中車的側(cè)力和升力變化趨勢(shì)是相反的。在它們的共同作用下，傾覆力矩系數(shù)變小，變化量相對(duì)微弱，在3%以內(nèi)?？傮w來講，在等價(jià)透風(fēng)率下欄桿數(shù)量多的擋風(fēng)墻擋風(fēng)效果要比欄桿數(shù)量少的擋風(fēng)墻擋風(fēng)效果優(yōu)。

2.4 高度和透風(fēng)率

側(cè)風(fēng)主要影響列車編組中頭車的運(yùn)行安全性，或者說側(cè)風(fēng)對(duì)列車運(yùn)行安全性的影響主要由頭車來體現(xiàn)［3］。在風(fēng)速10 m/s橫風(fēng)作用下，對(duì)不同高度和透風(fēng)率擋風(fēng)墻下頭車氣動(dòng)性能的變化規(guī)律進(jìn)行了研究，結(jié)果如圖4所示。圖4中每條曲線代表在同一透風(fēng)率下列車氣動(dòng)力系數(shù)隨擋風(fēng)墻高度的變化趨勢(shì)?？傮w而言，3節(jié)車氣動(dòng)性能變化趨勢(shì)一致。在橋面加設(shè)擋風(fēng)墻后，各節(jié)車氣動(dòng)性能有了明顯的改善。在相同透風(fēng)率時(shí)，列車氣動(dòng)力系數(shù)隨著擋風(fēng)墻高度的變化而迅速減小，但擋風(fēng)墻高度大于3.5 m時(shí)減小程度已不再明顯，說明擋風(fēng)墻高度并非越高越好，而是有一個(gè)合理的高度范圍內(nèi)。在同一高度擋風(fēng)墻下，列車氣動(dòng)力系數(shù)隨著透風(fēng)率的增大而增大。

2.5 風(fēng)偏角

由前面的分析知，高度為4 m、透風(fēng)率為25%的擋風(fēng)墻對(duì)列車的擋風(fēng)效果最好。設(shè)置此種擋風(fēng)墻，在合成風(fēng)速100 m/s下，對(duì)不同風(fēng)偏角下列車的氣動(dòng)力進(jìn)行研究。合成風(fēng)速原理如圖5所示，列車視為靜止，將環(huán)境風(fēng)速和車速的反向速度進(jìn)行矢量合成，得到合成風(fēng)速［6］。圖5中:w為環(huán)境風(fēng)速; v為車速;u為合成風(fēng)速;α為風(fēng)向角;β為風(fēng)偏角。圖6所示為頭車、中車、尾車的氣動(dòng)力系數(shù)隨風(fēng)偏角的變化曲線。

由圖6可知:對(duì)側(cè)力系數(shù)，當(dāng)風(fēng)偏角較小時(shí)，有頭車、中車和尾車的側(cè)力系數(shù)儀次減小，且三者變化規(guī)律不一致。中車隨著風(fēng)偏角的增大而近似線性增加，75°以后其值超過頭車;頭車變化曲線為上凸形，4 m 25擋風(fēng)墻75°時(shí)最大;尾車變化曲線為下凸形，風(fēng)偏角小于45°時(shí)為負(fù)值，30°時(shí)達(dá)到負(fù)向最大;90°時(shí)頭車和尾車的側(cè)力系數(shù)基本一樣，與無擋風(fēng)墻時(shí)分析結(jié)果一致。對(duì)升力系數(shù):4 m 25擋風(fēng)墻下風(fēng)偏角小于60°時(shí)，頭車、中車和尾車的升力系數(shù)依次減小，大于60°后與側(cè)力變化規(guī)律一致。對(duì)力矩系數(shù)，變化規(guī)律與側(cè)力系數(shù)的變化規(guī)律基本一致。

圖4 擋風(fēng)墻高度與列車氣動(dòng)力系數(shù)關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between train aerodynamic coefficient and height ofwind－break wall

圖5 合成風(fēng)速原理Fig.5 Compounded wind velocity principle

圖6 列車氣動(dòng)力系數(shù)與風(fēng)偏角的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between aerodynamic coefficients of train and wind deflection angles

頭車側(cè)力系數(shù)計(jì)算值的多項(xiàng)式擬合曲線如圖7所示。從圖7可見:頭車的側(cè)力系數(shù)可以用五次多項(xiàng)式很好地?cái)M合，中車和尾車側(cè)力系數(shù)也同樣適用此種多項(xiàng)式擬合。

圖7 擬合曲線Fig.7 Fitting curve

3 結(jié)論

(1)雷諾數(shù)對(duì)列車氣動(dòng)力有一定的影響。由于頭車外形比中車圓滑，頭車受影響更大。

(2)擋風(fēng)墻高度的增加會(huì)使作用于橋梁上的側(cè)力和力矩系數(shù)增大，升力系數(shù)則變化不明顯。側(cè)力是制約力矩變化的主要因素。

(3)在等價(jià)透風(fēng)率下，欄桿數(shù)量多的擋風(fēng)墻擋風(fēng)效果要比欄桿數(shù)量少擋風(fēng)墻的擋風(fēng)效果優(yōu)。

(4)在橋面加設(shè)擋風(fēng)墻后，各節(jié)車氣動(dòng)性能有了明顯的改善。在相同透風(fēng)率時(shí)，列車氣動(dòng)力系數(shù)隨著擋風(fēng)墻高度的變化而迅速減小，但當(dāng)擋風(fēng)墻高度大于3.5m時(shí)，減小程度已不再明顯。在同一高度擋風(fēng)墻下，列車氣動(dòng)力系數(shù)隨著透風(fēng)率的增大而增大。

(5)風(fēng)偏角對(duì)列車氣動(dòng)性能的影響規(guī)律基本一致。各節(jié)車的側(cè)力系數(shù)可用五次多項(xiàng)式很好地?cái)M合。

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