高速鐵路防風(fēng)柵的擋風(fēng)效果數(shù)值模擬研究①

沈廣旭， 金阿芳， 聞騰騰

(新疆大學(xué)機械工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047)

0 引 言

我國于2014年底開通的蘭新第二雙線鐵路，全長1776km，其中蘭新線風(fēng)區(qū)長525km。這些風(fēng)區(qū)具有風(fēng)速大、風(fēng)期長、起風(fēng)速度快的特點,由于風(fēng)區(qū)內(nèi)風(fēng)力強勁，對鐵路列車運行安全及運輸暢通構(gòu)成了嚴重威脅。最近幾年，鐵路工作者們提出了多種防沙方法，取得了較好的防沙效果，為蘭新高速鐵路風(fēng)沙防治起到了一定的借鑒作用[1～3]。國內(nèi)外學(xué)者對防風(fēng)柵做了一些研究。如李鋒[4]研究了多孔介質(zhì)模型防風(fēng)柵相關(guān)參數(shù)的選取；李波[5]采用數(shù)值模擬的方法研究了防風(fēng)柵對高速列車的擋風(fēng)效果；Maruyama[6]實現(xiàn)了利用大渦模型模擬防風(fēng)柵流場的方法； Andrija[7]等通過風(fēng)洞試驗，分析了防風(fēng)柵孔隙率和高度對大跨度斜拉橋氣動彈性特性的影響。防風(fēng)柵具有導(dǎo)風(fēng)作用，相較于擋風(fēng)墻而言，可能具有更好的擋風(fēng)效果，防風(fēng)柵的設(shè)計參數(shù)決定著防風(fēng)效果的優(yōu)劣。利用FLUENT軟件，保持防風(fēng)柵的高度4m不變，對3種孔隙率防風(fēng)柵的擋風(fēng)效果進行數(shù)值模擬，對模擬的結(jié)果進行分析，希望為鐵路工程維養(yǎng)和新線建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 理論和方法

1.1 控制方程

對風(fēng)場的模擬是穩(wěn)態(tài)的，湍流模型采用標準k-ε模型。k方程、ε方程、與動量方程、能量方程、連續(xù)相方程共同構(gòu)成了空氣流動與換熱的控制方程。

動量方程：

(1)

式中：p為靜壓,τij為應(yīng)力張量,ρgi是i方向的重力分量,Fi是由于阻力和能源而引起的其他能源項.能量方程：

(2)

式中：cp為比熱容,T為溫度設(shè)為常溫,k為流體的傳熱系數(shù)設(shè)為20W/(m2·K),ST為流體為粘性作用的粘性耗散項.

連續(xù)相方程：

(3)

式中：ρ為流體的密度即空氣的密度,ui為流體速度沿i方向的分量.

k和ε是兩個基本的未知量,對應(yīng)的輸運方程為:

(4)

Gk是由于平均速度梯度引的湍流動能k的產(chǎn)生項：

(5)

Gb是由于浮力引起的湍流動能k的產(chǎn)生項：

(6)

式中：cμ=0.09，湍流能k對應(yīng)Prandtl數(shù)σk=1.0，耗散率ε對應(yīng)的Prandtl數(shù)σε=1.3，c1=1.44，c2=1.92。YM代表可壓湍流中脈動擴張的貢獻,Sk和Si是自定義參數(shù).

1.2 模型建立

以新疆蘭新雙線鐵路為工程背景，對線路上高4m的防風(fēng)柵進行研究。由于做流場分析，對于鋼立柱做了簡化處理。通過三維建模軟件建立防風(fēng)柵三維模型。模型長×寬×高=10m×0.2m×4m，孔隙率分別為12.56%、20.60%、30.66%，孔隙率計算公式為：φ=孔隙總面積/防風(fēng)柵總面積。開孔形狀為圓形，排列方式為陣列排列方式。3種孔隙率防風(fēng)柵開孔形式如圖1所示：

(a)孔隙率為12.56% (b)孔隙率為20.60%

1.3 計算區(qū)域和網(wǎng)格劃分

計算域取長×寬×高=10m×50m×8m。防風(fēng)柵距離入口邊界20m，距離出口邊界30m。導(dǎo)入Meshing中進行網(wǎng)格劃分，物理運算環(huán)境為CFD,對防風(fēng)柵進行了細化。以孔隙率為12.56%的防風(fēng)柵為例，劃分網(wǎng)格后，節(jié)點數(shù)為46萬，網(wǎng)格單元數(shù)為218萬，計算域尺寸和計算域網(wǎng)格如圖2(a)和(b)所示：

圖2 (a)計算域尺寸 圖2(b)計算域網(wǎng)格

圖3 邊界條件

1.4 邊界條件

邊界條件給定如下：入口邊界類型為速度入口(Velocity—Inlet)，定義入口風(fēng)速為20m/s；出口邊界類型為壓力出口(Pressure—outlet)，設(shè)置靜壓為0Pa；計算域其他面采用無滑移的壁面邊界(Wall),邊界條件如圖3所示：

2 結(jié)果分析

2.1 壓力云圖分析

通過對比3種孔隙率防風(fēng)柵對稱面上的壓力云圖和壓力曲線圖可知，隨著孔隙率的增大，在防風(fēng)柵前面壓力逐漸減小，最大值由1150Pa(孔隙率為12.56%)降到了870Pa(孔隙率為30.66%)。在防風(fēng)柵后面，隨著孔隙率增大，壓力云圖的顏色由深色變?yōu)榱藴\色，最大負壓的值也在減小，由1260Pa(孔隙率為12.56%)降到了916Pa(孔隙率為30.66%)，這是因為在孔隙率增大以后，防風(fēng)柵對風(fēng)的阻擋作用減弱。

圖4 不同孔隙率計算域?qū)ΨQ面上壓力云圖

圖5 不同孔隙率計算域?qū)ΨQ面上速度云圖

圖6 不同孔隙率的防風(fēng)柵后鐵路中心線的風(fēng)壓

2.2 速度云圖分析

通過對比3種孔隙率防風(fēng)柵對稱面上的速度云圖可知，隨著孔隙率的增大，在防風(fēng)柵高度以上的加速區(qū)空間，風(fēng)速有所減小，由59.4m/s降到53.1m/s再降到47.1m/s。這是因為孔隙率增大以后，防風(fēng)柵的透風(fēng)性增加，正面而來的風(fēng)受到防風(fēng)柵的阻擋變小，因此在上揚區(qū)風(fēng)速會呈現(xiàn)減小的趨勢。由速度曲線圖可知，在防風(fēng)柵后，風(fēng)速整體上呈現(xiàn)出先增大后減小再增大的規(guī)律。

2.3 鐵路中心線風(fēng)壓分析

為了研究孔隙率對防風(fēng)柵后鐵路中心線風(fēng)壓的影響，對比了孔隙率分別為12.56%、20.60%、30.66%，高度相同(h=4m)的防風(fēng)柵數(shù)值模擬結(jié)果，通過從fluent中導(dǎo)出的數(shù)據(jù)，得到鐵路中心線上的壓力云圖如圖所示：

分析上圖不同孔隙率的防風(fēng)柵后鐵路中心線的風(fēng)壓曲線圖，可以得到以下結(jié)論：不同孔隙率防風(fēng)柵的遮風(fēng)效果存在明顯的差異。當防風(fēng)柵的孔隙率從12.56%增加到20.60%時，鐵路中心線上距地面0～6m范圍內(nèi)，壓力變化較大；當防風(fēng)柵的孔隙率從20.60%增加到30.66%時，0～6m范圍內(nèi)，壓力變化較小。隨著防風(fēng)柵孔隙率的增加，防風(fēng)柵對風(fēng)壓的減弱效果變差，建議防風(fēng)柵的孔隙率不要超過某一個值。從圖中也可以看出，4m高的防風(fēng)柵擋風(fēng)范圍在1.5倍防風(fēng)柵高度，即6m高。

3 結(jié) 語

通過對高速鐵路防風(fēng)柵擋風(fēng)效果進行數(shù)值模擬，得到如下結(jié)論：

(1)隨著孔隙率的增大，在防風(fēng)柵高度以上的加速區(qū)空間，風(fēng)速有所減小，由59.4m/s降到53.1m/s再降到47.1m/s。在防風(fēng)柵后，風(fēng)速整體上呈現(xiàn)出先增大后減小再增大的規(guī)律。

(2)隨著防風(fēng)柵孔隙率的增加，防風(fēng)柵的擋風(fēng)減弱效果變差，建議防風(fēng)柵的孔隙率不宜太大。

(3)4m高的防風(fēng)柵擋風(fēng)范圍在1.5倍防風(fēng)柵高度，即6m高。