蘭新鐵路第二雙線擋風(fēng)墻防風(fēng)效果仿真分析

劉 磊，李紅梅，侯福國，付連著

(中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京 100081)

蘭新鐵路第二雙線擋風(fēng)墻防風(fēng)效果仿真分析

劉 磊，李紅梅，侯福國，付連著

(中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京 100081)

利用CFD ICEM建立蘭新鐵路第二雙線V區(qū)(大風(fēng)頻繁區(qū))路堤、路塹地段4.0 m擋風(fēng)墻和槽形梁兩側(cè)3.5 m高擋風(fēng)墻計算模型，采用流體力學(xué)軟件FLUENT對不同型式的防風(fēng)結(jié)構(gòu)的防風(fēng)效果開展仿真分析。結(jié)果表明:環(huán)境風(fēng)遭遇擋風(fēng)墻阻擋，氣流沿著擋風(fēng)墻上部自由空間移動，形成加速效應(yīng)，使得吹至擋風(fēng)墻上部的環(huán)境風(fēng)被加速放大;環(huán)境風(fēng)吹過擋風(fēng)墻后風(fēng)速明顯減小，擋風(fēng)墻有效遮蔽了環(huán)境風(fēng)，防風(fēng)效果明顯;路堤擋風(fēng)墻后環(huán)境風(fēng)速殘余系數(shù)在0.3～0.6，路塹擋風(fēng)墻后環(huán)境風(fēng)速殘余系數(shù)在0.25～0.50，橋梁兩側(cè)擋風(fēng)墻后環(huán)境風(fēng)速殘余系數(shù)在0.3以下，橋梁兩側(cè)擋風(fēng)墻防風(fēng)效果優(yōu)于路堤和路塹擋風(fēng)墻。

蘭新鐵路第二雙線 大風(fēng)區(qū) 擋風(fēng)墻 防風(fēng)效果 環(huán)境風(fēng)速殘余系數(shù)

蘭新鐵路第二雙線是我國《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》的重點項目之一，東起蘭州，西至烏魯木齊，橫跨甘肅、青海、新疆維吾爾自治區(qū)三省區(qū)，線路全長1 776 km。該線所經(jīng)地區(qū)屬中溫帶干旱大陸性氣候區(qū)，春、秋多大風(fēng)，是世界上穿越風(fēng)區(qū)最長的鐵路。全線通過安西風(fēng)區(qū)、煙墩風(fēng)區(qū)、百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)、達坂城風(fēng)區(qū)五大風(fēng)區(qū)，長度合計579.6 km，占線路全長的32.6%［1］。

由于特殊的地理環(huán)境，既有蘭新鐵路自建成通車起就飽受大風(fēng)災(zāi)害的威脅，僅因風(fēng)災(zāi)所造成的列車脫軌、傾覆事故就達數(shù)十起，其它因大風(fēng)所造成的諸如列車停運、限速等問題更是十分普遍，每年因大風(fēng)停運造成的直接經(jīng)濟損失達2億多元［2］。為了提高蘭新鐵路第二雙線的防風(fēng)能力，保證線路開通后列車的安全運行，需要對其防風(fēng)工程的防風(fēng)效果進行研究。

本文以計算流體動力學(xué)為基礎(chǔ)，利用 CFD ICEM建立蘭新鐵路第二雙線V區(qū)(大風(fēng)頻繁區(qū))路堤、路塹地段4.0 m擋風(fēng)墻和槽形梁兩側(cè)3.5 m高擋風(fēng)墻計算模型，采用流體力學(xué)軟件FLUENT對不同型式的防風(fēng)結(jié)構(gòu)的防風(fēng)效果開展仿真分析，為進一步優(yōu)化防風(fēng)工程和大風(fēng)條件下鐵路運營管理相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定提供技術(shù)支持。

1 防風(fēng)工程概述

蘭新鐵路第二雙線風(fēng)區(qū)受地形地貌引起的狹管效應(yīng)、下坡風(fēng)和局地大氣對流的影響較大，具有風(fēng)速高、風(fēng)期長、季節(jié)性強、風(fēng)向穩(wěn)定、起風(fēng)速度快等特點。風(fēng)區(qū)最大瞬時風(fēng)速達60 m/s，局部地段大于8級風(fēng)的天數(shù)超過了200 d，風(fēng)向穩(wěn)定且主風(fēng)向大約在 NW0°～20°。

根據(jù)大風(fēng)觀測報告，綜合考慮瞬時風(fēng)速、2 min平均最大風(fēng)速、10 min平均最大風(fēng)速，結(jié)合沿線地形地貌、植被情況，參考既有鐵路、公路對應(yīng)段落風(fēng)害情況，分析沿線大氣環(huán)流特征及風(fēng)蝕影像(衛(wèi)星、航片)特征，對大風(fēng)區(qū)防風(fēng)工程進行分區(qū)，分為I區(qū)(大風(fēng)極少區(qū))、Ⅱ區(qū)(大風(fēng)低發(fā)區(qū))、Ⅲ區(qū)(大風(fēng)一般區(qū))、Ⅳ區(qū)(大風(fēng)易發(fā)區(qū))、V區(qū)(大風(fēng)頻繁區(qū))［3-6］。

防風(fēng)工程的總體設(shè)計原則:以大風(fēng)條件下列車基本不停運、盡量少限速為運營目標(biāo)，在大風(fēng)區(qū)已主動防風(fēng)為主，通過合理的防風(fēng)工程最大程度地減弱大風(fēng)對列車運行的影響。

根據(jù)不同的大風(fēng)設(shè)計分區(qū)采取相應(yīng)的防風(fēng)措施，Ⅰ區(qū)未設(shè)置防風(fēng)工程，根據(jù)風(fēng)力、風(fēng)向、頻率、地形及線路條件，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ區(qū)路基設(shè)置了不同型式及高度的擋風(fēng)墻，橋梁設(shè)置了不同透風(fēng)率及高度的擋風(fēng)墻。

路基擋風(fēng)墻采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主要有懸臂式、扶臂式、柱板式3種類型，墻高有3.5，4.0 m兩種，插板厚度有18，20，22 cm 3種。根據(jù)橋梁所處風(fēng)區(qū)和橋面高度，擋風(fēng)墻高有3.5，4.0 m兩種，立柱及波形板鋼材采用耐候鋼，其中百里風(fēng)區(qū)采用槽形梁，槽形梁兩側(cè)設(shè)3.5 m高擋風(fēng)墻［7-10］。

2 模型的建立

本文利用CFD ICEM建立蘭新鐵路第二雙線V區(qū)(大風(fēng)頻繁區(qū))路堤、路塹地段4.0 m高擋風(fēng)墻和槽形梁兩側(cè)3.5 m高擋風(fēng)墻計算模型。為了考慮流場的充分發(fā)展，計算區(qū)域應(yīng)遠大于模型尺寸，所以計算中選取80 m×200 m為計算區(qū)域。由于風(fēng)區(qū)風(fēng)速一般＜60 m/s，馬赫數(shù)＜0.3，空氣流動按不可壓縮流處理。以大風(fēng)風(fēng)速30 m/s作為入口速度邊界條件，大風(fēng)風(fēng)速為定值，并假定擋風(fēng)墻周圍流場為定常流［11-13］。出口邊界選擇壓力出口，出口壓力為大氣壓。擋風(fēng)墻、地面及計算區(qū)域頂面按光滑壁面處理，給定無滑移邊界條件。

空間流場處于湍流狀態(tài)，采用工程上應(yīng)用較廣的k－ε雙方程模型進行計算。采用SIMPLE算法進行計算求解［14-15］。它是一種主要用于求解不可壓縮流場的數(shù)值計算方法。其基本思想是:對給定的壓力場求解離散形式的動量方程，得到速度場。由壓力修正方程得出壓力修正值，通過修正后的壓力場得到新的速度值，然后檢查是否收斂，若不收斂繼續(xù)迭代計算，如此反復(fù)直到計算結(jié)果收斂為止。

3 擋風(fēng)墻防風(fēng)效果仿真分析

3.1 路堤擋風(fēng)墻

仿真計算得到的路堤擋風(fēng)墻周圍流場分布如圖1所示。外部吹來的環(huán)境風(fēng)，行進至路堤迎風(fēng)坡一側(cè)后，遭遇路堤和擋風(fēng)墻阻擋，氣流沿著路堤迎風(fēng)坡向擋風(fēng)墻上部自由空間移動，形成了加速效應(yīng)，使得吹至擋風(fēng)墻上部的環(huán)境風(fēng)遭遇阻擋后風(fēng)速被加速放大。路堤擋風(fēng)墻后軌道上方風(fēng)速較小，表明路堤擋風(fēng)墻有效遮蔽了環(huán)境風(fēng)，防風(fēng)效果明顯。環(huán)境風(fēng)繞流越過擋風(fēng)墻后，在背風(fēng)側(cè)路堤坡面附近形成渦流，遠離擋風(fēng)墻一側(cè)軌道外風(fēng)速增大。

為了全面反映路堤擋風(fēng)墻周圍流場的分布，計算路堤擋風(fēng)墻外迎風(fēng)側(cè)路肩l=1.5 m處(l為距擋風(fēng)墻外側(cè)面的距離，以擋風(fēng)墻外側(cè)面為基準(zhǔn)，擋風(fēng)墻外側(cè)為正，內(nèi)側(cè)為負，以下同)、迎風(fēng)側(cè)坡腳l=7.2 m處和擋風(fēng)墻內(nèi)車輛限界外緣 l=－2.1，－8.2，－13.6 m處、背風(fēng)側(cè)坡腳l=－20.7 m，高度h=1，2，3，4，5，6 m處(以軌面為基準(zhǔn)，以下同)的流場風(fēng)速，結(jié)果如圖2所示。環(huán)境風(fēng)速30 m/s時仿真計算結(jié)果如表1所示，擋風(fēng)墻的防風(fēng)效果可以用環(huán)境風(fēng)速殘余系數(shù)(計算風(fēng)速與環(huán)境風(fēng)速之比)表示，環(huán)境風(fēng)速殘余系數(shù)越小，防風(fēng)效果越好。由于環(huán)境風(fēng)遭遇路堤和擋風(fēng)墻阻擋產(chǎn)生加速效應(yīng)，風(fēng)速在擋風(fēng)墻外上部增大，擋風(fēng)墻外迎風(fēng)側(cè)路肩 l=1.5 m、高度 h=6 m處環(huán)境風(fēng)速殘余系數(shù)1.14。路堤擋風(fēng)墻后軌道上方(l=－2.1～－13.6 m)風(fēng)速較小，風(fēng)速殘余系數(shù)在0.3～0.6，環(huán)境風(fēng)經(jīng)過擋風(fēng)墻后風(fēng)速減小，擋風(fēng)墻有效遮蔽了環(huán)境風(fēng)，路堤擋風(fēng)墻防風(fēng)效果明顯。

圖1 路堤擋風(fēng)墻周圍流場分布

圖2 環(huán)境風(fēng)速30 m/s時路堤擋風(fēng)墻不同位置計算風(fēng)速

表1 環(huán)境風(fēng)速30 m/s時路堤擋風(fēng)墻周圍流場風(fēng)速和風(fēng)速殘余系數(shù)

3.2 路塹擋風(fēng)墻

仿真計算得到的路塹擋風(fēng)墻周圍流場分布如圖3所示。與路堤擋風(fēng)墻類似，外部吹來的環(huán)境風(fēng)，遭遇擋風(fēng)墻阻擋，氣流在擋風(fēng)墻上部自由空間移動，形成了加速效應(yīng)，使得吹至擋風(fēng)墻上部的環(huán)境風(fēng)遭遇阻擋后風(fēng)速被加速放大。然而由于路塹具有天然防風(fēng)效果，路塹擋風(fēng)墻的遮蔽范圍比路堤擋風(fēng)墻大得多，防風(fēng)效果也更加明顯。環(huán)境風(fēng)繞流越過路塹擋風(fēng)墻之后，在路塹擋風(fēng)墻一側(cè)坡面附近形成渦流，沿著路塹坡面向下吹，在遠離擋風(fēng)墻一側(cè)形成一個渦流風(fēng)。

圖3 路塹擋風(fēng)墻周圍流場分布

為了全面反映路塹擋風(fēng)墻周圍流場的分布，計算路塹擋風(fēng)墻外迎風(fēng)側(cè)路肩 l=1.5 m處和擋風(fēng)墻內(nèi)右側(cè)塹頂 l=－2.1 m處、車輛限界外緣 l=－12.4，－18.9，－25.4 m處、左側(cè)塹頂l=－33.6 m，高度h= 1，2，3，4，5，6 m處的流場風(fēng)速，結(jié)果如圖4所示。環(huán)境風(fēng)速30 m/s時仿真計算結(jié)果如表2所示。由于環(huán)境風(fēng)遭遇擋風(fēng)墻阻擋產(chǎn)生加速效應(yīng)，風(fēng)速在擋風(fēng)墻外上部增大，擋風(fēng)墻外迎風(fēng)側(cè)路肩 l=1.5 m、高度 h= 6 m處，環(huán)境風(fēng)速殘余系數(shù)1.05。路塹擋風(fēng)墻后軌道上方(l=－12.4～－25.4 m)風(fēng)速較小，風(fēng)速殘余系數(shù)在0.25～0.50，環(huán)境風(fēng)經(jīng)過擋風(fēng)墻后風(fēng)速減小，擋風(fēng)墻有效遮蔽了環(huán)境風(fēng)，路塹擋風(fēng)墻防風(fēng)效果明顯。由于路塹具有天然防風(fēng)作用，路塹擋風(fēng)墻的遮蔽范圍和防風(fēng)效果要優(yōu)于路堤擋風(fēng)墻。

圖4 環(huán)境風(fēng)速30 m/s時路塹擋風(fēng)墻不同位置計算風(fēng)速

表2 環(huán)境風(fēng)速30 m/s時路塹擋風(fēng)墻周圍流場風(fēng)速和環(huán)境風(fēng)速殘余系數(shù)

3.3 橋梁兩側(cè)擋風(fēng)墻

仿真計算得到的橋梁兩側(cè)擋風(fēng)墻周圍流場分布如圖5所示。擋風(fēng)墻頂部為充分自由空間，環(huán)境風(fēng)吹來時大部分通過頂部自由空間繞流而過，而擋風(fēng)墻中部為阻擋空間，環(huán)境風(fēng)受到擋風(fēng)墻的阻擋，除了小部分會透過擋風(fēng)墻開孔耗散以外，大部分被擋風(fēng)墻遮擋，使得橋梁兩側(cè)擋風(fēng)墻的內(nèi)部空間具有較好的防風(fēng)效果。

圖5 橋梁兩側(cè)擋風(fēng)墻周圍流場分布

為了全面反映橋梁兩側(cè)擋風(fēng)墻周圍流場的分布，計算擋風(fēng)墻內(nèi)車輛限界外緣l=－1.2，－6.1，－11.0 m，高度h=1，2，3，4，5，6 m處的流場風(fēng)速，結(jié)果如圖6所示。環(huán)境風(fēng)速30 m/s時仿真計算結(jié)果如表3所示。橋梁兩側(cè)擋風(fēng)墻內(nèi)軌道上方(l=－1.2～－11.0 m)風(fēng)速較小，風(fēng)速殘余系數(shù)在0.3以下，環(huán)境風(fēng)經(jīng)過擋風(fēng)墻后風(fēng)速減小，擋風(fēng)墻有效遮蔽了環(huán)境風(fēng)，橋梁兩側(cè)擋風(fēng)墻防風(fēng)效果明顯。橋梁擋風(fēng)墻的防風(fēng)效果優(yōu)于路塹擋風(fēng)墻。

圖6 環(huán)境風(fēng)速30 m/s時橋梁兩側(cè)擋風(fēng)墻不同位置計算風(fēng)速

表3 環(huán)境風(fēng)速30 m/s時橋梁兩側(cè)擋風(fēng)墻周圍流場風(fēng)速和環(huán)境風(fēng)速殘余系數(shù)

4 結(jié)論

1)路堤擋風(fēng)墻、路塹擋風(fēng)墻和槽形梁兩側(cè)擋風(fēng)墻3種防風(fēng)結(jié)構(gòu)的流場分布基本相同。環(huán)境風(fēng)遭遇擋風(fēng)墻阻擋，氣流沿著擋風(fēng)墻上部自由空間移動，形成加速效應(yīng)，使得吹至擋風(fēng)墻上部的環(huán)境風(fēng)遭遇阻擋后加速放大;環(huán)境風(fēng)吹過擋風(fēng)墻后風(fēng)速明顯減小，擋風(fēng)墻有效遮蔽了環(huán)境風(fēng)，防風(fēng)效果明顯。

2)路堤擋風(fēng)墻后環(huán)境風(fēng)速殘余系數(shù)在0.3～0.6，路塹擋風(fēng)墻后環(huán)境風(fēng)速殘余系數(shù)在0.25～0.50，橋梁兩側(cè)擋風(fēng)墻后環(huán)境風(fēng)速殘余系數(shù)在0.3以下，橋梁兩側(cè)擋風(fēng)墻防風(fēng)效果優(yōu)于路堤和路塹擋風(fēng)墻。

［1］拉有玉，李永樂，何向東.蘭新鐵路第二雙線防風(fēng)技術(shù)及工程設(shè)計［J］.石家莊鐵道學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010(4): 104-108.

［2］錢征宇.西北地區(qū)鐵路大風(fēng)災(zāi)害及其防治對策［J］.中國鐵路，2009(3):1-14.

［3］孫成訪，董漢雄，胡智煒.蘭新鐵路百里風(fēng)區(qū)擋風(fēng)墻設(shè)計［J］.鐵道建筑，2009(6):93-95.

［4］葛盛昌，蔣富強.蘭新鐵路強風(fēng)地區(qū)風(fēng)沙成因及擋風(fēng)墻防風(fēng)效果分析［J］.鐵道工程學(xué)報，2009(5):1-4.

［5］姜翠香，梁習(xí)鋒.擋風(fēng)墻高度和設(shè)置位置對車輛氣動性能的影響［J］.中國鐵道科學(xué)，2006(2):66-70.

［6］楊斌，劉堂紅，楊明智.大風(fēng)區(qū)鐵路擋風(fēng)墻合理設(shè)置［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2011，8(3):67-72.

［7］盛智平.蘭新鐵路防風(fēng)明洞結(jié)構(gòu)形式設(shè)計研究［J］.鐵道建筑，2011(4):80-82.

［8］吳江.蘭新鐵路百里風(fēng)區(qū)風(fēng)沙災(zāi)害防治技術(shù)研究［J］.中國鐵路，2011(11):29-31.

［9］高廣軍，田紅旗，姚松，等.蘭新線強風(fēng)對車輛傾覆穩(wěn)定性的影響［J］.鐵道學(xué)報，2004，26(4):36-40.

［10］馬淑紅，馬韞娟，程先東，等.我國高速鐵路沿線強風(fēng)區(qū)間的確定方法及風(fēng)險評估［J］.鐵道工程學(xué)報，2011(3):37-45.

［11］李鎖平.哈密至將軍廟鐵路大風(fēng)觀測與研究［J］.鐵道建筑，2014(5):150-153.

［12］譙澤診.蘭新鐵路既有防風(fēng)設(shè)施薄弱地段的分析及改造［J］.中國鐵路，2012(10):65-68.

［13］李熒.蘭新線百里風(fēng)區(qū)不同型式擋風(fēng)墻防風(fēng)效果評估［J］.鐵道技術(shù)監(jiān)督，2012(1):34-38.

［14］龐巧東，程建軍，蔣富強，等.戈壁鐵路擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)流場特征與擋風(fēng)功效研究［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2011(2):1-4.

［15］田紅旗.列車空氣動力學(xué)［M］.北京:中國鐵道出版社，2007.

(責(zé)任審編 葛全紅)

U213.1;TU352.2

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.24

2015-08-10;

:2015-09-20

劉磊(1984— )，男，助理研究員，博士。

1003-1995(2015)11-0080-04