高速鐵路擋風(fēng)墻防風(fēng)特性風(fēng)洞試驗(yàn)及優(yōu)化比選

李鯤，梁習(xí)鋒，楊明智

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高速鐵路擋風(fēng)墻防風(fēng)特性風(fēng)洞試驗(yàn)及優(yōu)化比選

李鯤，梁習(xí)鋒，楊明智

(中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙，410075)

基于列車穿越大風(fēng)區(qū)時(shí)其氣動(dòng)力顯著增大，可能導(dǎo)致列車脫軌及傾覆等事故，采用風(fēng)洞試驗(yàn)方法研究不同高度擋風(fēng)墻下動(dòng)車組氣動(dòng)特性和觸網(wǎng)處風(fēng)速，分析大風(fēng)環(huán)境下高速鐵路擋風(fēng)墻的防風(fēng)效果進(jìn)而比選確定擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)主要參數(shù)。研究結(jié)果表明：動(dòng)車組在平地情況下的升力系數(shù)、側(cè)力系數(shù)和傾覆力矩系數(shù)隨側(cè)滑角的增大而增大；當(dāng)設(shè)置2.5 m高擋風(fēng)墻時(shí)，動(dòng)車組的升力系數(shù)、側(cè)力系數(shù)和傾覆力矩系數(shù)的絕對(duì)值均大幅度降低；當(dāng)擋風(fēng)墻增高至5.0 m時(shí)，對(duì)動(dòng)車組有一定的防護(hù)作用，但其防護(hù)性能比2.5 m高擋風(fēng)墻的防護(hù)效果差；設(shè)置2.5 m高擋風(fēng)墻對(duì)接觸線有一定防護(hù)效果，5.0 m高擋風(fēng)墻使得接觸線和承力索處的風(fēng)速均大幅度下降，最小降幅達(dá)到55%，說明5.0 m高擋風(fēng)墻對(duì)接觸網(wǎng)有更好的防護(hù)作用。綜合考慮擋風(fēng)墻對(duì)動(dòng)車組傾覆的安全防護(hù)、接觸網(wǎng)的防護(hù)及其自身加強(qiáng)措施、結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)合理性，建議大風(fēng)區(qū)高速鐵路擋風(fēng)墻的合理高度為軌面以上2.5 m。

大風(fēng)；風(fēng)洞試驗(yàn)；擋風(fēng)墻；氣動(dòng)力系數(shù)；接觸網(wǎng)

列車在大風(fēng)區(qū)運(yùn)行時(shí)，其繞流流場(chǎng)明顯改變，使得氣動(dòng)力顯著增大，易導(dǎo)致列車脫軌及傾覆等事故發(fā)生，并經(jīng)常造成列車停運(yùn)或限速運(yùn)行[1?2]。隨著列車提速和高速客運(yùn)專線的建設(shè)，強(qiáng)風(fēng)作用下列車的運(yùn)行安全問題日益突出。在強(qiáng)風(fēng)作用下，列車空氣動(dòng)力性能惡化[3]。我國青藏、新疆鐵路處于極端惡劣風(fēng)環(huán)境下，常常發(fā)生突發(fā)性大風(fēng)自然災(zāi)害，由于特殊的地形、地貌環(huán)境，形成了約 150 km 蘭新(蘭州—新疆烏魯木齊)鐵路百里風(fēng)區(qū)、南疆鐵路前 100 km 風(fēng)區(qū)、青藏鐵路 900 余 km 長距風(fēng)區(qū)[4]。2007?02?27，由新疆烏魯木齊開往阿克蘇的列車行至“三十里風(fēng)區(qū)”時(shí)遭遇13級(jí)大風(fēng)，第9至第19節(jié)車廂脫軌并瞬間傾覆，造成4名旅客死亡，30名旅客受傷，1 000余名旅客被困在車內(nèi)，南疆鐵路被迫中斷[5]。蘭新線百里風(fēng)區(qū)幾乎每年會(huì)出現(xiàn)速度超過40 m/s的大風(fēng)，實(shí)測(cè)最大風(fēng)速(瞬時(shí))可達(dá)64 m/s，由此導(dǎo)致的問題給鐵路運(yùn)輸帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的社會(huì)影響[6]。對(duì)防風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對(duì)性研究以解決防風(fēng)技術(shù)難題，這對(duì)大風(fēng)區(qū)高速鐵路的運(yùn)輸安全有極其重大的意義。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)車?防風(fēng)系統(tǒng)氣動(dòng)特性進(jìn)行了大量研究。 BAKER等[7]采用全尺寸試驗(yàn)和風(fēng)洞試驗(yàn)方法對(duì)橫風(fēng)作用下列車上的氣動(dòng)特性進(jìn)行了研究，并指出在風(fēng)洞試驗(yàn)中需要模擬表面粗糙度的影響；BROCKIE等[8]闡釋了列車表面摩擦阻力及總氣動(dòng)阻力對(duì)雷諾數(shù)的依賴性，但在全尺寸下列車復(fù)雜的流場(chǎng)會(huì)影響對(duì)其量化的準(zhǔn)確性；AVILA-SANCHEZ等[9]在風(fēng)洞中，利用PIV技術(shù)，分析了橫風(fēng)作用下，帶擋風(fēng)墻的鐵路橋梁周圍的流場(chǎng)特性；MARIJO等[10]用數(shù)值方法精確地模擬了三維擋風(fēng)墻風(fēng)動(dòng)特性，運(yùn)用試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算方法研究了擋風(fēng)墻后紊流的特性；田紅旗等[11]根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)我國高速列車的氣動(dòng)特性進(jìn)行了分析，研究了各種外形與其阻力、橫向力和升力的關(guān)系；劉鳳華[12]在確保路堤高度、橫風(fēng)風(fēng)速、擋風(fēng)墻設(shè)置相同的前提下，對(duì)加筋對(duì)拉式、“L”型、薄型和土堤式這4種類型擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)列車的氣動(dòng)力進(jìn)行了數(shù)值模擬研究；許志峰[13]通過流體力學(xué)軟件，對(duì)來風(fēng)側(cè)擋風(fēng)墻的疏透度進(jìn)行了研究，并提出了防護(hù)列車安全運(yùn)行最佳的擋風(fēng)墻方案，為擋風(fēng)墻設(shè)計(jì)的優(yōu)化提供了理論根據(jù)；錢征宇等[14]針對(duì)蘭新線大風(fēng)分布和特點(diǎn)，提出采取有效防風(fēng)工程措施建立可靠的防風(fēng)安全體系。上述研究對(duì)列車?防風(fēng)系統(tǒng)氣動(dòng)特性以及防風(fēng)設(shè)施進(jìn)行了研究，但并未基于高速鐵路的擋風(fēng)墻空氣動(dòng)力特性進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)研究進(jìn)而提出針對(duì)性優(yōu)化方案。為此，本文作者在中國氣動(dòng)研究與發(fā)展中心低速所8 m×6 m(橫截面長×高)風(fēng)洞進(jìn)行路基擋風(fēng)墻風(fēng)洞試驗(yàn)，通過測(cè)力、測(cè)壓、速度場(chǎng)測(cè)試，對(duì)動(dòng)車組在平地、路堤、擋風(fēng)墻下的氣動(dòng)特性以及接觸網(wǎng)處風(fēng)速進(jìn)行系統(tǒng)研究，比選合理的擋風(fēng)墻高度，以便為高速鐵路防風(fēng)工程的設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。

1 動(dòng)車組過擋風(fēng)墻氣動(dòng)特性風(fēng)洞試驗(yàn)

目前，國內(nèi)外研究車?防風(fēng)系統(tǒng)氣動(dòng)特性的方法主要有3種：理論分析、試驗(yàn)研究[15]及數(shù)值模擬。理論分析與數(shù)值模擬均基于一定的假設(shè)，不能真實(shí)地反映現(xiàn)場(chǎng)工況。風(fēng)洞試驗(yàn)是國內(nèi)外研究車?橋系統(tǒng)氣動(dòng)特性的主要試驗(yàn)方法，是空氣動(dòng)力學(xué)研究不可替代的重要手段[16]。對(duì)列車在空氣中的等速直線運(yùn)動(dòng)，按照運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性原理，在空氣動(dòng)力特性研究中可以認(rèn)為列車靜止不動(dòng)，與列車同速的空氣流過列車；將列車和線路等物體按幾何相似制作成縮比模型，在滿足必要的相似條件下，列車上承受的空氣動(dòng)力與列車運(yùn)動(dòng)在靜止的空氣中承受的空氣動(dòng)力完全相同[17]。

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

對(duì)于列車這種長大物體，風(fēng)洞試驗(yàn)需采用縮比模型來模擬列車在空氣中的運(yùn)動(dòng)，要使空氣繞模型流動(dòng)和繞實(shí)物流動(dòng)符合一定的相似準(zhǔn)則，首要條件是必須保證縮比模型與實(shí)物幾何相似。

本次試驗(yàn)以在蘭新高鐵運(yùn)行的CRH2型高速列車為研究對(duì)象，采用頭車＋中間車+尾車3車編組，設(shè)計(jì)的列車風(fēng)洞模型縮比為1:15?？紤]路堤、擋風(fēng)墻影響，本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷淖枞燃s為0.6%，小于5.0%，因此，試驗(yàn)結(jié)果不需要修正。根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)段尺寸，試驗(yàn)需將測(cè)力天平等安置在車內(nèi)，因此，動(dòng)車組車體內(nèi)部設(shè)計(jì)成空心結(jié)構(gòu)。圖1和圖2所示為試驗(yàn)的部分模型圖。

1.2 試驗(yàn)方案及內(nèi)容

1.2.1 試驗(yàn)方案

風(fēng)洞試驗(yàn)必須滿足重復(fù)性和雷諾數(shù)自模擬要求，具體試驗(yàn)方案如下：

圖1 動(dòng)車組與路堤模型

圖2 動(dòng)車組、路堤與擋風(fēng)墻模型

1) 重復(fù)性試驗(yàn)考察風(fēng)洞測(cè)試系統(tǒng)、天平、模型車之間安裝、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2) 變風(fēng)速試驗(yàn)考察雷諾數(shù)是否超過臨界值，確定測(cè)力和測(cè)壓試驗(yàn)的試驗(yàn)風(fēng)速。

3) 動(dòng)車組模型以3車編組形式進(jìn)行偏角度的測(cè)試試驗(yàn)和接觸網(wǎng)處速度測(cè)試試驗(yàn)，以研究動(dòng)車組在橫風(fēng)情況下?lián)躏L(fēng)墻后的氣動(dòng)特性以及擋風(fēng)墻對(duì)接觸網(wǎng)處風(fēng)速度的影響。

1.2.2 試驗(yàn)工況

蘭新高鐵沿線實(shí)測(cè)最大風(fēng)速(瞬時(shí))可達(dá)64 m/s，為使試驗(yàn)結(jié)果更能反映不利狀況，本次試驗(yàn)的風(fēng)速取60 m/s；先期對(duì)不同高度的擋風(fēng)墻進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，優(yōu)選擬定線路軌道頂面以上2.5 m和5.0 m高擋風(fēng)墻作為試驗(yàn)工況(文中，擋風(fēng)墻高度均指軌面以上高度)，并與未設(shè)擋風(fēng)墻的工況作為對(duì)比組；路況選擇3.0 m高路堤；側(cè)滑角以10°為梯度，從0°設(shè)置到90°。綜合本次風(fēng)洞試驗(yàn)組合擋風(fēng)墻類型、Ⅰ線、Ⅱ線以及側(cè)滑角等參數(shù)，共計(jì)工況60種。具體工況見表1。

表1 試驗(yàn)工況

2 重復(fù)性試驗(yàn)和變風(fēng)速試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 重復(fù)性試驗(yàn)

試驗(yàn)前，對(duì)每臺(tái)天平重新進(jìn)行校準(zhǔn)。在每次模型進(jìn)行試驗(yàn)之前，對(duì)每臺(tái)天平的各個(gè)分量進(jìn)行砝碼加載試驗(yàn)，加載試驗(yàn)的誤差在0.2%之內(nèi)，完全滿足試驗(yàn)精度要求。當(dāng)動(dòng)車組在平地上風(fēng)速為60 m/s，側(cè)滑角為0°時(shí)，動(dòng)車組頭車、中車和尾車5次測(cè)量所得到的氣動(dòng)力和力矩系數(shù)見表2及圖3~5。從圖3~5可以看出5次測(cè)量的結(jié)果基本相同，即使有偏差，也很小，完全在天平允許的精度范圍之內(nèi)。

表2 車輛氣動(dòng)力系數(shù)

1—升力系數(shù)；2—阻力系數(shù)；3—俯仰力矩系數(shù)；4—側(cè)力系數(shù)；5—偏航力矩系數(shù)；6—傾覆力矩系數(shù)。

1—升力系數(shù)；2—阻力系數(shù)；3—俯仰力矩系數(shù)；4—側(cè)力系數(shù)；5—偏航力矩系數(shù)；6—傾覆力矩系數(shù)。

1—升力系數(shù)；2—阻力系數(shù)；3—俯仰力矩系數(shù)；4—側(cè)力系數(shù)；5—偏航力矩系數(shù)；6—傾覆力矩系數(shù)。

重復(fù)進(jìn)行動(dòng)車組變角度測(cè)力試驗(yàn)，當(dāng)采集數(shù)據(jù)時(shí)間由3 s延長到10 s時(shí)，2種采集數(shù)據(jù)時(shí)間差別很小，可以認(rèn)為不存在脫體渦的穩(wěn)定遲滯等非定常問題。這是因?yàn)閭?cè)滑角不大，非定常效應(yīng)不明顯，因此，數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)時(shí)間可采用3 s。當(dāng)有擋風(fēng)墻時(shí)，由于擋風(fēng)墻后存在渦的脫落，因此，采集數(shù)據(jù)時(shí)間可采用10 s。

另外，頭車升力為負(fù)，尾車升力為正，這與以往試驗(yàn)結(jié)果一致；另外，頭車的阻力系數(shù)為0.140左右，尾車的阻力系數(shù)為0.169左右，中車的阻力系數(shù)為0.110左右，阻力系數(shù)與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果一致；測(cè)力系數(shù)、傾覆力矩系數(shù)、俯仰力矩系數(shù)和偏航力矩系數(shù)都較小，也間接說明測(cè)量的天平和測(cè)試過程是準(zhǔn)確的，測(cè)試結(jié)果可信。

2.2 變風(fēng)速試驗(yàn)

因列車的速度遠(yuǎn)小于聲速，故雷諾數(shù)是影響試驗(yàn)結(jié)果的主要參數(shù)。由于列車模型的比例為1:15，要完全模擬動(dòng)車組實(shí)際運(yùn)行的雷諾數(shù)，只有將風(fēng)洞中的吹風(fēng)速度定為動(dòng)車組實(shí)際運(yùn)行的15倍，而以這樣的速度和模型的比例進(jìn)行試驗(yàn)代價(jià)昂貴，因此，只能利用模型試驗(yàn)的自模性，使試驗(yàn)雷諾數(shù)大于臨界雷諾數(shù)3.6×105[17]。而試驗(yàn)雷諾數(shù)是否超過臨界雷諾數(shù)，這需要進(jìn)行變風(fēng)速試驗(yàn)驗(yàn)證。對(duì)動(dòng)車組進(jìn)行變風(fēng)速試驗(yàn)，風(fēng)速分別為25，30，35，40，45，50，55和60 m/s。動(dòng)車組氣動(dòng)力系數(shù)隨來流風(fēng)速的變化見圖6。從圖6可知：當(dāng)來流速度增大到40 m/s后，氣動(dòng)力系數(shù)基本不再變化，可以認(rèn)為與來流風(fēng)速無關(guān)，試驗(yàn)雷諾數(shù)大于臨界雷諾數(shù)，達(dá)到自模區(qū)。

1—升力系數(shù)；2—阻力系數(shù)；3—俯仰力矩系數(shù)；4—側(cè)力系數(shù)；5—偏航力矩系數(shù)；6—傾覆力矩系數(shù)。

由于來流速度增大到40 m/s后，氣動(dòng)力系數(shù)、力矩系數(shù)都不再隨來流速度變化而變化，即不隨試驗(yàn)雷諾數(shù)變化而變化，達(dá)到雷諾數(shù)的自模區(qū)域，所以，試驗(yàn)的來流速度取60 m/s滿足雷諾數(shù)的要求。

3 基于列車氣動(dòng)安全特性的擋風(fēng)墻高度比選

3.1 無擋風(fēng)墻時(shí)動(dòng)車組氣動(dòng)特性試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過風(fēng)洞試驗(yàn)，分別測(cè)試動(dòng)車組在一線和二線時(shí)頭車、中車及尾車的升力系數(shù)、側(cè)力系數(shù)和傾覆力矩系數(shù)，由于頭車、中車以及尾車的參數(shù)變化規(guī)律相同且數(shù)值接近，故本文僅列出頭車的相關(guān)參數(shù)。表3所示為動(dòng)車組在一線和二線時(shí)頭車的升力系數(shù)、側(cè)力系數(shù)和傾覆力矩系數(shù)比較結(jié)果。

從表3可以看出：動(dòng)車組在平地時(shí)一線和二線的氣動(dòng)力差別較小，且較大的側(cè)滑角對(duì)應(yīng)的各系數(shù)的絕對(duì)值較大。

表3 無擋風(fēng)墻條件下，列車頭車氣動(dòng)力系數(shù)

動(dòng)車組在一線和二線時(shí)頭車、中車及尾車的升力系數(shù)、側(cè)力系數(shù)和傾覆力矩系數(shù)變化規(guī)律見圖7。

從圖7可以看出：一線和二線中相對(duì)應(yīng)的升力系數(shù)、側(cè)力系數(shù)和傾覆力矩系數(shù)均非常接近；動(dòng)車組頭車的升力系數(shù)、測(cè)力系數(shù)和傾覆力矩系數(shù)絕對(duì)值隨側(cè)滑角的增大而迅速增大，但在50°出現(xiàn)拐點(diǎn)，隨后，各系數(shù)的絕對(duì)值開始減??；中車和尾車的升力系數(shù)、測(cè)力系數(shù)和傾覆力矩系數(shù)也隨側(cè)滑角的增大而迅速增大，但未出現(xiàn)拐點(diǎn)。

(a) 頭車；(b) 中車；(c) 尾車

3.2 2.5 m高擋風(fēng)墻動(dòng)車組氣動(dòng)特性試驗(yàn)結(jié)果與分析

將2.5 m高擋風(fēng)墻動(dòng)車組的升力系數(shù)、側(cè)力系數(shù)和傾覆力矩系數(shù)與未設(shè)擋風(fēng)墻時(shí)的結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)在這2種工況下，一線和二線各系數(shù)變化規(guī)律相同，為此，僅分析動(dòng)車組在一線時(shí)的各系數(shù)變化規(guī)律。動(dòng)車組在一線時(shí)頭車、中車及尾車的升力系數(shù)、側(cè)力系數(shù)和傾覆力矩系數(shù)隨側(cè)滑角的變化規(guī)律見圖8。

(a) 頭車；(b) 中車；(c) 尾車

從圖8可以看出：設(shè)置2.5 m高擋風(fēng)墻后，動(dòng)車組頭車、中車和尾車的升力系數(shù)、側(cè)力系數(shù)和傾覆力矩系數(shù)的絕對(duì)值與未設(shè)置擋風(fēng)墻時(shí)相比均大幅度降低。對(duì)各氣動(dòng)力學(xué)系數(shù)進(jìn)行分析可知：

1) 頭車的升力系數(shù)在前、后2次工況的變化最大，當(dāng)側(cè)滑角為0°~40°之間時(shí)，降幅從40%迅速增加到94%；當(dāng)側(cè)滑角為50°~90°之間時(shí)，降幅均保持在95%以上；中車和尾車的升力系數(shù)降幅亦從0增到97%以上；且動(dòng)車組部分升力開始由正變負(fù)，而這也進(jìn)一步增強(qiáng)了動(dòng)車組的傾覆穩(wěn)定性。

2) 整個(gè)動(dòng)車組的側(cè)力系數(shù)也大幅度下降，絕對(duì)值最大降幅達(dá)到83%，且隨著側(cè)滑角增大，側(cè)力系數(shù)降幅普遍增大。除了頭車10°和20°側(cè)滑角外，整個(gè)動(dòng)車組的側(cè)力均改變方向，使動(dòng)車組由順風(fēng)傾覆變?yōu)槟嫦騼A覆，有利于列車運(yùn)行安全。

3) 對(duì)于傾覆力矩，除了頭車10°和20°側(cè)滑角外，整個(gè)動(dòng)車組的傾覆力矩也均改變方向，最大降幅(與側(cè)滑角相關(guān))也達(dá)到90%以上，有力地保證了列車運(yùn)行安全。

綜上所述，軌面以上2.5 m高擋風(fēng)墻明顯改善了列車氣動(dòng)特性，能很好地保證列車運(yùn)行安全。

3.3 5.0 m高擋風(fēng)墻動(dòng)車組氣動(dòng)特性試驗(yàn)結(jié)果比較與分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證不同高度擋風(fēng)墻防護(hù)效果，將2.5 m和5.0 m擋風(fēng)墻與未設(shè)擋風(fēng)墻時(shí)的動(dòng)車組的升力系數(shù)、側(cè)力系數(shù)和傾覆力矩系數(shù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)頭車、中車和尾車在一、二線運(yùn)行時(shí)各系數(shù)變化規(guī)律相同，故對(duì)動(dòng)車組頭車在一線運(yùn)行時(shí)的各系數(shù)變化規(guī)律進(jìn)行 分析。

動(dòng)車組頭車在一線運(yùn)行時(shí)的升力系數(shù)、側(cè)力系數(shù)和傾覆力矩系數(shù)隨側(cè)滑角的變化規(guī)律見圖9。

從圖9可以看出：與2.5 m高擋風(fēng)墻的防護(hù)效果相比較，設(shè)置5.0 m高擋風(fēng)墻后的各氣動(dòng)系數(shù)具有相同的變化規(guī)律，且其絕對(duì)值與未設(shè)置擋風(fēng)墻的相比均有較大幅度下降。

1) 對(duì)于升力系數(shù)，5.0 m擋風(fēng)墻相對(duì)未設(shè)置擋風(fēng)墻有較大幅度下降，降幅最高達(dá)到97%以上，與2.5 m擋風(fēng)墻防護(hù)效果類似；但當(dāng)側(cè)滑角為30°~50°時(shí)，降幅僅達(dá)37%，防護(hù)效果與2.5 m高擋風(fēng)墻相比下降 明顯。

2) 除側(cè)滑角為30°~50°外，側(cè)力系數(shù)均大幅度下降，絕對(duì)值最大降幅達(dá)80%以上；而當(dāng)側(cè)滑角為30°~50°時(shí)，絕對(duì)值降幅最小僅為10%，防護(hù)效果比2.5 m高擋風(fēng)墻的差。

(a) 升力系數(shù)；(b) 側(cè)力系數(shù)；(c) 傾覆力矩系數(shù)

3) 對(duì)于傾覆力矩，設(shè)置5.0 m擋風(fēng)墻后最高絕對(duì)值降幅可達(dá)90%以上；但當(dāng)側(cè)滑角為30°~50°時(shí)，傾覆力矩系數(shù)遠(yuǎn)大于0，這說明與2.5 m高擋風(fēng)墻相比，防護(hù)效果有所下降。

綜上所述，5.0 m高擋風(fēng)墻對(duì)動(dòng)車組有一定的防護(hù)作用，動(dòng)車組的升力系數(shù)、側(cè)力系數(shù)和傾覆力矩系數(shù)的絕對(duì)值都有一定程度降低，但與2.5 m高擋風(fēng)墻相比，防護(hù)效果有所下降，尤其是當(dāng)側(cè)滑角在30°~50°時(shí)，防護(hù)效果明顯比2.5 m高防風(fēng)墻的差。

4 基于接觸網(wǎng)處風(fēng)速的擋風(fēng)墻高度比選研究

在擋風(fēng)墻能對(duì)動(dòng)車組安全進(jìn)行有效防護(hù)的前提下，對(duì)大風(fēng)條件下?lián)躏L(fēng)墻設(shè)置后接觸網(wǎng)的響應(yīng)及其安全性能進(jìn)行進(jìn)一步分析研究。

接觸網(wǎng)的風(fēng)偏量是衡量受電弓和接觸網(wǎng)接觸安全的最重要指標(biāo)，但風(fēng)洞中準(zhǔn)確模擬和測(cè)量接觸網(wǎng)的運(yùn)動(dòng)非常困難。首先，接觸網(wǎng)的運(yùn)動(dòng)本身非常復(fù)雜，它包含各種運(yùn)動(dòng)形式；其次，為滿足流場(chǎng)相似，接觸網(wǎng)必須與列車、擋風(fēng)墻采用相同的縮尺比，縮比后的接觸網(wǎng)運(yùn)動(dòng)很難反映真實(shí)接觸網(wǎng)的運(yùn)動(dòng)[18]。接觸網(wǎng)處的風(fēng)速?zèng)Q定了其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可以通過測(cè)試研究擋風(fēng)墻設(shè)置后接觸網(wǎng)處的風(fēng)速，來評(píng)估擋風(fēng)墻對(duì)接觸網(wǎng)安全的防護(hù)效果。

當(dāng)擋風(fēng)墻高度為2.5 m和5.0 m時(shí)，對(duì)接觸網(wǎng)的接觸線(距離軌面5.5 m)和承力索(距離軌面6.9 m)處的風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量。測(cè)試結(jié)果表明：在相同工況下，無論是接觸線還是承力索，其在一線、二線時(shí)的風(fēng)速均非常接近，故重點(diǎn)分析動(dòng)車組在一線時(shí)所測(cè)結(jié)果。表4所示為動(dòng)車組在一線時(shí)部分側(cè)滑角對(duì)應(yīng)的接觸網(wǎng)處的量綱一風(fēng)速。

分別用v，v和v表示風(fēng)速在,和這3方向的分量。從表4可知：當(dāng)側(cè)滑角為0°時(shí)，沿接觸網(wǎng)長度方向的風(fēng)速v在接觸線(距軌面5.5 m)和承力索(距軌面6.9 m)處均最大；當(dāng)側(cè)滑角逐漸增大至90°時(shí)，量綱一風(fēng)速v減小至0附近；但當(dāng)側(cè)滑角為50°~70°時(shí)，有擋風(fēng)墻時(shí)所對(duì)應(yīng)的風(fēng)速v隨側(cè)滑角增大以更快的速度減小至0。故對(duì)于沿接觸網(wǎng)長度方向的風(fēng)速v，擋風(fēng)墻在側(cè)滑角較大時(shí)會(huì)有部分防護(hù)作用，但防護(hù)作用總體較小，且該方向風(fēng)速對(duì)接觸網(wǎng)本身安全影響不大。

對(duì)于垂直于接觸網(wǎng)的風(fēng)速v，在接觸線(距軌面5.5 m)和承力索(距軌面6.9 m)處，風(fēng)速v隨著側(cè)滑角增大而緩慢增大，但與未設(shè)置擋風(fēng)墻相比，設(shè)置擋風(fēng)墻后對(duì)風(fēng)速v影響很小，且由于風(fēng)速v自身非常小，對(duì)接觸網(wǎng)安全性能的影響可以忽略。

接觸網(wǎng)橫向偏移影響最大的是橫向速度v。在未設(shè)擋風(fēng)墻時(shí)，v隨著側(cè)滑角的增大而迅速增大。在設(shè)置2.5 m高擋風(fēng)墻的工況下，在接觸線處，對(duì)應(yīng)的v隨著側(cè)滑角的增大而減小，且側(cè)滑角越大，其v越小，即擋風(fēng)墻的防護(hù)效果越好；但在承力索處，對(duì)應(yīng)的v與未設(shè)擋風(fēng)墻時(shí)v接近，說明2.5 m高的擋風(fēng)墻對(duì)承力索的防護(hù)效果有限。而對(duì)于5.0 m高擋風(fēng)墻的工況，在接觸線處，對(duì)應(yīng)的v均隨著側(cè)滑角的增大而迅速減小，且v明顯比2.5 m高擋風(fēng)墻的?。辉诔辛λ魈?，對(duì)應(yīng)的v均隨著側(cè)滑角的增大而迅速減小，且最小的降幅亦可達(dá)到55%。可見：2.5 m高擋風(fēng)墻能有效降低接觸線處接觸網(wǎng)橫向量綱一風(fēng)速v，但對(duì)承力索處的v影響不大。而5.0 m高擋風(fēng)墻對(duì)接觸線和承力索處的v均大幅度降低?？傮w而言，2.5 m高擋風(fēng)墻對(duì)接觸網(wǎng)的防護(hù)作用比5.0 m高擋風(fēng)墻的小。但需指出的是：對(duì)接觸網(wǎng)而言，橫風(fēng)狀態(tài)下接觸線處的安全防護(hù)要比承力索處的安全防護(hù)能力強(qiáng)。

表4 不同側(cè)滑角對(duì)應(yīng)的接觸網(wǎng)風(fēng)速

綜合而言，5.0 m高擋風(fēng)墻可以更有效地減小接觸網(wǎng)(特別是承力索)處的風(fēng)速，但此時(shí)動(dòng)車組的傾覆力矩隨之增大。就防風(fēng)結(jié)構(gòu)本身的修建成本而言，5.0 m高擋風(fēng)墻要遠(yuǎn)高于2.5 m高擋風(fēng)墻。防風(fēng)工程解決的主要矛盾仍是動(dòng)車組的安全問題，接觸網(wǎng)可采取減小接觸網(wǎng)立柱之間的距離，增強(qiáng)承力索拉力等措施來增強(qiáng)接觸網(wǎng)自身的抗擺動(dòng)能力。綜合考慮動(dòng)車組的傾覆安全要求以及結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)合理性，軌面以上2.5 m為更加合理的擋風(fēng)墻高度。

5 結(jié)論

1) 未設(shè)擋風(fēng)結(jié)構(gòu)時(shí)，動(dòng)車組在平地時(shí)一線和二線的氣動(dòng)力差別較小。動(dòng)車組頭車的升力系數(shù)、測(cè)力系數(shù)和傾覆力矩系數(shù)隨側(cè)滑角的增大而迅速增大，但在50°出現(xiàn)拐點(diǎn)，以后開始減??；中車和尾車的升力系數(shù)、測(cè)力系數(shù)和傾覆力矩系數(shù)也隨側(cè)滑角的增大而迅速增大，沒有出現(xiàn)拐點(diǎn)。

2) 2.5 m高擋風(fēng)墻對(duì)動(dòng)車組有很好的防護(hù)作用，動(dòng)車組的升力系數(shù)、側(cè)力系數(shù)和傾覆力矩系數(shù)的絕對(duì)值都大幅度降低；5.0 m高擋風(fēng)墻對(duì)動(dòng)車組有一定的防護(hù)作用，動(dòng)車組的升力系數(shù)、側(cè)力系數(shù)和傾覆力矩系數(shù)的絕對(duì)值都有一定程度降低；但與2.5 m高擋風(fēng)墻相比，防護(hù)性能較低，尤其是當(dāng)側(cè)滑角為30°~50°時(shí)，向擋風(fēng)墻方向傾覆的力矩系數(shù)較大。

3) 2.5 m高擋風(fēng)墻對(duì)于一線和二線接觸線有一定防護(hù)效果，但對(duì)承力索處量綱一速度v影響不大。 5.0 m高擋風(fēng)墻對(duì)接觸網(wǎng)有很好的防護(hù)作用，接觸線和承力索處的量綱一速度v大幅度下降，最大降幅達(dá)55%。

4) 綜合考慮動(dòng)車組的傾覆安全、接觸網(wǎng)的防護(hù)及其自身加強(qiáng)措施、結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)合理性，對(duì)于高速鐵路，軌面以上2.5 m為合理的擋風(fēng)墻設(shè)置高度。

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(編輯 陳燦華)

Anti-wind aerodynamic performance of high-speed train and wind-break wall optimization

LI Kun, LIANG Xifeng, YANG Mingzhi

(Key Laboratoryof Traffic Safety on Track, Ministry of Education, School of Traffic & Transportation Engineering,Central South University, Changsha 410075, China)

When a train runs in strong wind area, the flow field around the train changes dramatically and accidents including derailment and overturning may happen. In order to study the coupling aerodynamic performance between the train model and the wind-break wall, and determine the optimized design parameters of the wind-break wall, wind tunnel tests were carried out to analyze the aerodynamic performance of train and velocity distribution around contact wire in this study. The results show that the lift coefficient, lateral force coefficient and moment coefficients increase with the increase of yaw angle, and the absolute values of them are greatly reduced when the wind-break wall with height of 2.5 m is built. When the wind-break wall height reaches 5.0 m, the protective effect is obvious but weaker than that of the 2.5 m windbreak wall. The dimensionless velocity of the contact wire at height of 5.0 m from the top of rail (TOR) significantly reduces when the wind break wall with height of 2.5 m is built. When the height of the wind-break wall increases to 5.0 m, the dimensionless velocities of both contact wire and messenger wire reduce significantly with the minimum decreasing amplitude of 55%.Therefore, the 5.0 m wind-break wall has better protective effect on the catenary. Considering the safety of the high-speed train and the catenary, and combining the wind-break wall self-strengthening and construction cost, the reasonable height of the wind-break wall is suggested to be 2.5 m high from the TOR.

strong wind; wind tunnel test; wind-break wall; aerodynamic force coefficient; contact wire

10.11817/j.issn.1672-7207.2018.05.034

U216.41+3

A

1672?7207(2018)05?1297?09

2017?06?10；

2017?08?10

鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2015T002-A)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11372360) (Project(2015T002-A) supported by the Science and Technology Research and Development Funds of Ministry of Railway Station; Project(11372360) supported by the National Natural Science Foundation of China)

李鯤，高級(jí)工程師，從事鐵路道路與列車空氣空力學(xué)研究；E-mail: 171765744@qq.com