軌道交通百葉窗型風(fēng)屏障防風(fēng)效果研究

史康 褚楊俊 何旭輝 秦紅禧 李歡 于可輝

摘要： 為提高列車在復(fù)雜風(fēng)環(huán)境中行車的安全性，提出了一種新型百葉窗型風(fēng)屏障。并以重慶某軌道專用橋?yàn)楣こ瘫尘斑M(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)，探究了橫風(fēng)作用下新型風(fēng)屏障不同葉片旋轉(zhuǎn)角度、不同風(fēng)屏障布置形式對(duì)車橋系統(tǒng)氣動(dòng)特性的影響，對(duì)比分析了百葉窗型與普通格柵式風(fēng)屏障的擋風(fēng)效果，同時(shí)運(yùn)用CFD對(duì)新型風(fēng)屏障的防風(fēng)機(jī)理進(jìn)行了進(jìn)一步闡述。研究結(jié)果表明：百葉窗型風(fēng)屏障可較大幅度降低車、橋系統(tǒng)的力矩系數(shù)，相對(duì)同等透風(fēng)率下的普通格柵式風(fēng)屏障其防風(fēng)效果更好；百葉窗型風(fēng)屏障葉片的旋轉(zhuǎn)角度對(duì)車橋系統(tǒng)三分力系數(shù)均有一定影響，從行車安全性考慮，建議旋轉(zhuǎn)角度控制在90°內(nèi)最合適；風(fēng)屏障的布置形式對(duì)車橋系統(tǒng)氣動(dòng)特性影響較小，沿橋梁主導(dǎo)風(fēng)一側(cè)布置即可取得較好的防風(fēng)效果。關(guān)鍵詞： 風(fēng)洞試驗(yàn)；軌道交通；百葉窗型風(fēng)屏障；三分力系數(shù)；CFD

中圖分類號(hào)： U260.11； U216.41+3文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)： 10044523（2017）04063008

DOI：10.16385/j.cnki.issn.10044523.2017.04.014

引言

隨著高速鐵路逐步向西部山區(qū)、東部沿海延伸以及城市、城際軌道交通的快速發(fā)展，保證復(fù)雜風(fēng)環(huán)境下列車運(yùn)行安全已引起了廣泛關(guān)注[13]。目前解決復(fù)雜風(fēng)環(huán)境下列車行車安全主要有兩種途徑，即制定合理的行車管理措施（限速或停止運(yùn)行）和可靠的工程措施（設(shè)置風(fēng)屏障、優(yōu)化列車氣動(dòng)外形等）[4]。然而，通過限速或停止列車的運(yùn)行將直接影響鐵路運(yùn)行效率，也給旅客出行帶來極大的不便。因此，現(xiàn)階段國內(nèi)外大多采用安裝風(fēng)屏障的工程措施來保證列車的行車安全，如日本的新干線[5]、中國的蘭新高鐵[6]等。

近些年，國內(nèi)外對(duì)風(fēng)屏障進(jìn)行了大量研究，如Hrvoje Kozmar[7]采用風(fēng)洞試驗(yàn)并結(jié)合PIV技術(shù)研究了風(fēng)屏障的擋風(fēng)機(jī)理；M OguetaGutierrez[8]探究了曲線風(fēng)屏障與直線風(fēng)屏障對(duì)橋梁氣動(dòng)三分力系數(shù)的影響；X H He[910]通過測(cè)壓試驗(yàn)研究了不同風(fēng)屏障高度、不同透風(fēng)率對(duì)列車氣動(dòng)特性的影響，并從流體力學(xué)角度進(jìn)行了解釋；項(xiàng)超群[11]采用CFD研究了32 m典型簡(jiǎn)支梁截面在不同風(fēng)屏障高度下的氣動(dòng)力系數(shù)變化趨勢(shì)；李永樂[12]通過風(fēng)洞試驗(yàn)討論了平地路基、高路堤、橋梁3種典型線路情況下風(fēng)屏障設(shè)置方式、風(fēng)屏障高度對(duì)軌道上方風(fēng)壓分布的影響，并分析了風(fēng)屏障的氣動(dòng)機(jī)理；張?zhí)颷13]對(duì)比分析了橋梁?jiǎn)误w、列車單體和車橋耦合下列車與橋梁各自的三分力系數(shù)。從現(xiàn)有研究來看，大多集中于風(fēng)屏障的不同高度、不同透風(fēng)率、不同車橋組合形式對(duì)列車氣動(dòng)力的影響，且風(fēng)屏障形式大多為格柵式或路堤式。而這些風(fēng)屏障自安裝后透風(fēng)率一般較為固定，使得其較難適應(yīng)西部山區(qū)等復(fù)雜地形的風(fēng)場(chǎng)特性。因此，有必要研發(fā)適應(yīng)性更強(qiáng)、使用更靈活的新型風(fēng)屏障?；谝陨涎芯勘尘?，本文利用百葉窗的透光原理研發(fā)了一種新型風(fēng)屏障，并采用風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法探究了其防風(fēng)效果。研究成果旨在為新型百葉窗型風(fēng)屏障在復(fù)雜風(fēng)環(huán)境下的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

第4期史康，等： 軌道交通百葉窗型風(fēng)屏障防風(fēng)效果研究振 動(dòng) 工 程 學(xué) 報(bào)第30卷1試驗(yàn)概況〖*2〗1.1百葉窗型風(fēng)屏障百葉窗型風(fēng)屏障是基于百葉窗改變透光率和透光方向的原理，利用可轉(zhuǎn)動(dòng)的擋風(fēng)葉片實(shí)現(xiàn)風(fēng)屏障透風(fēng)率和氣流方向的改變。葉片旋轉(zhuǎn)角度為0°～180°，假定葉片與豎直方向角度0°時(shí)為初始狀態(tài)，此時(shí)風(fēng)屏障透風(fēng)率為0%。旋轉(zhuǎn)角度為0°～90°時(shí)，葉片上傾；角度為90°～180°時(shí)，葉片下傾；旋轉(zhuǎn)角度為90°時(shí)，透風(fēng)率達(dá)到最大值；旋轉(zhuǎn)角度180°時(shí)葉片回到初始狀態(tài)，其基本工作原理如圖1所示。該風(fēng)屏障實(shí)際應(yīng)用時(shí)葉片旋轉(zhuǎn)角度主要是依據(jù)風(fēng)速大小來進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，這樣可通過改變氣流的流動(dòng)方向，可有效避免來流對(duì)列車的直接沖擊。

圖1百葉窗型風(fēng)屏障工作原理

Fig.1The working principle of louvertype wind barrier1.2試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

試驗(yàn)以重慶某軌道專用橋?yàn)檠芯勘尘?，大橋?yàn)橹骺?40 m的雙塔雙索面混合梁斜拉橋，梁高3.0 m，寬19.6 m?？紤]風(fēng)洞試驗(yàn)高速段尺寸、阻塞率等因素，確定模型幾何縮尺比為1∶40?；跅l帶假定[14]，橋梁和列車模型長度均設(shè)為2 m。經(jīng)計(jì)算，模型的阻塞率為4.2%（小于規(guī)范5%的規(guī)定，可忽略阻塞率對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響[15]），模型橫截面尺寸如圖2所示。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢H考慮車橋的氣動(dòng)外形，忽略橋梁附屬設(shè)施和列車輪對(duì)、轉(zhuǎn)向架等影響，橋梁模型采用優(yōu)質(zhì)木材制作，并配以鋼芯梁骨架，以確保模型具有足夠的強(qiáng)度和剛度。

圖2模型橫斷面圖（單位：mm）

Fig.2Geometric dimensions of the model （Unit：mm）

文獻(xiàn)[16]研究表明，最佳擋風(fēng)墻高度為2.5～3.0 m，因此，為制作方便，百葉窗型與普通格柵式風(fēng)屏障均按實(shí)際3 m的高度進(jìn)行縮尺設(shè)計(jì)，縮尺比例（1∶40）與車橋模型一致。格柵式風(fēng)屏障透風(fēng)率選擇葉片旋轉(zhuǎn)角度為30°，45°和60°時(shí)對(duì)應(yīng)透風(fēng)率分別為12%，26%和42%。試驗(yàn)進(jìn)行了不同葉片層數(shù)對(duì)車橋系統(tǒng)氣動(dòng)力的影響研究，但基于篇幅有限，本文只對(duì)兩層葉片形式展開對(duì)比分析。據(jù)文獻(xiàn)[17]研究表明，風(fēng)屏障開孔形式對(duì)列車氣動(dòng)力影響有限，且孔徑大小取8～12 mm較為合適。故本試驗(yàn)格柵式風(fēng)屏障采用方孔陣列式。百葉窗型和格柵式風(fēng)屏障模型尺寸如圖3所示。

圖3風(fēng)屏障模型尺寸（單位：mm）

Fig.3Model dimensions of wind barriers（Unit：mm）

1.3測(cè)試系統(tǒng)

試驗(yàn)采用自主研發(fā)的一套車橋同步分離測(cè)力裝置[18]，如圖4所示。車橋模型兩端各裝有2臺(tái)動(dòng)態(tài)測(cè)力天平，天平選用日本NITTA公司生產(chǎn)的IFS型六分量動(dòng)態(tài)天平。測(cè)力分辨率0.02 N，采樣頻率1 kHz，采樣時(shí)長30 s。專業(yè)數(shù)據(jù)采集軟件可將各天平數(shù)據(jù)同步記錄到電腦上，以實(shí)現(xiàn)列車和橋梁模型的同步分離測(cè)試。試驗(yàn)在中南大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室高速段進(jìn)行，試驗(yàn)段尺寸為長×寬×高=15.0 m×3.0 m×3.0 m，風(fēng)速在5～94 m/s范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，湍流度0.5%。據(jù)文獻(xiàn)[14]研究表明車橋系統(tǒng)三分力系數(shù)對(duì)雷諾數(shù)效應(yīng)不明顯，因此僅選擇橫風(fēng)10 m/s作為此次試驗(yàn)的來流風(fēng)速，且來流為均勻流。為獲得真實(shí)的試驗(yàn)風(fēng)速，在車橋模型系統(tǒng)上游1.5 m處布置一參考點(diǎn)，且保證參考點(diǎn)高度與車橋主梁模型頂面一致。參考點(diǎn)風(fēng)速采用澳大利亞TFI公司的眼鏡蛇探針測(cè)量。風(fēng)洞試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。

圖4車橋同步測(cè)力裝置示意圖

Fig.4Schematic diagram of vehiclebridge dynamometric device圖5風(fēng)洞試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片

Fig.5The site picture of wind tunnel test1.4三分力系數(shù)

體軸坐標(biāo)系下，列車與橋梁的三分力方向規(guī)定如圖6所示。

圖6體軸坐標(biāo)下橋梁與列車三分力方向示意圖

Fig.6Threecomponent direction schematic diagram of vehiclebridge in body axis

其三分力系數(shù)為：CiD=2FixρU2Hi（1）

CiL=2FiyρU2Bi（2）

CiM=2MiρU2（Bi）2（3）式中Fix，F(xiàn)iy，Mi（i=b或t）分別為橋梁（列車）的阻力、升力和力矩；CiD，CiL，CiM（i=b或t）分別為橋梁（列車）的阻力系數(shù)、升力系數(shù)和力矩系數(shù)；ρ為空氣密度，取ρ=1.225 kg/m3；U為參考點(diǎn)風(fēng)速；Hi和Bi（i=b或t）分別為橋梁（列車）模型的特征高度和寬度，具體數(shù)值如圖2所示；其中列車力矩原點(diǎn)選擇背風(fēng)側(cè)軌道中心點(diǎn)處，而橋梁力矩選擇模型形心作為其力矩原點(diǎn)。

2試驗(yàn)結(jié)果分析〖*2〗2.1與格柵式風(fēng)屏障比較百葉窗型風(fēng)屏障與格柵式風(fēng)屏障試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。圖7還給出了無風(fēng)屏障工況下橋梁與列車的三分力系數(shù)值。從圖7（d）～（f）可看出，風(fēng)屏障可以顯著減小列車三分力系數(shù)，其力矩系數(shù)降低尤為明顯；而對(duì)于橋梁三分力系數(shù)而言，由于安裝風(fēng)屏障后增加了橋梁氣動(dòng)特征高度，使其三分力系數(shù)有所增大，因此安裝風(fēng)屏障時(shí)需綜合考慮車橋系統(tǒng)的影響。對(duì)比百葉窗與格柵式風(fēng)屏障的防風(fēng)效果，相同透風(fēng)率下，盡管百葉窗型風(fēng)屏障可能增大了橋梁升力（升力負(fù)值代表方向）系數(shù)與列車阻力系數(shù)，但卻較大程度降低了橋梁與列車的力矩系數(shù)，其中橋梁最大降幅程度達(dá)51%，列車最大達(dá)23%。因此，相對(duì)格柵式風(fēng)屏障擋風(fēng)效果而言，百葉窗型風(fēng)屏障對(duì)列車行車安全更有利。

2.2風(fēng)屏障葉片旋轉(zhuǎn)角度的影響

選擇0°，30°，45°，60°，90°，120°，135°和150°作為測(cè)試旋轉(zhuǎn)角度，且保證兩側(cè)葉片同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)至相同角度。測(cè)試列車位于橋梁迎風(fēng)側(cè)，具體試驗(yàn)工況如表1所示。

表1不同葉片旋轉(zhuǎn)角度試驗(yàn)工況

Tab.1Cases of different rotation angles

旋轉(zhuǎn)角度

α/（°）車橋組合相對(duì)位置轉(zhuǎn)動(dòng)

形式布置

形式0，30，45，60，90，120，135，150對(duì)稱

轉(zhuǎn)動(dòng)雙側(cè)

布置圖7百葉窗型與普通格柵式風(fēng)屏障橋梁/列車的三分力系數(shù)比較

Fig.7Comparison of three component coefficients of bridge and vehicle between louvertype and grilletype wind barriers

試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。由圖可知，橋梁與列車三分力系數(shù)隨葉片旋轉(zhuǎn)角度的增大均存在一定程度影響，尤以阻力系數(shù)變化最明顯。橋梁阻力系數(shù)隨旋轉(zhuǎn)角度的增大呈先減小后增大趨勢(shì)，90°時(shí)取最小值；而相反，列車阻力系數(shù)先增大后減小，90°時(shí)取最大值。這是由于旋轉(zhuǎn)角度在0°～90°變化時(shí)，風(fēng)屏障透風(fēng)率逐漸增大，90°時(shí)達(dá)到最大值。透風(fēng)率越大，風(fēng)屏障擋風(fēng)效果越弱。對(duì)橋梁而言，風(fēng)屏障對(duì)其阻力越??；而對(duì)列車，因作用于列車表面來流越多，列車迎風(fēng)側(cè)表面承受正壓越大，使列車阻力與力矩系數(shù)相應(yīng)也越大。當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度在90°～150°時(shí)，風(fēng)屏障透風(fēng)率開始減小，此時(shí)橋梁與列車阻力系數(shù)均表現(xiàn)與0°～90°相反的趨勢(shì)。

圖8不同葉片旋轉(zhuǎn)角度下橋梁、列車的三分力系數(shù)

Fig.8Three component coefficients of bridge and vehicle in different rotation angles

升力系數(shù)方面，橋梁升力系數(shù)在30°有一增大趨勢(shì)（負(fù)號(hào)代表升力方向向下），30°～90°間變化趨勢(shì)不明顯，而當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度大于90°后，橋梁升力系數(shù)呈微弱減小趨勢(shì)；列車升力系數(shù)變化趨勢(shì)與橋梁存在較大差異，主要表現(xiàn)于升力系數(shù)在30°～120°一直呈增大趨勢(shì)，在120°取最大值。其主要原因是當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度增大至120°時(shí)，盡管風(fēng)屏障透風(fēng)率有所減小，但此時(shí)葉片向下傾斜，氣流集中吹向列車底部，進(jìn)而其升力在90°基礎(chǔ)上進(jìn)一步增大。當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度繼續(xù)增大時(shí)，一方面風(fēng)屏障透風(fēng)率繼續(xù)減小，另一方面氣流被逐步引導(dǎo)而偏移列車底部，兩方面原因使列車升力系數(shù)又開始呈減小趨勢(shì)，但數(shù)值依然大于旋轉(zhuǎn)角度在 0°～90°變化值。

力矩系數(shù)方面，橋梁力矩系數(shù)受葉片旋轉(zhuǎn)角度影響較小，0°～150°旋轉(zhuǎn)時(shí)力矩系數(shù)大致在0.1上下波動(dòng)，總體變化平穩(wěn)。而列車力矩系數(shù)主要受阻力影響，故其變化趨勢(shì)與阻力系數(shù)變化趨勢(shì)一致。綜上分析表明，為有效提高列車行車安全性，建議百葉窗風(fēng)屏障旋轉(zhuǎn)角度控制在90°內(nèi)更合適。

2.3不同風(fēng)屏障布置形式的影響

實(shí)際工程中，通常選擇在橋梁兩側(cè)均布置風(fēng)屏障以確保行車安全；然而對(duì)一些主導(dǎo)風(fēng)基本穩(wěn)定地區(qū)，往往也有僅在橋梁主導(dǎo)風(fēng)方向一側(cè)布置風(fēng)屏障的情況?；谝陨瞎こ瘫尘埃驹囼?yàn)還研究了沿橋梁?jiǎn)?、雙側(cè)布置風(fēng)屏障的工況，具體試驗(yàn)工況如表2所示。

表2不同風(fēng)屏障布置形式試驗(yàn)工況

Tab.2Cases of different arrangements

設(shè)置

形式單側(cè)雙側(cè)工況

說明不同風(fēng)屏障布置形式下橋梁與列車三分力系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。由圖可知，橋梁?jiǎn)蝹?cè)、雙側(cè)布置風(fēng)屏障對(duì)車橋系統(tǒng)氣動(dòng)特性影響較小。究其原因是本文測(cè)試列車位于橋梁迎風(fēng)側(cè)，而背風(fēng)側(cè)風(fēng)屏障主要影響背風(fēng)側(cè)列車的氣動(dòng)特性，對(duì)迎風(fēng)側(cè)影響較小。阻力系數(shù)方面，旋轉(zhuǎn)角度小于90°時(shí)，雙側(cè)風(fēng)屏障布置情況下橋梁阻力系數(shù)試驗(yàn)值大于單側(cè)值，大于90°后兩者相差較??；而對(duì)列車阻力系數(shù)，一直表現(xiàn)為雙側(cè)試驗(yàn)值略大于單側(cè)值。升力系數(shù)而言，橋梁與列車均表現(xiàn)出雙側(cè)試驗(yàn)值大于單側(cè)值，特別是當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度大于90°后，列車升力系數(shù)表現(xiàn)的趨勢(shì)更明顯。從力矩系數(shù)分析可知，橋梁力矩系數(shù)基本不受風(fēng)屏障布置形式影響，而列車力矩系數(shù)也表現(xiàn)出雙側(cè)試驗(yàn)值略大于單側(cè)的趨勢(shì)。綜合以上分析表明：車橋系統(tǒng)氣動(dòng)特性對(duì)風(fēng)屏障布置形式不敏感，從列車行車安全性考慮，優(yōu)先選擇在橋梁主導(dǎo)風(fēng)方向布置風(fēng)屏障即可取得較好的擋風(fēng)效果。

圖9不同風(fēng)屏障布置形式橋梁、列車的三分力系數(shù)

Fig.9Three component coefficients of bridge and vehicle in different arrangements3風(fēng)屏障影響機(jī)理

為解釋百葉窗型風(fēng)屏障擋風(fēng)機(jī)理，利用CFD技術(shù)進(jìn)一步研究車橋系統(tǒng)三分力系數(shù)受葉片旋轉(zhuǎn)角度的影響。計(jì)算域范圍按實(shí)際風(fēng)洞尺寸設(shè)定，即長×寬×高=15.0 m×3.0 m×3.0 m。橋梁與列車?yán)字Z數(shù)分別為4.9×104和7.3×104。入口邊界采用速度邊界條件，來流風(fēng)速與湍流度均按實(shí)際取值；出口為恒壓邊界條件，壓力設(shè)為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；計(jì)算域上、下邊界以及車橋表面設(shè)為無滑移壁面條件。由于橫風(fēng)馬赫數(shù)小于0.3，計(jì)算按不可壓縮定常流體處理[19]。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分模型。離散格式為一階迎風(fēng)格式（First order upwind）。為保證計(jì)算結(jié)果的可靠性，對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性分析（如圖10所示），確定最小網(wǎng)格尺寸為8 mm，并在結(jié)構(gòu)物與車體壁面處對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化處理。湍流模型采用SSTk-ω模型，考慮邊界層影響，數(shù)值模擬網(wǎng)格劃分如圖11所示。運(yùn)用穩(wěn)態(tài)計(jì)算，壓力與速度耦合方式采用SIMPLE算法。計(jì)算關(guān)鍵參數(shù)與網(wǎng)格尺寸的設(shè)定均進(jìn)行了敏感性分析，通過反復(fù)試算以確保模擬值與試驗(yàn)值間誤差在可接受范圍內(nèi)。因?yàn)槠邢?，本文僅給出列車與橋梁阻力系數(shù)數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)值對(duì)比圖（見圖12），由圖可知，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)值吻合較好，兩者誤差控制在5%內(nèi)，證明了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。

圖10網(wǎng)格無關(guān)性分析

Fig.10Grid independence analysis results圖11車橋系統(tǒng)網(wǎng)格劃分

Fig.11Model grid of trainbridge system圖12數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)比圖

Fig.12Comparison of numerical simulation and test results

典型旋轉(zhuǎn)角度下車橋系統(tǒng)壓力云圖如圖13所示。由圖13（a）～（d）可知，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度為0°時(shí)，列車迎風(fēng)側(cè)與背風(fēng)側(cè)均為負(fù)壓，隨著葉片旋轉(zhuǎn)角度增大，列車迎風(fēng)側(cè)風(fēng)壓由負(fù)到正，且正壓區(qū)面積也隨之增大，旋轉(zhuǎn)角度為90°時(shí)列車風(fēng)壓值及正壓區(qū)面積均達(dá)到最大值。而旋轉(zhuǎn)角度大于90°后，氣流被引導(dǎo)而吹向列車底部并隨角度的增大逐步向下傾斜，使列車迎風(fēng)側(cè)風(fēng)壓值及正壓面積又開始逐漸減小。相對(duì)列車迎風(fēng)側(cè)，背風(fēng)側(cè)風(fēng)壓一直為負(fù)壓，風(fēng)壓值受葉片旋轉(zhuǎn)角度影響也較小。由于氣動(dòng)阻力主要由模型前后表面的壓力經(jīng)積分合成得到，因此，結(jié)合以上分析即可解釋列車阻力系數(shù)隨旋轉(zhuǎn)角度增大呈先增大后減小趨勢(shì)，且在90°取最大值的原因。

圖13典型旋轉(zhuǎn)角度下車橋系統(tǒng)壓力云圖

Fig.13Pressure nephogram of trainbridge system in typical rotation angles

列車升力系數(shù)方面，葉片在0°～90°旋轉(zhuǎn)時(shí)頂部風(fēng)壓絕對(duì)值由62 Pa增大到80 Pa，而車底風(fēng)壓變化不明顯。當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度為120°時(shí)，氣流集中吹向列車底部，加速了底部氣流流動(dòng)速度。車底負(fù)壓存在明顯減小趨勢(shì)，風(fēng)壓值絕對(duì)值由36 Pa減小為23 Pa，而頂部負(fù)壓變化不明顯。因此，旋轉(zhuǎn)角度為120°時(shí)列車上下表面壓力差得到進(jìn)一步增大。但旋轉(zhuǎn)角度大于120°后，氣流被進(jìn)一步引導(dǎo)而偏移列車底部，加上透風(fēng)率繼續(xù)減小，使列車上下表面氣壓差開始呈減小趨勢(shì)。同理，氣動(dòng)升力主要由模型上下表面的壓力經(jīng)積分合成得到。綜上分析，解釋了列車升力系數(shù)在30°～120°呈逐漸增大，而在120°～150°呈逐漸減小趨勢(shì)的原因。

列車力矩系數(shù)主要由列車氣動(dòng)升力和氣動(dòng)阻力分別對(duì)背風(fēng)側(cè)軌道中心點(diǎn)取矩合成得到，因此，力矩系數(shù)主要隨氣動(dòng)升力和阻力的變化而變化。由于以上已分別對(duì)列車氣動(dòng)升力和阻力變化趨勢(shì)作了較為詳細(xì)的闡述，列車力矩系數(shù)隨葉片旋轉(zhuǎn)角度增大的變化趨勢(shì)在此不作進(jìn)一步解釋。

4結(jié)論

本文通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究了橫風(fēng)作用下新型百葉窗型風(fēng)屏障的防風(fēng)效果，并運(yùn)用CFD對(duì)其進(jìn)行了解釋，得到以下結(jié)論：

（1）對(duì)比普通格柵式風(fēng)屏障的防風(fēng)效果，百葉窗型風(fēng)屏障可較大幅度降低橋梁與列車的力矩系數(shù)，橋梁與列車最大降幅程度分別達(dá)51%和23%，表明百葉窗型風(fēng)屏障對(duì)行車安全更有利；

（2）風(fēng)屏障葉片旋轉(zhuǎn)角度對(duì)車橋系統(tǒng)三分力系數(shù)均有一定的影響，其中阻力系數(shù)變化最明顯。橋梁阻力系數(shù)隨旋轉(zhuǎn)角度增大呈先減小后增大趨勢(shì)，而列車阻力系數(shù)恰好相反。升力系數(shù)方面，橋梁與列車均先增大后減小，橋梁在60°取最大值，而列車在120°取最大值，且30°～120°一直呈增大趨勢(shì)。橋梁力矩系數(shù)對(duì)旋轉(zhuǎn)角度不敏感，但列車力矩系數(shù)變化較明顯并呈先增大后減小趨勢(shì)，在90°達(dá)到最大值?；谛熊嚢踩钥紤]，建議百葉窗風(fēng)屏障旋轉(zhuǎn)角度控制在0°～90°內(nèi)最合適；

（3）車橋系統(tǒng)三分力系數(shù)受風(fēng)屏障布置形式影響較小。單、雙側(cè)布置情況下，車橋系統(tǒng)三分力系數(shù)變化趨勢(shì)一致。數(shù)值上表現(xiàn)為沿橋梁雙側(cè)布置的氣動(dòng)力略大于單側(cè)值。因此，在主導(dǎo)風(fēng)基本穩(wěn)定地區(qū)，可只在橋梁主導(dǎo)風(fēng)一側(cè)布置風(fēng)屏障即可取得較好擋風(fēng)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]葉劍. 高速鐵路新型風(fēng)屏障及其橫風(fēng)氣動(dòng)性能數(shù)值模擬研究[D]. 長沙：中南大學(xué)，2014.

YE Jian. New types of wind barrier on high-speed railway and aerodynamic numerical simulation under crosswind[D]. Changsha：Central South University，2014.

[2]田紅旗. 中國列車空氣動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展[J]. 交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2006，6（1）：1—9.

TIAN Hongqi. Study evolvement of train aerodynamics in China[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering，2006，6（1）：1—9.

[3]朱柏鋮. 風(fēng)荷載作用下城市軌道交通車輛軌道動(dòng)力特性及車輛速度限值研究[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2014.

ZHU Bocheng. Study on vehicletrack dynamic characteristics of urban rail transit and vehicle speed limit under wind load[D]. Beijing：Beijing Jiaotong University， 2014.

[4]劉慶寬. 強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下列車運(yùn)行安全保障體系的初步研究[J]. 工程力學(xué)，2010， 27（S1）：305—310.

LIU Qingkuan. Study on the system to ensure train operation safety under strong wind[J]. Engineering Mechanics，2010，27（S1）：305—310.

[5]劉慶寬，杜彥良，喬富貴. 日本列車橫風(fēng)和強(qiáng)風(fēng)對(duì)策研究[J]. 鐵道學(xué)報(bào)， 2008，30（1）：82—88.

LIU Qingkuan，DU Yanliang，QIAO Fugui. Traincrosswind and strong wind countermeasure research in Japan[J]. Journal of the China Railway Society， 2008，30（1）：82—88.

[6]權(quán)曉亮. 鐵路大風(fēng)區(qū)橋梁擋風(fēng)屏抗風(fēng)性能研究[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2012.

QUAN Xiaoliang. The wind resistance research on the bridge windshield of railway wind area[D]. Chengdu：Southwest Jiaotong University，2012.

[7]Kozmar H，Procino L，Borsani A，et al. Optimizing height and porosity of roadway wind barriers for viaducts and bridges[J]. Engineering Structures，81（2014）：49—61.

[8]OguetaGutierrez M， Franchini S， Alonso G. Effects of bird protection barriers on the aerodynamic and aeroelastic behaviour of high speed train bridges[J]. Engineering Structures，2014，81：22—34.

[9]He X H，Zou Y F，Wang H F，et al. Aerodynamic characteristics of a trailing rail vehicles on viaduct based on still wind tunnel experiments[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2014，135：22—33.

[10]何旭輝，鄒云峰，杜風(fēng)峰. 風(fēng)屏障對(duì)高架橋上列車氣動(dòng)特性影響機(jī)理分析[J]. 振動(dòng)與沖擊，2015， 34（3）：66—71.

HE Xuhui，ZOU Yunfeng，DU Feng. Mechanism analysis of wind barriers effects on aerodynamic characteristics of a train on viaduct[J]. Journal of Vibration and Shock，2015，34（3）：66—71.

[11]項(xiàng)超群，郭文華，陳濤，等.風(fēng)屏障對(duì)橋上高速列車氣動(dòng)性能影響的數(shù)值研究[J]，中國鐵道科學(xué)，2014，35（5）：113—120.

XIANG Chaoqun，GUO Wenhua，CHEN Tao，et al. Numerical study on effect of wind barriers on aerodynamic performance of highspeed train on bridge[J]. China Railway Science，2014，35（5）：113—120.

[12]李永樂，向活躍，廖海黎. 基于風(fēng)車橋（ 線） 耦合振動(dòng)的風(fēng)屏障防風(fēng)效果研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2014，47（3）：97—102.

LI Yongle，XIANG Huoyue，LIAO Haili. Study on wind shielding effect of wind screens based on coupling vibration theory of windvehiclebrigde （lines） systems[J]. China Civil Engineering Journal， 2014， 47（3）： 97—102.

[13]張?zhí)?，郭薇薇，夏? 側(cè)向風(fēng)作用下車橋系統(tǒng)氣動(dòng)性能及風(fēng)屏障的影響研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，2013，35（7）：102—106.

ZHANG Tian，GUO Weiwei， XIA He. Aerodynamic characteristics of vehiclebridge system under crosswinds and effects of wind barriers[J]. Journal of the China Railway Society，2013，35（7）：102—106.

[14]李永樂，廖海黎. 線狀多體系統(tǒng)定常氣動(dòng)力節(jié)段模型風(fēng)洞測(cè)試[J]. 流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)與測(cè)試，2004，18（2）：91—94.

LI Yongle， LIAO Haili. Section model wind tunnel test for steady aerodynamic force of linelike multibody system[J]. Experiments and Measurements in Fluid Mechanics，2004，18（2）：91—94.

[15]孫瑛，武岳，曹正罡. 建筑風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)指南[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

SUN Ying，WU Yue，CAO Zhenggang. Guide for Building Wind Tunnel Test[M]. Beijing：China Architecture & Building Press，2011.

[16]劉賢萬，崔志剛. 特大風(fēng)區(qū)防翻車擋風(fēng)墻工程設(shè)計(jì)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究[J]. 中國沙漠，1994，14（3）：38—46.

LIU Xianwan，CUI Zhigang.Study on design of windbreak wall by wind tunnel test in heavy wind zone[J]. Journal of Desert Research，1994，14（3）：38—46.

[17]向活躍，李永樂，胡喆，等. 橋上空隙式風(fēng)屏障縮尺模型模擬方法的風(fēng)洞試驗(yàn)[J]. 工程力學(xué)，2013，30（8）：212—216.

XIANG Huoyue，LI Yongle，HU Zhe，et al. Simulation method of porous wind screen scale model on bridge by wind tunnel tests[J]. Engineering Mechanics， 2013，30（8）：212—216.

[18]何偉，郭向榮，鄒云峰，等. 風(fēng)屏障透風(fēng)率對(duì)車橋系統(tǒng)氣動(dòng)特性影響的風(fēng)洞試驗(yàn)研究[J]. 振動(dòng)與沖擊，2015，34（24）：93—73.

HE Wei， GUO Xiangrong，ZOU Yunfeng，et al. Wind tunnel test on the effect of wind barrier porosity on trainbridge system[J]. Journal of Vibration and Shock，2015，34（24）：93—97.

[19]吳建民. 高等空氣動(dòng)力學(xué)[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1992：3954，164—174.

WU Jianmin. Advanced Aerodynamics[M]. Beijing：Bei Hang University Press，1992：3954，164—174.

Study on windshield performance of the louverstyle wind barrier of rail transit

SHI Kang1，2， CHU Yangjun3， HE Xuhui1，2， QIN Hongxi1，2， LI Huan1，2 ， YU Kehui1，2

（1.School of Civil Engineering， Central South University， Changsha 410075，China；

2.National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction， Changsha 410075， China；

3. China Three Gorges Projects Development Co.， Ltd， Baihetan Project Construction Department，

Chengdu 615421， China）

Abstract： In order to adapt to the complicated wind field environment and improve the safety of vehicle running， a new type of louver wind barrier was developed. Based on a national standard metro bridge as the research object， the louvertype wind barrier was employed to wind tunnel test at the National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction located in Central South University. The effects of aerodynamic characteristics for vehiclebridge system were studied when the louvertype wind barriers were installed on the bridge in different vane rotation angles， and different arrangement conditions. The windshield performance was also discussed between louvertype and ordinary gridtype wind barriers. Computational Fluid Dynamics（CFD） technology was also applied to explain mechanism of the wind barrier. The results show that the louvertype wind barriers can significantly reduce the moment coefficient of trainbridge system. Moreover， windshield performance of louvertype is more evident in comparison with ordinary grilletype wind barrier. Threecomponent coefficients of trainbridge system are certain influenced by vane rotation angles. It is suggest that rotation angles should control within 90°considering the running of vehicles. The effects of arrangement condition is limited， so it can make better effect along installment the wind barriers on the bridge of dominant wind direction.Key words： wind tunnel test； rail transit； louvertype wind barrier； threecomponent coefficients； CFD作者簡(jiǎn)介： 史康（1988—）， 男， 博士研究生。電話： 18508431296； Email： 478491139@qq.com