蘭新高速鐵路風(fēng)區(qū)橋上擋風(fēng)結(jié)構(gòu)合理參數(shù)研究

王昌鵬

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

蘭新既有普速鐵路因大風(fēng)造成的列車停運(yùn)經(jīng)常發(fā)生，且發(fā)生過列車被大風(fēng)吹翻事故，嚴(yán)重影響鐵路運(yùn)行效率和安全[1]。日本新干線經(jīng)驗(yàn)證明[2]，設(shè)置擋風(fēng)屏，可減少停運(yùn)次數(shù)，降低橫風(fēng)對(duì)列車的影響。

蘭新高速鐵路通過風(fēng)區(qū)長度約540 km，為滿足蘭新高速鐵路區(qū)運(yùn)營安全，通過數(shù)值風(fēng)洞模擬，研究不同高度、開孔率及車速下的列車氣動(dòng)性能，為橋梁擋風(fēng)屏的設(shè)置提供理論依據(jù)。

1 單側(cè)擋風(fēng)屏二維CFD氣動(dòng)選型分析

1.1 數(shù)值分析方法

由于馬赫數(shù)小于0.3，車輛的空氣繞流是不可壓縮流體流動(dòng)問題[3]。流體流動(dòng)是處于完全紊流狀態(tài)，所用的數(shù)學(xué)模型是高雷諾數(shù)的全Navier-Stokes方程。有限體積采用SIMPLE方法計(jì)算。紊流模型采用k-ε兩方程模型，采用壁面函數(shù)對(duì)k-ε模型在近壁區(qū)域進(jìn)行修正。

1.2 計(jì)算內(nèi)容

采用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent對(duì)橋梁擋風(fēng)屏的風(fēng)載參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析[4-5]?？紤]不同開孔率、不同高度擋風(fēng)屏進(jìn)行分析，橋梁為箱型截面梁，計(jì)算中考慮：

1)不同高度擋風(fēng)屏的擋風(fēng)效果(擋風(fēng)屏設(shè)置高度2～5 m)；

2)不同開孔率條件下?lián)躏L(fēng)屏的擋風(fēng)效果(擋風(fēng)屏開孔率30%，20%，0%)；

3)列車位于上風(fēng)側(cè)、下風(fēng)側(cè)及雙線行車時(shí)列車氣動(dòng)力系數(shù)。

列車、主梁、擋風(fēng)屏等的三分力分別為Fx,Fy,Mz，其計(jì)算式如下

ρV2HLCx

(1)

(2)

(3)

式中：ρ為空氣密度；V為風(fēng)速；當(dāng)計(jì)算列車的靜力系數(shù)時(shí)，H取列車的高度,L為列車的長度;當(dāng)計(jì)算擋風(fēng)屏和橋梁的系數(shù)時(shí)，H為橋梁中心線的高度，L為自然風(fēng)作用在橋梁跨向的長度。Cx,Cy,CMz為相應(yīng)的三分力系數(shù)，分別稱為阻力系數(shù)、升力系數(shù)、力矩系數(shù)。

1.3 分析結(jié)果

1.3.1 擋風(fēng)屏后風(fēng)場(chǎng)變化

計(jì)算時(shí)橫向風(fēng)來流風(fēng)速取為40 m/s。安置擋風(fēng)屏之后，列車處的空間風(fēng)場(chǎng)發(fā)生變化。設(shè)置高4 m、開孔率20%擋風(fēng)屏后，風(fēng)速等值線如圖1所示。

圖1 擋風(fēng)屏后風(fēng)速等值線

由圖1可知，擋風(fēng)屏阻擋部分橫風(fēng)，同時(shí)屏后形成空氣紊流，列車所受的風(fēng)速顯著減少;接觸網(wǎng)處風(fēng)速有加強(qiáng)的趨勢(shì)，當(dāng)擋風(fēng)屏高度為4 m時(shí)，接觸網(wǎng)處風(fēng)速的加強(qiáng)幅度平均有20%。

1.3.2 列車氣動(dòng)參數(shù)變化規(guī)律

列車處于擋風(fēng)屏內(nèi)側(cè)時(shí)，列車的側(cè)力系數(shù)及側(cè)翻力矩系數(shù)隨擋風(fēng)屏高度的變化曲線見圖2。

圖2 列車傾覆系數(shù)隨擋風(fēng)屏高度的變化曲線

由圖2可知：①擋風(fēng)屏高度在3 m以上時(shí)，側(cè)翻力矩系數(shù)變化較小。針對(duì)傾覆穩(wěn)定性而言，擋風(fēng)屏最小高度應(yīng)大于3 m。②開孔率對(duì)傾覆穩(wěn)定性有一定的影響，當(dāng)開孔率增大時(shí)，列車的側(cè)力系數(shù)和側(cè)翻力矩系數(shù)有增大的趨勢(shì)。低開孔率情況下，列車出現(xiàn)往擋風(fēng)屏傾倒的趨勢(shì)。

2 雙側(cè)擋風(fēng)屏二維CFD分析

計(jì)算考慮了2種類型的擋風(fēng)屏，一種是立柱骨架貫通，擋風(fēng)板頂部開天窗的半封閉擋風(fēng)屏方案，三分力系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表1。另外一種是立柱骨架貫通，擋風(fēng)板全封閉的擋風(fēng)屏，三分力系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表2。兩種方案的開孔率均為20%，梁部均為箱型梁。

表1 半封閉結(jié)構(gòu)三分力系數(shù)計(jì)算結(jié)果

表2 全封閉結(jié)構(gòu)三分力系數(shù)計(jì)算結(jié)果

封閉擋風(fēng)結(jié)構(gòu)的擋風(fēng)屏三分力系數(shù)以擋風(fēng)屏的結(jié)構(gòu)高度為特征尺寸。由表1、表2可知,擋風(fēng)板全封閉時(shí)，列車的阻力系數(shù)及力矩系數(shù)要小于半封閉時(shí)，更為安全。

3 三維動(dòng)車模型CFD分析

三維動(dòng)車模型計(jì)算的目的是研究列車在高速運(yùn)行情況下的氣動(dòng)力。分別計(jì)算了列車速度為0,150,200,250,300,350 km/h時(shí)列車受到的氣動(dòng)載荷。列車在全封閉和半封閉擋風(fēng)屏中較為安全，本計(jì)算只考慮單側(cè)擋風(fēng)屏的情況。

3.1 計(jì)算模型及方法

高速列車速度350 km/h，自然風(fēng)速達(dá)40 m/s以上，氣體繞流速度大于0.3倍當(dāng)?shù)匾羲?，需要考慮空氣壓縮性的影響。因此，高速列車周圍的流場(chǎng)是完全的三維、黏性、可壓縮、非穩(wěn)態(tài)湍流流場(chǎng)。

本項(xiàng)目的研究采用有限容積法離散方程，壓力與速度的耦合采用SIMPLE算法求解。

列車與擋風(fēng)屏周圍的網(wǎng)格劃分見圖3。整個(gè)計(jì)算域均為四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，共計(jì)約600×104個(gè)單元。

圖3 有擋風(fēng)屏和有車時(shí)的計(jì)算網(wǎng)格(橫截面放大)

為分析研究擋風(fēng)屏對(duì)減緩列車氣動(dòng)作用的效果，對(duì)比計(jì)算無擋風(fēng)屏和有擋風(fēng)屏?xí)r，以及零開孔率和20%開孔率時(shí)列車的氣動(dòng)作用。

3.2 列車周圍的流場(chǎng)分布

無擋風(fēng)屏?xí)r列車頭部表面靜壓分布見圖4。

圖4 無擋風(fēng)屏?xí)r列車頭部表面的靜壓分布

由圖4可知，因側(cè)風(fēng)使車頭的前導(dǎo)區(qū)中心朝迎風(fēng)側(cè)偏移，在車頭表面形成了較大的局部正壓，而車頭的幾何外形使得氣流在翻越車頭時(shí)流速增大，并在邊界突變處氣流發(fā)生分離，在車頭被風(fēng)側(cè)區(qū)域造成局部的負(fù)壓峰值。列車其它均勻截面處，同樣存在迎風(fēng)側(cè)正壓，被風(fēng)側(cè)負(fù)壓的現(xiàn)象。

設(shè)置開孔率20%、高4 m擋風(fēng)屏之后，列車頭部表面靜壓分布見圖5?？芍瑩躏L(fēng)屏后區(qū)域空氣流速小，列車迎風(fēng)側(cè)表面壓強(qiáng)較小，繞流負(fù)壓區(qū)不明顯，車頭處的正壓峰值區(qū)域基本位于車頭正中心，表明側(cè)風(fēng)對(duì)列車的影響已經(jīng)明顯降低。

圖5 設(shè)置開孔率20%、高4 m擋風(fēng)屏后列車頭部 表面的靜壓分布

3.3 列車受到的氣動(dòng)力

為了更直觀反映在自然風(fēng)速不變時(shí)列車受到的氣動(dòng)力隨列車速度的變化情況，給出了2種開孔率的擋風(fēng)屏側(cè)翻力矩系數(shù)之間的對(duì)比，見圖6。

圖6 擋風(fēng)屏列車側(cè)翻力矩系數(shù)隨車速的變化曲線

由圖6可知，設(shè)置擋風(fēng)屏后列車受到的氣動(dòng)作用顯著減小，擋風(fēng)屏防風(fēng)作用明顯。2種開孔率下，氣動(dòng)力隨列車速度的變化規(guī)律相同，擋風(fēng)屏開孔率為20%的列車高速運(yùn)行時(shí)受到的氣動(dòng)力比擋風(fēng)屏開孔率為0時(shí)要小。

4 結(jié)論

1)擋風(fēng)屏阻擋部分橫向風(fēng)，同時(shí)屏后形成空氣紊流，列車所受的風(fēng)速顯著減少。

2)擋風(fēng)結(jié)構(gòu)最佳高度為4 m，開孔率為20%；

3)擋風(fēng)板全封閉時(shí)列車的阻力系數(shù)及力矩系數(shù)要小于半封閉時(shí)，更為安全。

以上研究為我國高速鐵路強(qiáng)橫向風(fēng)作用下列車運(yùn)營安全、橋梁擋風(fēng)屏的使用場(chǎng)合及橋梁擋風(fēng)屏的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。并可對(duì)其它受大風(fēng)或臺(tái)風(fēng)影響地區(qū)相關(guān)工程建設(shè)提供參考。

[1]賈國裕.蘭新鐵路大風(fēng)災(zāi)害及其對(duì)策[J].路基工程，2008，26(2):195-197.

[2]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.

[3]項(xiàng)海帆,葛耀君,朱樂東,等.現(xiàn)代橋梁抗風(fēng)理論與實(shí)踐[M].北京:人民交通出版社,2005.

[4]何濤,王昌鵬,馬存明,等.新建鐵路蘭州至烏魯木齊第二雙線高速鐵路橋梁防風(fēng)技術(shù)研究成果報(bào)告[R].西安：中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2013.

[5]黃雙林.新建鐵路蘭州至烏魯木齊第二雙線防風(fēng)綜合技術(shù)措施研究[R].西安：中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2015.