蘭新二線防風(fēng)明洞風(fēng)載荷特性數(shù)值模擬

霍 卿,梅元貴

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蘭新二線防風(fēng)明洞風(fēng)載荷特性數(shù)值模擬

霍 卿,梅元貴*

蘭州交通大學(xué)甘肅省軌道交通力學(xué)應(yīng)用工程實驗室, 甘肅 蘭州 730070

本文應(yīng)用SST-湍流模型模擬蘭新二線防風(fēng)明洞氣動載荷特性，討論了防風(fēng)明洞毗鄰建筑結(jié)構(gòu)和遠場地貌以及大風(fēng)風(fēng)向?qū)鈩虞d荷的影響。結(jié)果表明：明洞附近的類路塹地貌結(jié)構(gòu)增強了明洞迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)載荷分布的不均勻性；明洞承受最大風(fēng)載荷位置均出現(xiàn)在以明洞中軸線和水平線為直角約60°~75°范圍的迎風(fēng)側(cè)拱頂；75°風(fēng)向角時升力、傾側(cè)和扭轉(zhuǎn)力矩最大；60°時明洞的仰俯效應(yīng)最明顯。研究結(jié)果能夠真實反映防風(fēng)明洞氣動載荷特征。

防風(fēng)明洞; 風(fēng)載荷; 數(shù)值模擬

蘭新第二雙線鐵路東起甘肅省蘭州市，西至新疆烏魯木齊市。全線經(jīng)過的百里風(fēng)區(qū)段全年8級以上大風(fēng)天數(shù)均超過100 d，盛行風(fēng)向主要集中在NNE（東北東）至NNW（北西北）[1,2]。為了保證列車的安全運行，在百里風(fēng)區(qū)沿線設(shè)置了國內(nèi)外首例防風(fēng)明洞。既有國內(nèi)對防風(fēng)明洞的氣動載荷研究僅以單一洞體為研究對象，沒有考慮毗鄰結(jié)構(gòu)及地形地貌的影響[1,3]。國外方面，尚未見對類似防風(fēng)明洞等建筑結(jié)構(gòu)進行研究[4-6]。

本文通過三維數(shù)值模擬方法，考慮明洞本體及周邊地形地貌及相鄰擋風(fēng)設(shè)施，對40 m/s盛行風(fēng)速、15°~90°不同風(fēng)向角下，百里風(fēng)區(qū)防風(fēng)明洞的表面風(fēng)載荷及力學(xué)特性進行研究。分析結(jié)果能夠為防風(fēng)明洞強度校核和安全運營分析提供真實的參考依據(jù)。

1 防風(fēng)明洞結(jié)構(gòu)及計算模型

防風(fēng)明洞全長1149 m，高10 m。近蘭州端與吾普爾大橋相連，橋上設(shè)置擋風(fēng)屏，橋梁另一側(cè)與擋風(fēng)墻和路基相連。近烏魯木齊端設(shè)有柱板式擋風(fēng)墻，擋風(fēng)墻下設(shè)置路基結(jié)構(gòu)，為減少網(wǎng)格量，本文采用防風(fēng)明洞1:10計算模型。并以防風(fēng)明洞縮尺高度（1 m）作為特征尺度H，整個計算域長200 H、寬40 H、高40 H。計算域保證了明洞附近的流動對邊界無影響。如圖1所示。模型中具體細節(jié)如圖2所示，其中圖（a）中表示風(fēng)向角，U表示來流風(fēng)向。

①:滑移壁面（橫風(fēng)） Sliding wall (crosswind)，入流邊界（其余風(fēng)向）Inflow boundary ( other wind directions); ②:滑移壁面（橫風(fēng)） Sliding wall (crosswind)，壓力出口（其余風(fēng)向） Pressure exit (other wind directions); ③:入流邊界 Inflow boundary; ④:壓力出口 Pressure exit

圖 2 模型端口細節(jié)及風(fēng)向角示意

2 數(shù)值計算方法及定解條件

2.1 控制方程及求解條件

本文中防風(fēng)明洞內(nèi)外部的空氣按有粘氣體處理，采用SST湍流模型數(shù)值求解防風(fēng)明洞內(nèi)外部的三維定常不可壓縮湍流流動，壁面采用高+壁面處理。求解連續(xù)性方程、動量方程和SST湍流模型方程。

式中，上標“—、~”分別表示物理量的時均、質(zhì)量加權(quán)平均和脈動量，、、U分別為空氣的密度、壓力（表壓）、速度為平均運動的應(yīng)力張量。

湍流的模擬采用SST模型，其控制方程為：

本文用SIMPLE算法求解壓力速度耦合問題，各方程用中心差分格式離散擴散項，用MARS格式離散對流項；用代數(shù)多重網(wǎng)格法（AMG）求解離散的代數(shù)方程組。

2.2 邊界條件與網(wǎng)格劃分

本文模型中防風(fēng)明洞、擋風(fēng)墻和地面等為無滑移靜止壁面。擋風(fēng)屏按照多孔介質(zhì)處理[7]。洞外開闊空間在橫風(fēng)條件下設(shè)置滑移靜置壁面、速度入口和壓力出口。其余風(fēng)向角工況為速度入口和壓力出口，如圖1所示。本文縮比模型的計算網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格，其中外流場主要采用六面體核心網(wǎng)格（Trim網(wǎng)格），在明洞本體、擋風(fēng)墻、橋梁、擋風(fēng)屏等部件均采用棱柱網(wǎng)格（Prism網(wǎng)格），這樣可以更好地模擬粘性占主導(dǎo)區(qū)域的流動[8]。為了保證棱柱網(wǎng)格和六面體核心網(wǎng)格間的良好過渡，在明洞模型表面的棱柱網(wǎng)格設(shè)置為6層，網(wǎng)格增長比為1.2，總體計算網(wǎng)格量達到5200萬左右。

2.3 氣動力系數(shù)與數(shù)值方法驗證

風(fēng)載荷作用于明洞結(jié)構(gòu)時，明洞會受到來流氣動力的作用。式（5）中C、C、C、C、C、C分別為阻力系數(shù)、側(cè)向力系數(shù)、升力系數(shù)、傾側(cè)力矩系數(shù)、俯仰力矩系數(shù)和扭轉(zhuǎn)力矩系數(shù)；V為風(fēng)速；和分別為明洞對應(yīng)的固體壁面上各個網(wǎng)格單元所受到的合外力和力矩，下標，，表示氣動力在笛卡爾坐標系各方向的分量；為參考半徑，取明洞寬度；為明洞側(cè)面積。

從大長細比的幾何外形上比較，防風(fēng)明洞與高速列車結(jié)構(gòu)周圍的流動相似，本文應(yīng)用的模擬方法和網(wǎng)格布局與CRH380A高速列車1:8縮尺的風(fēng)洞模型試驗的結(jié)果進行對比，進而間接驗證方法的合理性。數(shù)據(jù)來源于文獻[9][10]。

表 1 試驗值與計算值對比

表1給出了不同風(fēng)向角下整車氣動力學(xué)系數(shù)本文數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗結(jié)果的比較。從以上的數(shù)據(jù)對比結(jié)果可以看出，不同風(fēng)向角下整車的阻力、側(cè)向力和升力的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好。證明本文網(wǎng)格布局及計算方法的可靠性。

3 防風(fēng)明洞風(fēng)載荷數(shù)值模擬

3.1 橫風(fēng)下防風(fēng)明洞橫向壓力特征

圖 3 明洞表面壓力云圖

圖3（a）、（b）給出橫風(fēng)工況下防風(fēng)明洞迎風(fēng)側(cè)與背風(fēng)側(cè)的壓力分布云圖，迎風(fēng)側(cè)通體呈正壓特征，且由底部向拱頂處逐漸過渡成負壓，負壓極值出現(xiàn)在拱頂處。背風(fēng)側(cè)通體呈負壓特征。觀察明洞蘭州端，由于洞體與周圍的山丘地貌結(jié)構(gòu)形成“路塹”結(jié)構(gòu)，使得迎風(fēng)側(cè)正壓區(qū)分布不均勻，且正壓度較洞體中段略有減弱，背風(fēng)側(cè)的負壓度增強。明洞中段路基兩側(cè)地勢平緩，其正壓和負壓的分布均勻。

3.2 防風(fēng)明洞周向壓力分布特征

圖 4 不同斷面內(nèi)外表面周向壓力系數(shù)

對比三個斷面內(nèi)表面周向壓力系數(shù)可知，在15°、30°兩種小角度風(fēng)向下，流體從明洞烏魯木齊端流入并沿洞體向蘭州端運動，使得明洞烏魯木齊端內(nèi)表面呈正壓分布，且風(fēng)向角越小正壓度越大。但這種正壓的趨勢隨著流體的運動逐漸減弱，并在蘭州端恢復(fù)負壓。其余風(fēng)向角下明洞內(nèi)表面均呈均勻負壓分布，幅值隨著風(fēng)向角增大而增大。

3.3 風(fēng)向角對防風(fēng)明洞風(fēng)載荷影響特性

防風(fēng)明洞為預(yù)制拼接結(jié)構(gòu)，拼接位置存在接縫。研究表明：拼接疊合的混凝土梁結(jié)構(gòu)在發(fā)生疲勞破壞時，其拼接面以及附近位置的裂縫集中，說明拼接面的承載能力相對較為薄弱[11]。鑒于以上研究結(jié)果和3.2節(jié)分析結(jié)論，本節(jié)在三個斷面明洞內(nèi)外表面的迎風(fēng)側(cè)最大正壓區(qū)（位置2）、拱頂最大負壓區(qū)（位置4）、迎風(fēng)、背風(fēng)側(cè)拱腰接縫處（位置3、5）和墻角接縫處取典型位置（位置1、6），如圖5所示。在各種風(fēng)向角下，對比三個斷面各典型位置的內(nèi)外表面載荷差值，即總載荷值，得出最不利位置。

圖 5 斷面測點位置

表 2 不同風(fēng)向下明洞最可能出現(xiàn)疲勞破壞接縫的位置

表2給出了通過數(shù)值模擬得到的不同風(fēng)向下，最容易出現(xiàn)疲勞的接縫位置。通過表的數(shù)據(jù)顯示，在15°和30°小風(fēng)向角時，最容易出現(xiàn)氣動疲勞的接縫位置分別出現(xiàn)在在背風(fēng)側(cè)拱腰和迎風(fēng)側(cè)拱腰接縫處，而當(dāng)風(fēng)向大于等于45°時疲勞位置均出現(xiàn)在迎風(fēng)墻角接縫處。

3.4 風(fēng)向角對防風(fēng)明洞氣動力影響特性

不同風(fēng)向影響下，風(fēng)載荷對明洞本體的阻力、側(cè)向力、和升力作用不同，同時對明洞產(chǎn)生的傾覆、仰俯和扭轉(zhuǎn)效應(yīng)影響也很大。圖6（a）、（b）給出不同風(fēng)向下明洞本體的阻力（方向）、側(cè)向力（方向）、升力（方向）特性和傾覆力矩、仰俯力矩和扭轉(zhuǎn)力矩特性。隨著風(fēng)向角的增大，明洞受到的阻力成線性減小，但減小的梯度不大。升力和側(cè)向力隨著風(fēng)向角的增大呈增大趨勢。當(dāng)風(fēng)向角75°時，升力為最大。橫風(fēng)時，側(cè)向力達到最大。對于風(fēng)向角對明洞氣動力矩的影響，當(dāng)風(fēng)向角為60°時明洞的仰俯力矩為最大。風(fēng)向角75°時傾側(cè)和扭轉(zhuǎn)效應(yīng)最明顯。

圖 6 不同風(fēng)向角明洞空氣動力學(xué)系數(shù)

4 結(jié)語

關(guān)于蘭新二線防風(fēng)明洞的研究多是基于明洞單一本體進行的。本文在考慮毗鄰結(jié)構(gòu)和地形地貌、風(fēng)向等因素的影響下，對防風(fēng)明洞的風(fēng)載荷特性進行了研究，研究表明，受到地貌及毗鄰結(jié)構(gòu)的影響，明洞不同位置受到的氣動力特性也不同，地貌形成的路塹結(jié)構(gòu)使明洞蘭州端口正壓減弱、負壓增強且分布的不均勻性增強。風(fēng)向的變化對于明洞端口的表面壓力分布特性的影響更為明顯，15°和30°風(fēng)向改變了烏魯木齊端口內(nèi)表面的正壓特性。在風(fēng)向15°時和30°時最容易出現(xiàn)氣動疲勞的接縫位置分別出現(xiàn)在在背風(fēng)側(cè)拱腰和迎風(fēng)側(cè)拱腰接縫處，風(fēng)向大于等于45°時疲勞位置均出現(xiàn)在迎風(fēng)墻角接縫處；當(dāng)風(fēng)向角為60°時明洞的仰效應(yīng)最明顯，風(fēng)向角為75°時傾側(cè)和扭轉(zhuǎn)效應(yīng)最明顯。本文得到較真實防風(fēng)明洞的風(fēng)載荷特性，能夠為明洞的抗風(fēng)補強設(shè)計及安全運營提供依據(jù)。

[1] 郭春,王明年.蘭新第二雙線鐵路防風(fēng)明洞實驗段風(fēng)載荷數(shù)值模擬研究[J].防風(fēng)減災(zāi)工程學(xué)報,2014,34(1):7-12

[2] 戴增強.蘭新二線防風(fēng)明洞結(jié)構(gòu)安全性數(shù)值模擬研究[D].成都:西南交通大學(xué),2011:32

[3] 靳寶成.鐵路拱形防風(fēng)明洞風(fēng)載荷研究[J].鐵道標準設(shè)計,2014,58(4):61-64

[4] Fujii T, Maeda T, Ishida H,. Wind-induced accidents of train/vehicles and their measures in Japan[J]. Quarterly Report of RTRI, 1999,40(1):50-55

[5] Baker CJ, Cheli F, Orellano A,. Cross-wind effects on road and rail vehicles[J]. Vehicle System Dynamics, 2009,47(8):983-1022

[6] 韓艷,蔡春聲,胡揭玄.橫風(fēng)作用下移動車輛和橋梁氣動特性的數(shù)值模擬研究[C]//第十五屆全國結(jié)構(gòu)風(fēng)工程學(xué)術(shù)會 議暨第一屆全國風(fēng)工程研究生論壇論文集.杭州:中國土木工程學(xué)會,中國空氣動力學(xué)會,2011:106-109

[7] 張成玉,陳曉麗.橋梁擋風(fēng)屏基本單元多孔介質(zhì)模型數(shù)值建模[J].鐵道科學(xué)與工程,2016,13(1):117-124

[8] 姚遠.列車典型區(qū)域非定常氣動特性研究[D].北京:中國科學(xué)院大學(xué),2013:75

[9] 南車青島四方車輛股份有限公司.新一代高速列車風(fēng)洞試驗報告[R].青島:南車青島四方車輛股份有限公司,2009

[10] 張成玉.明線上高速列車外部流動非定常特性研究[D].蘭州:蘭州交通大學(xué),2016:77-79

[11] 王俊,田春雨,顏鋒,等.拼接混凝土疊合梁受彎性能試驗研究[J].建筑科學(xué),2015,31(11):57-61

Numerical Simulation for Wind Load Characteristics of Anti-wind Tunnel on Round-trip Railways of Lanzhou-Xinjiang

HUO Qing, MEI Yuan-gui*

730070,

The aerodynamic characteristics of the anti-wind tunnel on Lanzhou-Xinjiang high-speedrailway under constant-velocity cross-wind was studied using SST-turbulence model with considering of the effect of the adjacent buildings and far field effect of landform and different directions. Research shows that the landformwhich similar to the road cut structure enhanced the uneven distribution of the load on the upwind side and the leeward side of anti-wind tunnel. The maximum wind load location is on the top of the upwind side between the axis and the horizontal line in about 60°~75°range under all wind directions. It is pointed The lift, overturning moment and torsion effect of the anti-wind tunnel is maximum at 75°wind angle. The pitching effect is obvious at 60°wind angle. The results can reflect the reality aerodynamic load characteristics of the anti-wind tunnel.

Anti-wind tunnel; wind load; numerical simulation

U270.1

A

1000-2324(2018)05-0800-05

10.3969/j.issn.1000-2324.2018.05.015

2017-06-10

2017-08-23

中國鐵路總公司蘭新鐵路第二雙線大風(fēng)條件下行車安全專項試驗(Z2014-034)

霍卿(1984-),男,博士研究生,主要從事高速列車空氣動力學(xué)研究. E-mail:813956241@qq.com

通訊作者:Author for correspondence. E-mail:meiyuangui@163.com