基于氣動(dòng)效應(yīng)的鐵路橋梁風(fēng)屏障設(shè)計(jì)與分析

武月恒

（鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300142）

0 引言

強(qiáng)風(fēng)對(duì)列車(chē)運(yùn)行的安全影響極大，加強(qiáng)對(duì)大風(fēng)天氣的預(yù)測(cè)并采取合適的防護(hù)措施尤其重要［1-2］，目前主流的方法有3種：（1）改進(jìn)車(chē)輛外形；（2）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)行區(qū)段風(fēng)況來(lái)控制車(chē)速；（3）在線(xiàn)路周?chē)O(shè)置防風(fēng)結(jié)構(gòu)。目前列車(chē)外形經(jīng)過(guò)多年改進(jìn)其氣動(dòng)性能已無(wú)法再得到有效提高，實(shí)時(shí)監(jiān)控需在全線(xiàn)另設(shè)置一整套先進(jìn)設(shè)備，經(jīng)濟(jì)適用性差，這種實(shí)時(shí)控制引起的降速也會(huì)導(dǎo)致高鐵無(wú)法準(zhǔn)時(shí)，所以目前綜合來(lái)看最優(yōu)解是風(fēng)區(qū)沿線(xiàn)建立風(fēng)屏障。

我國(guó)對(duì)于列車(chē)氣動(dòng)效應(yīng)的研究起步較晚，鐵路抗風(fēng)工程在20世紀(jì)90年代建立風(fēng)洞后開(kāi)始興起，隨后伴隨著計(jì)算機(jī)的不斷升級(jí)以及大量流體計(jì)算軟件的開(kāi)發(fā)，數(shù)值模擬越來(lái)越受到研究人員的關(guān)注。王厚雄等［3］通過(guò)風(fēng)洞縮尺試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)由于擋風(fēng)墻的幾何特點(diǎn)，空氣通過(guò)擋風(fēng)墻時(shí)被分離開(kāi)，在靠近擋風(fēng)墻尾跡區(qū)底部附近時(shí)，空氣流回分離區(qū)來(lái)補(bǔ)充被卷吸走的部分空氣，形成尾渦區(qū)，在車(chē)輛迎風(fēng)面的尾渦區(qū)形成負(fù)壓，向逆風(fēng)側(cè)吸引車(chē)體，提高了車(chē)輛抗傾覆的能力。高廣軍等［4］依據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)安裝風(fēng)屏障后車(chē)輛迎風(fēng)面由大部分正壓轉(zhuǎn)為負(fù)壓，擋風(fēng)墻高度較低時(shí)，車(chē)輛受到隨高度增加而減小的橫向力，減小到一定高度后橫向力變?yōu)樨?fù)值，傾覆力矩變化情況與其正好相反。根據(jù)以上研究資料顯示，加裝風(fēng)屏障會(huì)使列車(chē)與防風(fēng)裝置之間的空氣流動(dòng)發(fā)生變化、產(chǎn)生漩渦，導(dǎo)致高速列車(chē)受力情況發(fā)生變化，比如風(fēng)屏障設(shè)置過(guò)低則無(wú)法擋風(fēng)，設(shè)置過(guò)高又會(huì)給列車(chē)背風(fēng)面施加力，使列車(chē)有倒向迎風(fēng)側(cè)的趨勢(shì)。雙線(xiàn)橋梁上高速列車(chē)的運(yùn)行位置分為上風(fēng)線(xiàn)和下風(fēng)線(xiàn)，列車(chē)與風(fēng)屏障相對(duì)位置的不同使得其間流動(dòng)空腔不同，進(jìn)而導(dǎo)致列車(chē)表面受力不同。這些變量的改變對(duì)列車(chē)運(yùn)行的影響均值得重點(diǎn)討論，因此重點(diǎn)分析風(fēng)屏障高度變化對(duì)列車(chē)受力產(chǎn)生的影響，研究雙線(xiàn)橋上列車(chē)位置不同對(duì)列車(chē)表面壓力的影響。

1 車(chē)-橋-風(fēng)屏障系統(tǒng)設(shè)計(jì)與氣動(dòng)仿真模型

高速列車(chē)速度為300 km/h，橫風(fēng)速度為15～30 m/s，馬赫數(shù)未達(dá)到0.3，所以可以不考慮流體的可壓縮性。

1.1 計(jì)算區(qū)域確定

高速列車(chē)在流場(chǎng)中運(yùn)行時(shí)，車(chē)體附近的流場(chǎng)會(huì)因受力發(fā)生變化，而當(dāng)距離列車(chē)足夠遠(yuǎn)后這種變化會(huì)趨于穩(wěn)定，在設(shè)置計(jì)算區(qū)域時(shí)，區(qū)域尺寸的選取會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果造成影響。在計(jì)算區(qū)域內(nèi)，流場(chǎng)需要能夠充分發(fā)展，流場(chǎng)邊界的設(shè)置不能距模型過(guò)近，否則會(huì)使多個(gè)面發(fā)生回流現(xiàn)象嚴(yán)重影響計(jì)算結(jié)果。

通常情況下，列車(chē)與流場(chǎng)邊界的距離要大于5倍車(chē)寬，尾流區(qū)要大于20倍車(chē)寬以使流場(chǎng)充分發(fā)展，豎直方向只要邊界設(shè)置不影響列車(chē)上部空氣擾流即可。將流場(chǎng)頂面定義為SYMMETRY可進(jìn)一步降低流場(chǎng)阻塞效應(yīng)。

列車(chē)速度方向沿x軸，橫風(fēng)方向沿y軸，z軸為垂直地面方向。以此基準(zhǔn)建立流場(chǎng)區(qū)域，x、y、z三個(gè)方向的長(zhǎng)度分別為200、50、100 m。流場(chǎng)及車(chē)-橋-風(fēng)屏障模型示意見(jiàn)圖1。

圖1 流場(chǎng)及車(chē)-橋-風(fēng)屏障模型示意圖

1.2 計(jì)算網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分的疏密程度直接影響結(jié)果精確度，但不能為了提高精確度將全流場(chǎng)區(qū)域都劃分為尺寸很小的網(wǎng)格，因?yàn)榱鲌?chǎng)變動(dòng)在遠(yuǎn)離模型一定程度后就趨于穩(wěn)定，網(wǎng)格細(xì)致程度對(duì)這一區(qū)域影響不大。為了盡可能不占用過(guò)多計(jì)算機(jī)資源，同時(shí)使數(shù)值計(jì)算能夠有效進(jìn)行，需要在貼近車(chē)體、橋和風(fēng)屏障的表面劃分細(xì)致的網(wǎng)格，而遠(yuǎn)離模型部分的網(wǎng)格則相對(duì)大些［5］。

Gambit中網(wǎng)格分為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格2種，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量少、計(jì)算結(jié)果更精確，但考慮到車(chē)-橋-風(fēng)屏障模型外形比較復(fù)雜，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的四面體結(jié)構(gòu)更能適應(yīng)，所以該算例使用設(shè)置好的尺寸函數(shù)以非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)整個(gè)流場(chǎng)進(jìn)行離散。網(wǎng)格繪制完成后顯示網(wǎng)格數(shù)約為3×106個(gè)（見(jiàn)圖2）。

圖2 橫截面網(wǎng)格質(zhì)量

1.3 邊界條件設(shè)定

數(shù)值計(jì)算時(shí)，首先定義一個(gè)有限區(qū)域，也被稱(chēng)作計(jì)算域，其邊界由人為界定，該部分設(shè)定是計(jì)算的重要環(huán)節(jié)。在求解計(jì)算前需要設(shè)置合理的邊界條件，邊界條件要盡量接近現(xiàn)實(shí)情況。計(jì)算模型需要設(shè)置的邊界條件包括入口、出口、壁面以及對(duì)稱(chēng)邊界條件。

根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理，假設(shè)列車(chē)不動(dòng)，空氣從列車(chē)正面迎來(lái)，速度與列車(chē)正常行駛速度相同。具體設(shè)定如下：

（1）入口邊界條件：流場(chǎng)前面和右側(cè)面定義為VELOCITY_INLET，該邊界條件適合設(shè)置于不可壓縮流體。在FLUENT中前面設(shè)定速度為83.3 m/s（模擬列車(chē)以83.3 m/s的速度行駛），右側(cè)面設(shè)定速度為20 m/s（模擬橫風(fēng)速度20 m/s）。

（2）出口邊界條件：流場(chǎng)后面和左側(cè)面定義為PRESSURE_OUTLET，該處不用OUTFLOW作為出口條件，原因是其在有回流情況下不容易在計(jì)算中收斂。

（3）壁面邊界條件：列車(chē)車(chē)體整體定義為T(mén)RAIN-WALL；橋-風(fēng)屏障整體定義為QIAOFPZ-WALL，在FLUENT中設(shè)置為moving wall，速度設(shè)為83.3 m/s；流場(chǎng)底面定義為WALL。將模型設(shè)定為WALL以模擬真實(shí)情況下列車(chē)與橋梁、風(fēng)屏障對(duì)氣流的阻擋作用。

（4）對(duì)稱(chēng)邊界條件：將流場(chǎng)頂面設(shè)置為SYMMETRY。

2 橋梁加裝風(fēng)屏障前后對(duì)列車(chē)周?chē)鲌?chǎng)的影響

以FLUENT中的車(chē)-橋-風(fēng)屏障氣動(dòng)模型計(jì)算結(jié)果為依托，輔以Tecplot后處理軟件輸出的壓力云圖、速度流線(xiàn)圖，討論橋梁加裝風(fēng)屏障前后列車(chē)周?chē)鲌?chǎng)結(jié)構(gòu)、列車(chē)表面所受氣動(dòng)力的變化。

2.1 上風(fēng)線(xiàn)加裝風(fēng)屏障前后列車(chē)周?chē)鲌?chǎng)變化

2.1.1 橋梁加裝風(fēng)屏障后列車(chē)流場(chǎng)變化

運(yùn)行在上風(fēng)線(xiàn)的列車(chē)在橫風(fēng)速度為20 m/s下加裝風(fēng)屏障（風(fēng)屏障高3 m）前后，列車(chē)中部周?chē)鲌?chǎng)分布變化見(jiàn)圖3。未設(shè)立風(fēng)屏障前，來(lái)流直接作用于車(chē)和橋的迎風(fēng)側(cè)，遇到的車(chē)橋阻礙被分流為三部分：一是向下繞過(guò)橋梁下表面；二是向上繞過(guò)車(chē)頂；三是從車(chē)和橋之間的空隙流出。由圖3（a）可以看出，未設(shè)置風(fēng)屏障時(shí)，列車(chē)迎風(fēng)側(cè)沒(méi)有形成漩渦，背風(fēng)側(cè)由流經(jīng)列車(chē)上表面和流經(jīng)車(chē)橋空隙的氣流形成2股氣流漩渦。

圖3 加裝風(fēng)屏障前后列車(chē)中部周?chē)鲌?chǎng)分布變化

由圖3（b）可以看出，加裝3 m風(fēng)屏障后，空氣流動(dòng)具有明顯改變：橫風(fēng)受到風(fēng)屏障的阻擋作用，一部分被抬高后流經(jīng)車(chē)頂，使車(chē)頂周?chē)諝饬魉俚玫教嵘徊糠掷@過(guò)風(fēng)屏障在車(chē)迎風(fēng)側(cè)和風(fēng)屏障之間形成漩渦，一部分流經(jīng)列車(chē)頂部后在車(chē)背風(fēng)側(cè)和風(fēng)屏障之間形成漩渦。氣旋依次經(jīng)過(guò)頭車(chē)、車(chē)身、車(chē)尾向后流動(dòng)，流場(chǎng)得到充分發(fā)展，所以漩渦有從前往后增大的趨勢(shì)。與未安裝風(fēng)屏障時(shí)不同，列車(chē)兩側(cè)均有漩渦形成，且背風(fēng)側(cè)的氣流漩渦明顯大于迎風(fēng)側(cè)。列車(chē)背風(fēng)側(cè)的漩渦結(jié)構(gòu)形式較未設(shè)置風(fēng)屏障時(shí)簡(jiǎn)單，只有1個(gè)大的氣流漩渦，這是由于安裝風(fēng)屏障后流經(jīng)車(chē)底空隙的氣流在背風(fēng)側(cè)未繼續(xù)形成漩渦。風(fēng)屏障使橫風(fēng)不能直接作用于車(chē)體表面，可以對(duì)列車(chē)所受到的橫向氣動(dòng)力起到一定程度上的緩解作用。

2.1.2 列車(chē)周?chē)鷼鈮悍植?/p>

安裝風(fēng)屏障前后上風(fēng)線(xiàn)列車(chē)中部周?chē)鷫毫υ茍D見(jiàn)圖4，結(jié)合圖3可以看出風(fēng)屏障的作用主要靠改變列車(chē)周?chē)鷼饬魉俣扰c氣壓影響列車(chē)的氣動(dòng)力，而氣壓變化與氣流漩渦具有一定相關(guān)性。

圖4 上風(fēng)線(xiàn)列車(chē)中部周?chē)鷫毫υ茍D

根據(jù)計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果，在未安裝風(fēng)屏障時(shí)列車(chē)迎風(fēng)側(cè)所受空氣壓強(qiáng)為正，從車(chē)頭到車(chē)尾正壓逐漸減小，從車(chē)頭所受壓強(qiáng)7 000 Pa減小到車(chē)尾2 000 Pa左右；背風(fēng)側(cè)所受壓強(qiáng)未見(jiàn)明顯變化。在車(chē)頭背風(fēng)側(cè)形成了負(fù)壓區(qū)域，這與迎風(fēng)側(cè)的正壓產(chǎn)生較大的壓差使得車(chē)頭部分在未安裝風(fēng)屏障時(shí)受到很大的橫向力。根據(jù)負(fù)壓形成位置，推測(cè)原因是氣流經(jīng)過(guò)車(chē)體上表面時(shí)被抬升，導(dǎo)致速度變快，使得背風(fēng)面的氣流被抽空，形成負(fù)壓區(qū)，漩渦部分也是由于負(fù)壓的吸引而生成。車(chē)頭部分車(chē)頂與車(chē)底空氣流速加快，各形成1個(gè)強(qiáng)負(fù)壓區(qū)，但車(chē)底部負(fù)壓小于車(chē)頂部，于是未安裝風(fēng)屏障時(shí)列車(chē)受到正升力的作用［6］。

2.1.3 列車(chē)表面壓力變化

列車(chē)行駛在未安裝風(fēng)屏障的橋梁時(shí)，受到橫風(fēng)的影響，迎風(fēng)側(cè)顯示大面積的正壓，其最大值可以達(dá)到10 000 Pa，在背風(fēng)側(cè)受到近4 000 Pa負(fù)壓。車(chē)尾迎風(fēng)側(cè)與背風(fēng)側(cè)表面壓力大致相同。迎風(fēng)側(cè)無(wú)風(fēng)屏障時(shí)車(chē)頭表面壓力分布云圖見(jiàn)圖5，由圖5可知，車(chē)頭鼻尖處正壓最大，車(chē)頭與車(chē)身的過(guò)渡區(qū)域以及列車(chē)頂部與側(cè)面連接處負(fù)壓最大，這可為空調(diào)裝置的布置提供參考，即進(jìn)風(fēng)口設(shè)置在車(chē)體鼻尖區(qū)域，出風(fēng)口設(shè)在車(chē)頭頂部及車(chē)身側(cè)面和頂面交界處。

圖5 迎風(fēng)側(cè)無(wú)風(fēng)屏障時(shí)車(chē)頭表面壓力分布云圖

加裝風(fēng)屏障后，壓強(qiáng)分布規(guī)律和未安裝風(fēng)屏障時(shí)類(lèi)似，車(chē)頭兩側(cè)壓差相對(duì)于未安裝時(shí)減小2 000 Pa左右。車(chē)頭迎風(fēng)側(cè)的車(chē)身側(cè)面壓強(qiáng)分布較未安裝風(fēng)屏障時(shí)緩和，未出現(xiàn)大跨度的壓強(qiáng)分布。針對(duì)以上現(xiàn)象可以預(yù)測(cè)：列車(chē)表面壓力大小與氣流在此處是否產(chǎn)生漩渦可能由氣流速度決定。

2.2 下風(fēng)線(xiàn)加裝風(fēng)屏障前后列車(chē)周?chē)鲌?chǎng)變化

根據(jù)計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果，流場(chǎng)分布情況與列車(chē)在上風(fēng)線(xiàn)時(shí)類(lèi)似。安裝3 m風(fēng)屏障之后，迎風(fēng)側(cè)列車(chē)表面與風(fēng)屏障之間形成較行駛在上風(fēng)線(xiàn)時(shí)更大的漩渦。迎風(fēng)側(cè)車(chē)頭部分周?chē)鷫簭?qiáng)比上風(fēng)線(xiàn)時(shí)大，分析原因可能是氣流翻過(guò)風(fēng)屏障后與車(chē)體還有一段距離，于是產(chǎn)生一定程度的回落，造成對(duì)列車(chē)表面的沖擊比上風(fēng)線(xiàn)時(shí)大。

3 參數(shù)變化對(duì)列車(chē)所受氣動(dòng)力的影響

架設(shè)風(fēng)屏障改變了列車(chē)周?chē)鲌?chǎng)的結(jié)構(gòu)形式，使得列車(chē)表面壓力改變，影響高速行駛的列車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)性。分析設(shè)置不同高度風(fēng)屏障或高度相同速度不同的條件下，列車(chē)所受阻力、升力以及側(cè)向力的變化。選擇3 m作為基礎(chǔ)高度，通過(guò)改變風(fēng)屏障的結(jié)構(gòu)，觀(guān)察列車(chē)氣動(dòng)力的變化。

3.1 風(fēng)屏障高度對(duì)列車(chē)氣動(dòng)特性的影響

加裝1.5 m風(fēng)屏障后列車(chē)所受側(cè)向力與升力明顯降低，側(cè)向力降低29.17%，升力降低65.8%，阻力上升10.88%，在風(fēng)屏障高度增加到3.00～3.15 m時(shí)，升力與側(cè)向力發(fā)生正負(fù)的變化，這與Coleman等［7］建立1∶50縮尺模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果契合。列車(chē)傾覆主要是由升力與側(cè)向力共同作用產(chǎn)生的傾覆力矩造成［8］，在風(fēng)屏障高度為3.00～3.15 m時(shí)，升力與側(cè)向力可以取到0，說(shuō)明風(fēng)屏障高度設(shè)置在3.00～3.15 m比較合適，這也符合原鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院發(fā)布的高架橋段標(biāo)準(zhǔn)高度和加高高度［9］。當(dāng)風(fēng)屏障高度繼續(xù)加高后，升力與側(cè)向力都轉(zhuǎn)為負(fù)值且反向增大，說(shuō)明此時(shí)風(fēng)屏障已經(jīng)處于過(guò)保護(hù)狀態(tài)。列車(chē)受到的氣動(dòng)阻力基本不隨風(fēng)屏障高度的變化而變化。隨著風(fēng)屏障高度的增加，上下風(fēng)線(xiàn)的阻力、升力、側(cè)向力對(duì)比情況見(jiàn)圖6。

圖6 上下風(fēng)線(xiàn)的阻力、升力、側(cè)向力對(duì)比情況

由圖6可以看出，對(duì)于升力：（1）下風(fēng)線(xiàn)列車(chē)升力對(duì)風(fēng)屏障高度變化更敏感；（2）上下風(fēng)線(xiàn)升力的變化趨勢(shì)并不完全相同；（3）下風(fēng)線(xiàn)升力在連續(xù)減小到負(fù)值后，當(dāng)風(fēng)屏障高度增加到3 m后，下風(fēng)線(xiàn)升力又有抬升趨勢(shì)。對(duì)于側(cè)向力：（1）風(fēng)屏障高度增加到2 m前，上風(fēng)線(xiàn)側(cè)向力更大；（2）在風(fēng)屏障高度為2 m時(shí)，上下風(fēng)線(xiàn)的側(cè)向力幾乎相同；（3）在風(fēng)屏障高度增加到2 m后，上下風(fēng)線(xiàn)的側(cè)向力變化趨勢(shì)幾乎一致；（4）在風(fēng)屏障高度為4 m時(shí)，側(cè)向力值由正轉(zhuǎn)負(fù)，表明側(cè)向力方向發(fā)生改變。

上下風(fēng)線(xiàn)的側(cè)向力與升力都有由正轉(zhuǎn)負(fù)的情況，說(shuō)明存在一個(gè)風(fēng)屏障高度使得列車(chē)所受傾覆力矩為0。姜翠香等［10］為確定這個(gè)合理的高度，構(gòu)造了一個(gè)函數(shù)：

式中：f1為列車(chē)行駛在一線(xiàn)時(shí)傾覆力矩隨風(fēng)屏障高度變化的擬合函數(shù)；f2為列車(chē)行駛在二線(xiàn)時(shí)傾覆力矩隨風(fēng)屏障高度變化的擬合函數(shù)；fx為列車(chē)分別行駛在一線(xiàn)、二線(xiàn)時(shí)傾覆力矩絕對(duì)值之和的最小值。最后得出風(fēng)屏障設(shè)置位置變化時(shí)，其合理高度也會(huì)發(fā)生變化，兩者之間近似成三次多項(xiàng)式關(guān)系［10］。這也印證：過(guò)高的風(fēng)屏障會(huì)再次改變車(chē)體周?chē)鲌?chǎng)結(jié)構(gòu)，流場(chǎng)的改變使壓差發(fā)生正負(fù)變化，以及氣動(dòng)力方向發(fā)生改變。

3.2 橫風(fēng)速度對(duì)列車(chē)氣動(dòng)性的影響

為研究橫風(fēng)速度對(duì)風(fēng)屏障防風(fēng)效果的影響，取4個(gè)風(fēng)速值分別為15、20、25、30 m/s，設(shè)置固定3 m風(fēng)屏障，計(jì)算以速度300 km/h行駛的高速列車(chē)所受氣動(dòng)力，結(jié)果見(jiàn)圖7。在橫風(fēng)速度較低時(shí)，升力向下為負(fù)值。

圖7 列車(chē)氣動(dòng)力隨橫風(fēng)速度的變化

橫風(fēng)速度每增加25%，根據(jù)3次仿真結(jié)果，阻力分別增加10.3%、9.3%、6.8%，側(cè)向力分別增加18.1%、13.1%、11.3%；橫風(fēng)速度達(dá)到20 m/s之后，橫風(fēng)速度每增加25%，根據(jù)2次仿真結(jié)果，升力分別增加25.8%、109%。由此可見(jiàn)，升力受橫風(fēng)速度的影響最大。

3.3 列車(chē)速度對(duì)列車(chē)氣動(dòng)性的影響

為研究不同列車(chē)運(yùn)行速度下風(fēng)屏障的效果，將風(fēng)屏障高度設(shè)為固定3 m，橫風(fēng)速度固定20 m/s，研究不同車(chē)速通過(guò)時(shí)列車(chē)所受氣動(dòng)力。

仿真結(jié)果顯示，列車(chē)速度從225 km/h增加到300 km/h時(shí)，升力無(wú)明顯變化，速度繼續(xù)增加到375 km/h時(shí)，升力反而下降變?yōu)樨?fù)值。阻力、側(cè)向力均隨車(chē)速增加逐漸增大，其中車(chē)速每增加25%，根據(jù)2次仿真結(jié)果，阻力分別增加57.6%、44.3%，側(cè)向力分別增加48.9%、34.5%?？梢酝茰y(cè)：在只存在橫風(fēng)的條件下，車(chē)體所受氣動(dòng)阻力主要取決于列車(chē)自身運(yùn)行速度，升力主要取決于橫風(fēng)速度而與列車(chē)運(yùn)行速度關(guān)系較小。

3.4 風(fēng)屏障形狀對(duì)列車(chē)氣動(dòng)力的影響

根據(jù)上述對(duì)風(fēng)屏障擋風(fēng)效果的研究，以及對(duì)擋風(fēng)機(jī)理的分析，提出對(duì)L內(nèi)扣型風(fēng)屏障、45°內(nèi)扣型風(fēng)屏障2種新型風(fēng)屏障進(jìn)行探究。2種風(fēng)屏障以3 m高風(fēng)屏障為標(biāo)準(zhǔn)建立模型，除形狀以外，模型其余所有參數(shù)設(shè)置與3 m風(fēng)屏障相同，模擬其在20 m/s橫風(fēng)時(shí)對(duì)以速度300 km/h行駛的列車(chē)的保護(hù)效果，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 不同形狀風(fēng)屏障對(duì)列車(chē)所受氣動(dòng)力的影響

由圖8可以看出，與直板型相比，L內(nèi)扣型風(fēng)屏障升力下降55.6%、阻力下降1.8%、側(cè)向力增加118.5%，該型風(fēng)屏障雖然改善了列車(chē)升力、阻力的氣動(dòng)性能，但由于影響列車(chē)傾覆力矩的主要是側(cè)向力，其側(cè)向力激增1倍多，嚴(yán)重影響列車(chē)運(yùn)行安全性；45°內(nèi)扣型風(fēng)屏障升力、側(cè)向力均增大1倍至數(shù)倍，傾覆力矩也一定隨之增大，因此該方案更不能運(yùn)用到實(shí)際中。

安裝2種異型風(fēng)屏障的列車(chē)具有以下特點(diǎn)：一是其上部與背風(fēng)側(cè)面的壓力相對(duì)更小，這導(dǎo)致列車(chē)產(chǎn)生更大的正升力與側(cè)向力；二是其迎風(fēng)側(cè)均未出現(xiàn)空氣漩渦，這是由于異型風(fēng)屏障形狀的阻礙作用使流場(chǎng)不能充分舒展所致。

4 結(jié)論

（1）安裝風(fēng)屏障后能明顯改變列車(chē)周?chē)鷼饬鞯牧鲃?dòng)，但與未設(shè)置風(fēng)屏障相比，列車(chē)迎風(fēng)側(cè)與風(fēng)屏障之間會(huì)形成漩渦。列車(chē)兩側(cè)的空氣漩渦會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)，其壓力差使列車(chē)受到側(cè)向氣動(dòng)力，使列車(chē)有傾覆風(fēng)險(xiǎn)。在一定速度下，列車(chē)隨著風(fēng)屏障高度的變化，存在一個(gè)特定高度值（約3 m）使列車(chē)所受側(cè)向力為0。

（2）風(fēng)屏障高度的變化對(duì)列車(chē)側(cè)向力的影響最大，隨著風(fēng)屏障高度的增加，升力與側(cè)向力都出現(xiàn)方向改變的現(xiàn)象，這是由于風(fēng)屏障高度對(duì)于列車(chē)兩側(cè)漩渦的影響，即風(fēng)屏障高度過(guò)高，流體補(bǔ)償由于卷吸作用帶走的流體作用減弱，導(dǎo)致列車(chē)兩側(cè)的壓差反向，使列車(chē)產(chǎn)生向迎風(fēng)側(cè)傾倒的趨勢(shì)。升力方向改變則是由于風(fēng)屏障對(duì)氣流的抬升作用使流體經(jīng)過(guò)列車(chē)上表面時(shí)速度較慢，產(chǎn)生的負(fù)壓較小，由于壓差的影響升力向下。

（3）通過(guò)對(duì)比列車(chē)運(yùn)行在上下風(fēng)線(xiàn)時(shí)風(fēng)屏障對(duì)流場(chǎng)改變的差別，發(fā)現(xiàn)列車(chē)運(yùn)行在下風(fēng)線(xiàn)時(shí)迎風(fēng)側(cè)壓力更大，這是因?yàn)橄嘛L(fēng)線(xiàn)的列車(chē)與迎風(fēng)側(cè)風(fēng)屏障有一段距離，氣流繞過(guò)風(fēng)屏障后產(chǎn)生一定回落，對(duì)列車(chē)迎風(fēng)側(cè)造成一定沖擊作用。上下風(fēng)線(xiàn)列車(chē)所受氣動(dòng)力變化趨勢(shì)大體相同，總體而言，上風(fēng)線(xiàn)防護(hù)效果更優(yōu)。

（4）在安裝同一高度風(fēng)屏障時(shí)，隨著橫風(fēng)速度增加或列車(chē)運(yùn)行速度增加，會(huì)使列車(chē)的氣動(dòng)性能惡化。升力主要影響因素是橫向風(fēng)速，對(duì)于列車(chē)速度的變化并不敏感；阻力受列車(chē)速度的影響較大；側(cè)向力對(duì)列車(chē)速度與橫風(fēng)速度的變化反應(yīng)都較為敏感。

（5）風(fēng)屏障結(jié)構(gòu)影響列車(chē)所受氣動(dòng)力的大小，研究表明傳統(tǒng)直板型風(fēng)屏障防護(hù)效果更好。

（6）風(fēng)屏障的高度設(shè)置對(duì)于風(fēng)屏障表面壓力影響很大，過(guò)高會(huì)使風(fēng)屏障內(nèi)外壓差過(guò)大，增加損壞的可能。