戈壁強風區(qū)擋風構(gòu)筑物限制下列車氣動力學特性分析

程建軍，龐巧東

(石河子大學水利建筑工程學院，新疆石河子 832003)

1 概述

新疆戈壁強風區(qū)的大風具活動頻繁、風速高、風期長、季節(jié)性強、風向穩(wěn)定、起風速度快等特點。對鐵路有影響的典型風區(qū)諸如阿拉山口風區(qū)、百里風區(qū)、三十里風區(qū)，在百里風區(qū)瞬時最大風速可以達到64 m/s。強風地區(qū)的強風空氣流運動對途經(jīng)該區(qū)的列車產(chǎn)生兩方面直接破壞作用，一方面強風攜沙礫流擊破車窗、損壞車身甚至吹翻列車，另一方面強風過境后，大量沙礫物質(zhì)沉落掩埋軌道，致使列車被迫停駛。因此，戈壁強風地區(qū)區(qū)域內(nèi)的鐵路防風安全與線路維護問題十分突出。以蘭新鐵路為例，全線經(jīng)過的強風區(qū)距離為525 km，占蘭新線全長的54%。自通車以來，屢次發(fā)生列車被迫減速、停運，甚至發(fā)生整列列車被吹翻的交通事故。為了保障列車的安全運行，在大風區(qū)鐵路沿線構(gòu)筑了多種擋風墻。為了摸清既有擋風墻的防風效果，為后續(xù)的防風沙工程結(jié)構(gòu)物優(yōu)化設計提供設計依據(jù)與參考，本文首先對兩種典型的擋風墻進行了墻后流場分析，進而對大風對列車形成的側(cè)向壓力及傾覆力矩進行定量分析，獲取既有不同擋風構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)形式后的流場特性以及列車氣動力學特性規(guī)律。

2 數(shù)值模擬模型建立

2.1 控制方程

在模擬不同條件下列車氣動性能時，由于鐵路沿線擋風墻及路基的長度遠遠大于其橫向尺寸，因此在計算大風壓力時可視其為二維問題處理。由于戈壁鐵路沿線所研究的橫向風一般＜70 m/s，馬赫數(shù)＜0.3，因此在模擬計算中可按不可壓縮問題處理。另外，本模型不考慮熱量的交換，是單純流場問題，所以不用包含能量方程。因此，本模型所包含的控制方程主要有連續(xù)方程、動量方程、和k-ε湍流模型方程等，具體方程如下。

(1)連續(xù)方程

(2)動量方程

(3)k方程

(4)ε方程

2.2 計算區(qū)域

模型中列車距地表高度為0.71 m，寬度為3.3 m。為了讓氣流的繞流和流場發(fā)展充分，盡可能地取較大的計算區(qū)域。

本模型計算區(qū)域的高度寬度分別為100、300 m。此時，擋風墻背風側(cè)流場基本達到充分發(fā)展，計算區(qū)域更大時計算結(jié)果改變很小。

2.3 網(wǎng)格劃分

對所建模型采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相結(jié)合的形式進行網(wǎng)格劃分。由于本模型計算重點在列車兩側(cè)段，因此該部分網(wǎng)格劃分較密集，而在進口和上邊界等劃分較稀疏。這樣劃分既考慮到模擬計算的收斂時間和計算機的計算能力，又充分考慮到了在重點部位劃分密集以保證模擬準確性的原則，從而嚴格控制了網(wǎng)格的數(shù)量(本模型網(wǎng)格數(shù)約為100萬)，提高了計算的精度和效率。

2.4 邊界設置

本次計算流場邊界條件設置如下。

(1)車體表面:黏性流體在固定邊界上應滿足無滑移邊界條件，因此，在車體表面均按光滑壁面處理，給定無滑移邊界條件

(2)入口:在入口截面處，首先指定流體流動狀態(tài)為亞音速狀態(tài)，X方向按均勻來流給定速度大小，本文中所有模型入口風速均設置為35.1 m/s(12級風速)，Y方向速度為零，即

(3)出口:采用自由出流;

(4)地面、擋風墻以及計算區(qū)域的頂部:均給定無滑移邊界條件，同(1)式。

3 列車所受大風傾覆力矩計算(圖1)

圖1 車體受力圖

通過數(shù)值模擬可以得到一定風速條件下列車表面氣壓p(z)，則列車所受風力F按下式計算

式中，F(xiàn)為列車所受風力，N;h為列車總高度，m，取h=4.0 m;l為所考慮車體長度，m，取單位長度，即l=1 m;z為列車高度，m;p(z)為高度為z處列車兩側(cè)的風壓差，Pa。

單位長度列車傾覆力矩按下式計算

式中，M為列車所受傾覆力矩，N·m，H為列車所受風力作用點高度，m;其他符號意義同式(3)和(4)。

單位長度列車重力矩按下式計算

式中，Mc為單位長度列車重力矩，N·m;m為單位長度列車質(zhì)量，kg;g為重力加速度，m/s2;ω為軌距，m;L為車體長度，m。

列車傾覆的臨界條件:M=Mc。

4 計算結(jié)果與分析

4.1 平坦地表列車所受壓力與傾覆力矩

計算分析揭示在平坦地表條件下(圖2)，車輛的迎風面受到氣流的直接沖擊，而車體背風側(cè)處于車體繞流尾流中，因此車輛迎風面所受壓力較大，而車輛背風面分離較嚴重，負壓較大，車輛兩側(cè)所受壓差較大。由于車頂部和底部流速加快，在車體頂部形成一個順時針的渦流，在車體背風側(cè)形成兩個渦流:①氣流繞過列車頂部形成順時渦流;②氣流繞過列車底部形成逆時針渦流。車體背風側(cè)風壓為負，且沿高度方向分布較為均勻，因此，車體迎風側(cè)與背風側(cè)壓力之差即可代表車體所受到的側(cè)向氣動力(計算時忽略車頂所受到的側(cè)向力)(圖3)。結(jié)合模擬結(jié)果計算分析得到單位長度車輛受到側(cè)向力差最大，為3 645 N，傾覆力矩也最大，為7 900 N·m。

圖2 平坦地表氣流運動流線圖

圖3 平坦地表車體迎風側(cè)和背風側(cè)壓力展開圖

4.2 路基高度對風壓的影響

以上數(shù)值分析結(jié)論揭示的是在平坦地表條件下，大風對列車的側(cè)向壓力差與傾覆力矩，但鐵路經(jīng)過的地區(qū)不少是高度不同的路基。通過對不同高度路基條件下列車氣壓與傾覆力矩的數(shù)值模擬，可以揭示其隨著路基高度的變化規(guī)律。

當路基高度為4 m，邊坡坡率為1∶1.5時，氣流運動流線計算結(jié)果如圖4所示，車體迎風側(cè)仍受到氣流的直接沖擊，壓力較大，最大壓力出現(xiàn)在車體中心偏下部;背風側(cè)位于車體尾流中，壓力為負，沿高度方向變化較小。氣流側(cè)向力較大。由于路基的阻滯作用，氣流流線與平坦地表時相比發(fā)生一些變化，車體背風側(cè)上下部同平坦地表一樣形成兩個渦流，但車頂部渦流與車體背風側(cè)上部渦流連成一塊。由于車體迎風側(cè)上部壓力較大，因此側(cè)向力作用點與平坦地表相比有上移趨勢。

圖4 路基高度為4 m時氣流運動流線

根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果可以得到(圖5)，單位長度列車所受側(cè)向壓力差為7 978 N，傾覆力矩為17 820 N·m。與平坦地表相比，壓力與傾覆力矩分別增加119%和126%。大風由于受到路基的阻滯作用，氣流壓力明顯發(fā)生增大效應，且傾覆力矩增大量大于壓力增大量。而當路基坡率不變，高度為2.0 m時，單位長度列車所受側(cè)向壓力為5 835 N，傾覆力矩為12 834 N·m。說明了路基高度越大，增大效應也越明顯，列車所受到的側(cè)向壓力與傾覆力矩也越大。

圖5 路基高度為4 m條件下車體迎風側(cè)和背風側(cè)壓力展開圖

4.3 不同擋風墻對列車的防護效果

4.3.1 土堤式擋風墻對列車的防護效果

土堤式擋風墻常用于路基較低或者平坦地表的條件下，主要影響其擋風效果的設計參數(shù)是擋風墻的高度。按照既有擋風墻的設計標準，經(jīng)數(shù)值分析揭示(圖6)，強風空氣流經(jīng)過土堤式擋風墻時，氣流有一個上升、流速增加的過程，氣流在背風側(cè)產(chǎn)生一個較小的渦流，車輛的迎風面仍受到氣流的直接沖擊作用，車輛迎風面正壓力較大，背風側(cè)氣流分離較為嚴重，基本處于尾流漩渦區(qū)，負壓較大。通過車體兩側(cè)壓力展開圖(圖7)可以看出，壓力最大值出現(xiàn)在車體偏上位置，致使側(cè)向力作用點處于車體中心位置偏上位置。經(jīng)計算，單位長度列車所受側(cè)向壓力差為2 003 N，傾覆力矩為5 066 N·m。

與未設置擋風墻條件下相比，側(cè)向壓力減少了45%，傾覆力矩減小了36%。

圖6 土堤式擋風墻條件下氣流運動流線圖

圖7 土堤式擋風墻條件下車體迎風側(cè)和背風側(cè)壓力展開圖

4.3.2 對拉式擋風墻對列車的防護效果

對拉式擋風墻橫截面為矩形，氣流經(jīng)過對拉式擋風墻時，墻體受到氣流的直接沖擊，氣流被抬升，氣流在擋風墻背風側(cè)形成一個大的渦流，使得列車幾乎完全處于渦流區(qū)內(nèi)，產(chǎn)生這一規(guī)律的主要原因:氣流遇到擋風墻受到擠壓，在墻尖處產(chǎn)生流動分離，形成一個很薄的強剪切層;接近底部時，流體又返回分離體內(nèi)，補償了由于卷吸而除去的那部分流體，故在對拉式擋風墻背風側(cè)形成一個較大的渦流區(qū);接著氣流又在車輛側(cè)墻與頂部的過渡處產(chǎn)生分離，在車輛的背風面也產(chǎn)生旋渦。平坦地表對拉式條件下氣流運動流線圖見圖8。

圖8 平坦地表對拉式條件下氣流運動流線圖

擋風墻背風側(cè)渦流區(qū)的存在，使車輛迎風面受到的壓力降低，形成負壓，沿高度方向先減小后增大，如圖9所示。而車體背風側(cè)壓力變化較小。單位長度列車所受側(cè)向壓力差為-205 N，傾覆力矩為-342 N·m，即側(cè)向壓力與傾覆力矩變?yōu)榉聪蜃饔谩Ｅc未設置擋風墻條件下相比，氣流側(cè)向壓力與傾覆力矩絕對值分別減少了96%和96%，其防護效果好于土堤式擋風墻。

對拉式擋風墻不僅適用于路基較低條件下，并且適用于路基較高條件下。在路基與擋風墻的共同作用下，在其背風側(cè)形成一個大的渦流，如圖10所示，列車幾乎完全處于渦流區(qū)內(nèi)，車體迎風側(cè)壓力先減小后增大，最后又減小，大部分處于負壓區(qū)，而車體背風側(cè)壓力為正，變化不大。單位長度列車所受側(cè)向壓力差為-511 N，傾覆力矩為-1 124 N·m，即側(cè)向壓力與傾覆力矩變?yōu)榉聪蜃饔谩Ｅc未設置擋風墻條件相比，氣流側(cè)向力與傾覆力矩絕對值均減小86%，防護效果顯著(圖11)。

圖9 平坦地表對拉式條件下車體迎風側(cè)和背風側(cè)壓力展開圖

圖10 路基高度為4 m擋風墻防護條件下氣流運動流線

圖11 路基高度為4 m有擋風墻防護條件下車體迎風側(cè)和背風側(cè)壓力展開圖

5結(jié)論

列車在強橫向風作用下的穩(wěn)定性主要是由列車所受到的氣流壓力和傾覆力矩決定，對拉式擋風墻與土堤式擋風墻是目前新疆戈壁強風區(qū)所普遍采用的擋風構(gòu)筑物，分析不僅表明在平坦地表上對拉式擋風墻的防護效果好于土堤式擋風墻，而且提供了各種既有擋風構(gòu)筑物墻后列車的氣動力學特性參數(shù)指標，為既有擋風構(gòu)筑物的優(yōu)化以及后建工程措施提供參考。

(1)在平坦地表上，當橫向風速為35.1 m/s時，單位長度列車所受氣流側(cè)向力為3 645 N，傾覆力矩為7 901 N·m。

(2)當路基高度為4 m時，與平坦地表相比，單位長度列車所受氣流側(cè)向力增大116%，傾覆力矩增大126%，側(cè)向力作用點向上移動，路基高度越高，氣流的增大效應越明顯。

(3)在平坦地表上，當高度相同時對拉式擋風墻的防護效果明顯好于土堤式，高度為3.0 m時，在土堤式擋風墻作用下單位長度列車所受側(cè)向力與傾覆力矩分布減小45%、36%。而在對拉式擋風墻作用下，氣流側(cè)向力與傾覆力矩均為反向作用，絕對值分別減小94%和96%。

(4)在路基較高時，對拉式擋風墻的防護效果同樣較好，氣流作用力與傾覆力矩均為反向作用，單位長度列車所受氣流側(cè)向力與傾覆力矩絕對值均減小84%。

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