蘭新鐵路擋沙墻位置對低矮路塹中客車氣動性能的影響

張潔，劉堂紅，牛紀強

(中南大學 交通運輸工程學院，軌道交通安全教育部重點實驗室，湖南 長沙，410075)

新疆鐵路自開通以來，一直是我國鐵路事故的高發區之一，據現有不完全資料統計顯示，自1960 年至今，新疆鐵路運輸因風沙造成的列車行車安全事故總計38 起。其中因線路積沙造成列車脫軌8 起(脫軌車輛10 輛，傾覆車輛3 輛)[1-4]。尤其在2006-04-09，蘭新(甘肅蘭州—新疆烏魯木齊)鐵路50 km 風區、15 km風口出現了約30年一遇大風，最大瞬時風速達54.6 m/s(16 級大風)，使得鐵路沿線近20 km 內總延長5.5 km 線路多處被積沙掩埋，嚴重地段達1.2 m 深；大風卷起的砂石將機車、客車多塊車窗玻璃打碎，列車整體性能嚴重受損，8 趟旅客列車長時間滯留風區，造成列車停運超過20 h，給鐵路運輸帶來巨大經濟損失和惡劣社會影響[1,4]。目前，經過長期固沙、阻沙、固阻結合等防沙措施基本保證了蘭新鐵路運營安全[4-7]，但當風速超過41.5 m/s(14 級)時，地表仍將發生失穩現象形成強大的風沙流[3]。列車在路塹中尤其是在低矮路塹中運行時，這股強大的風沙流將嚴重影響列車整體安全性能[8-9]。為了減少路塹線路積沙及砂石對車窗的破壞，烏魯木齊鐵路局通過現場調研，陸續修建了一些擋沙墻，對減少和防止列車車窗玻璃受損、線路積沙埋道起到了較好作用，但在一些沒有修建擋沙墻且地表沙石沒有經過固化處理地段路塹上，存在大風作用下沙石擊打車窗玻璃的安全隱患[10-11]。為此，本文作者對此進行研究，以便更好地布置擋沙墻的位置，進一步提高低矮路塹防風能力，保障列車安全運行。

1 數值計算模型

本文以運行在蘭新鐵路上的單層客車作為研究對象。根據文獻[12]，當氣流流過車頭一定距離后流場結構已趨于穩定，因此，縮短列車模型并不會改變列車周圍流場物理特性，故文中計算模型選取4 車編組，即機車+3 輛客車[13]；同時簡化車體表面結構，僅保留列車整體外形和轉向架，車輛之間以風擋連接[14]。

蘭新鐵路沿線實測最大風速為60 m/s[5]，馬赫數小于0.3，因此，可認為空氣密度保持不變，按不可壓縮流動問題進行處理。根據文獻[2]，蘭新鐵路現有防風設施地段單層客車車速120 km/h 的臨界傾覆風速為36 m/s[2]，按照蒲福風力等級屬于12 級風(32.7～36.9 m/s)，選取12 級風中最大風速v=36.9 m/s 作為計算環境風速，風向角為90°；單層客車寬度l=3.105 m，在標準大氣壓下，溫度為20 ℃時空氣的運動黏度為1.5×10-5m2/s，雷諾數Re=7.64×106，遠大于臨界雷諾數，列車處在湍流流場中。因此，可采用k-ε雙方程湍流模型[15]描述擋風墻后列車周圍流場。圖1(a)和(b)所示分別為蘭新鐵路低矮路塹無、有擋沙墻時的防風效果示意圖。

圖1 低矮路塹防風效果示意圖Fig.1 Schematic view of windbreak effect of low cutting

從圖1(a)可看到：失穩的迎風側地表在遠方來流帶動下形成一股強大的風沙流，當遇到路塹迎風側時，橫截面積擴大，風沙流發生下沉，但由于氣流本身具有一定速度，故只略微下沉，因此，直接作用在車體上，導致路塹線路積沙及砂石對車窗造成破壞；隨后，由于車體的阻擋，氣流發生分離現象，部分氣流向上攀爬，繞過車體；部分氣流向下擠壓，從車底部流過；同時，由于氣流的運動，導致路塹迎風側底部與道床之間、車體后形成了抽空區域，產生漩渦，最終在風沙流的綜合作用下，整個車體受到較大的橫向力作用。而在圖1(b)中，安裝了距離路塹迎風側上緣合適位置擋沙墻后，風沙流受到擋沙墻阻擋，底層沙流停滯在擋沙墻前，上層氣流被迫向上流動，使得氣流與水平面之間形成1 個夾角(定義為氣流揚起角)，從而不再直接作用于車體上，并且在擋沙墻后路塹內形成1 個大漩渦，在車體前后分別形成1 個小漩渦，因此，車體整體受力較好，擋沙墻起到了良好的防風沙效果；另一小部分氣流則向下流向地面，在擋沙墻迎風面與地面之間形成了1 個很小的駐渦區。

圖2 擋沙墻設置橫截面圖Fig.2 Cross-section of sand control wall installment

根據以上分析，可知安裝擋沙墻后，在實現防沙效果的同時，提高了列車的整體氣動性能。可見，對擋沙墻合理位置進行研究很有必要。擋沙墻設置橫截面如圖2 所示。方案中擋沙墻高為1.00 m，寬為0.15 m，路塹坡比為1.0:1.5。圖2 中，L 為擋沙墻背風側與路塹迎風側上邊緣之間的距離，由于距離路塹上邊緣近時易造成路塹表層結構破壞，故本文中L 分別取2，3，4，5，10，15 和20 m 進行分析。

2 計算區域及邊界條件

本次計算區域如圖3 所示。選取單層客車高度h作為特征長度，綜合考慮車尾擾流以及橫向流場的充分發展，沿列車方向速度入口距離車頭為36.1h，橫風入口距離線路中心為36.1h，高度方向為22.6h。整個計算流場采用非結構網格進行離散，對車體表面、路塹、擋沙墻及其附近網格進行加密處理，以提高數值計算的精確度和可靠性，總網格數約310 萬，車體物面網格見圖4。車體表面定義無滑移壁面邊界條件，在來流入口分別給定列車運行速度120 km/h 和橫風速度36.9 m/s；出口均設為壓力出口邊界；底面(道床、地面、路塹、擋沙墻等)定義為與車速相反的滑移邊界；域的頂部設置為對稱邊界。

圖3 計算區域Fig.3 Calculation zone

圖4 車體物面網格Fig.4 Mesh of train surface

3 數值模擬計算結果與分析

3.1 數值計算與實車試驗結果對比

2009-03—2009-06，烏魯木齊鐵路局組織中南大學、中國鐵道科學研究院等單位在蘭新線“百里風區”進行了大風環境下列車空氣動力學綜合試驗[2]。為驗證本文所采用計算方法的正確性，模擬現場試驗的風速(26.8 m/s)、擋風墻類型(平地土堤式擋風墻)、車型(25 型客車)以及編組方式，將其中1 節客車的數值計算結果和試驗結果進行對比，如表1 所示。實車試驗客車上測點布置見圖5，根據各測點所測得的壓力進行分塊積分求得試驗車輛氣動力和力矩。從表1 可以看出：除了升力Fl兩者相差較大外(10%)，橫向力Fs和傾覆力矩M 相對誤差均在6%之內。兩者吻合較好，說明本文采用三維湍流模型是合理的。

方法 橫Fs向/kN力傾覆力矩M/(kN·m)實車試驗18.7631.6067.22數值模擬17.6528.4463.89相對誤差/%5.9210.004.95升力Fl/kN

圖5 實車試驗客車測點布置示意圖Fig.5 Schematic view of measure points on passenger car in full-scale test

3.2 氣動力計算結果分析

無擋沙墻時，低矮路塹中列車運行所受到的阻力Fr、橫向力Fs、升力Fl和傾覆力矩M 見表2。圖6 和圖7 所示分別為車速120 km/h 時，不同位置擋沙墻下車輛、整車在低矮路塹運行所受到的氣動力。

車輛Fr/kNFs/kN迎風線Fl/kNM/(kN·m)Fr/kNFs/kN背風線Fl/kNM/(kN·m)機車8.7085.3480.87255.768.8080.8781.45239.07單客17.4856.51100.97188.568.2555.8196.97181.54單客28.2557.5393.86185.018.3355.0386.49171.21單客310.8753.7085.45169.6310.7950.2981.87156.31整車35.30253.08361.15798.9636.17242.00346.78748.13

圖6 氣動力隨擋沙墻距離變化擬合曲線Fig.6 Fitted curves of aerodynamic forces with position

通過分析可知：低矮路塹無擋沙墻時，列車均受到正的橫向力、升力和傾覆力矩作用，單客3 受到阻力最大，其次是機車，單客1 與單客2 相對較小；對于橫向力，機車迎風面積最大，所受到的力也最大，3 節客車的橫向力相差較小；而升力相對復雜，單客1的升力最大，其次是單客2，機車所受到升力最小；對于傾覆力矩，機車受到的力矩最大，其次是單客1、單客2 和單客3；當在路塹迎風側設置擋沙墻后，列車氣動力明顯減小，表明本文研究具有重要意義；隨著距離越來越近，氣動力越來越小，當L=5 m 時，迎風線整車阻力Fr、橫向力Fs、升力Fl和傾覆力矩M分別減少了25.0%，88.9%，75.4%和83.6%，背風線整車阻力Fr、橫向力Fs、升力Fl和傾覆力矩M 分別減小44.2%，82.2%，74.4%和76.5%；隨著距離繼續減小，阻力呈現小幅度上升，橫向力、升力、傾覆力矩等則繼續減小。

3.3 壓力分布

當客車車速為120 km/h 時，在不同位置擋沙墻下，迎風線列車以及中間客車的壓力分布見圖8。圖9所示為中間客車車體橫截面流線圖。

圖7 整車氣動力隨擋沙墻距離變化擬合曲線Fig.7 Fitted curves of whole train aerodynamic forces with position

圖8 壓力分布Fig.8 Pressure distributions around train

圖9 流線圖Fig.9 Streamlines around train

從圖8 可以得到：在低矮路塹下無擋沙墻時，在車體迎風面受到風沙流的直接作用，產生了大面積正壓，頂部由于氣流加速效應，形成了一個強負壓區；而設置一定距離的擋沙墻后，車體迎風面正壓區域大幅度減小，且隨著距離越來越近，正壓區域逐漸變為小負壓區域，頂部負壓較小，整個列車基本處于1 個小負壓環境中。列車所受到的橫向力(升力)主要取決于其迎風側和背風側的壓差(車體底部與頂部的壓差)。因此，無擋沙墻下的列車受到的橫向力、升力遠比安裝擋沙墻后的大；而機車相對客車來說，整體高度較高，迎風面積大，故其橫向力、傾覆力矩最大；客車1 頂部氣流由于受到機車高度的影響，導致負壓加大，故其升力最大；單客3 即最后1 節客車由于受到尾部流場復雜漩渦的影響，其阻力在無擋沙墻時最大。

由圖9 可知：在低矮路塹無擋沙墻下，風沙流直接吹向車體，作用于車體后，從車體底部、頂部流過，并且在路塹迎風側下邊緣、車體后分別產生了1 個較小的漩渦；而設置了合適位置的擋沙墻后，風沙流被其阻擋，被迫向上運動，基本沒有氣流作用在車體上；同時，由于氣流被抽空，在車體前后分別形成1 個大漩渦，而在擋沙墻與路塹之間則產生了1 個巨大的漩渦，使得整個車體的處在受力較小的外界環境中。

4 結論

1) 在低矮路塹下，列車受到正的阻力、橫向力、升力和傾覆力矩作用，尾車受到的阻力最大，機車受到的橫向力和傾覆力矩最大，而第1 節客車升力最大。

2) 擋沙墻距離位置對列車的氣動性能影響較大；在不同距離擋沙墻下，L=5 m 為1 個關鍵點，整車阻力Fr、橫向力Fs、升力Fl和傾覆力矩M 最大分別減少44.2%，88.9%，75.4%和83.6%；隨著距離越來越小，阻力先減小后略微增加，橫向力、升力、傾覆力矩則一直減小。

3) 擋沙墻的設置直接影響列車周圍壓力情況。在低矮路塹下，車體迎風側和頂部分別為較強的正壓、負壓區，而設置擋沙墻后，隨著距離越來越近，正壓區域逐漸變為小負壓區域，頂部負壓較小，整個車體基本處于一個小負壓環境中，車體整體受力情況改善明顯。

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