蘭新鐵路第二雙線擋風墻防風效果仿真分析

劉 磊，李紅梅，侯福國，付連著

(中國鐵道科學研究院 鐵道科學技術研究發展中心，北京 100081)

蘭新鐵路第二雙線擋風墻防風效果仿真分析

劉 磊，李紅梅，侯福國，付連著

(中國鐵道科學研究院 鐵道科學技術研究發展中心，北京 100081)

利用CFD ICEM建立蘭新鐵路第二雙線V區(大風頻繁區)路堤、路塹地段4.0 m擋風墻和槽形梁兩側3.5 m高擋風墻計算模型，采用流體力學軟件FLUENT對不同型式的防風結構的防風效果開展仿真分析。結果表明:環境風遭遇擋風墻阻擋，氣流沿著擋風墻上部自由空間移動，形成加速效應，使得吹至擋風墻上部的環境風被加速放大;環境風吹過擋風墻后風速明顯減小，擋風墻有效遮蔽了環境風，防風效果明顯;路堤擋風墻后環境風速殘余系數在0.3～0.6，路塹擋風墻后環境風速殘余系數在0.25～0.50，橋梁兩側擋風墻后環境風速殘余系數在0.3以下，橋梁兩側擋風墻防風效果優于路堤和路塹擋風墻。

蘭新鐵路第二雙線 大風區 擋風墻 防風效果 環境風速殘余系數

蘭新鐵路第二雙線是我國《中長期鐵路網規劃》的重點項目之一，東起蘭州，西至烏魯木齊，橫跨甘肅、青海、新疆維吾爾自治區三省區，線路全長1 776 km。該線所經地區屬中溫帶干旱大陸性氣候區，春、秋多大風，是世界上穿越風區最長的鐵路。全線通過安西風區、煙墩風區、百里風區、三十里風區、達坂城風區五大風區，長度合計579.6 km，占線路全長的32.6%［1］。

由于特殊的地理環境，既有蘭新鐵路自建成通車起就飽受大風災害的威脅，僅因風災所造成的列車脫軌、傾覆事故就達數十起，其它因大風所造成的諸如列車停運、限速等問題更是十分普遍，每年因大風停運造成的直接經濟損失達2億多元［2］。為了提高蘭新鐵路第二雙線的防風能力，保證線路開通后列車的安全運行，需要對其防風工程的防風效果進行研究。

本文以計算流體動力學為基礎，利用 CFD ICEM建立蘭新鐵路第二雙線V區(大風頻繁區)路堤、路塹地段4.0 m擋風墻和槽形梁兩側3.5 m高擋風墻計算模型，采用流體力學軟件FLUENT對不同型式的防風結構的防風效果開展仿真分析，為進一步優化防風工程和大風條件下鐵路運營管理相關標準制定提供技術支持。

1 防風工程概述

蘭新鐵路第二雙線風區受地形地貌引起的狹管效應、下坡風和局地大氣對流的影響較大，具有風速高、風期長、季節性強、風向穩定、起風速度快等特點。風區最大瞬時風速達60 m/s，局部地段大于8級風的天數超過了200 d，風向穩定且主風向大約在 NW0°～20°。

根據大風觀測報告，綜合考慮瞬時風速、2 min平均最大風速、10 min平均最大風速，結合沿線地形地貌、植被情況，參考既有鐵路、公路對應段落風害情況，分析沿線大氣環流特征及風蝕影像(衛星、航片)特征，對大風區防風工程進行分區，分為I區(大風極少區)、Ⅱ區(大風低發區)、Ⅲ區(大風一般區)、Ⅳ區(大風易發區)、V區(大風頻繁區)［3-6］。

防風工程的總體設計原則:以大風條件下列車基本不停運、盡量少限速為運營目標，在大風區已主動防風為主，通過合理的防風工程最大程度地減弱大風對列車運行的影響。

根據不同的大風設計分區采取相應的防風措施，Ⅰ區未設置防風工程，根據風力、風向、頻率、地形及線路條件，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ區路基設置了不同型式及高度的擋風墻，橋梁設置了不同透風率及高度的擋風墻。

路基擋風墻采用鋼筋混凝土結構，主要有懸臂式、扶臂式、柱板式3種類型，墻高有3.5，4.0 m兩種，插板厚度有18，20，22 cm 3種。根據橋梁所處風區和橋面高度，擋風墻高有3.5，4.0 m兩種，立柱及波形板鋼材采用耐候鋼，其中百里風區采用槽形梁，槽形梁兩側設3.5 m高擋風墻［7-10］。

2 模型的建立

本文利用CFD ICEM建立蘭新鐵路第二雙線V區(大風頻繁區)路堤、路塹地段4.0 m高擋風墻和槽形梁兩側3.5 m高擋風墻計算模型。為了考慮流場的充分發展，計算區域應遠大于模型尺寸，所以計算中選取80 m×200 m為計算區域。由于風區風速一般＜60 m/s，馬赫數＜0.3，空氣流動按不可壓縮流處理。以大風風速30 m/s作為入口速度邊界條件，大風風速為定值，并假定擋風墻周圍流場為定常流［11-13］。出口邊界選擇壓力出口，出口壓力為大氣壓。擋風墻、地面及計算區域頂面按光滑壁面處理，給定無滑移邊界條件。

空間流場處于湍流狀態，采用工程上應用較廣的k－ε雙方程模型進行計算。采用SIMPLE算法進行計算求解［14-15］。它是一種主要用于求解不可壓縮流場的數值計算方法。其基本思想是:對給定的壓力場求解離散形式的動量方程，得到速度場。由壓力修正方程得出壓力修正值，通過修正后的壓力場得到新的速度值，然后檢查是否收斂，若不收斂繼續迭代計算，如此反復直到計算結果收斂為止。

3 擋風墻防風效果仿真分析

3.1 路堤擋風墻

仿真計算得到的路堤擋風墻周圍流場分布如圖1所示。外部吹來的環境風，行進至路堤迎風坡一側后，遭遇路堤和擋風墻阻擋，氣流沿著路堤迎風坡向擋風墻上部自由空間移動，形成了加速效應，使得吹至擋風墻上部的環境風遭遇阻擋后風速被加速放大。路堤擋風墻后軌道上方風速較小，表明路堤擋風墻有效遮蔽了環境風，防風效果明顯。環境風繞流越過擋風墻后，在背風側路堤坡面附近形成渦流，遠離擋風墻一側軌道外風速增大。

為了全面反映路堤擋風墻周圍流場的分布，計算路堤擋風墻外迎風側路肩l=1.5 m處(l為距擋風墻外側面的距離，以擋風墻外側面為基準，擋風墻外側為正，內側為負，以下同)、迎風側坡腳l=7.2 m處和擋風墻內車輛限界外緣 l=－2.1，－8.2，－13.6 m處、背風側坡腳l=－20.7 m，高度h=1，2，3，4，5，6 m處(以軌面為基準，以下同)的流場風速，結果如圖2所示。環境風速30 m/s時仿真計算結果如表1所示，擋風墻的防風效果可以用環境風速殘余系數(計算風速與環境風速之比)表示，環境風速殘余系數越小，防風效果越好。由于環境風遭遇路堤和擋風墻阻擋產生加速效應，風速在擋風墻外上部增大，擋風墻外迎風側路肩 l=1.5 m、高度 h=6 m處環境風速殘余系數1.14。路堤擋風墻后軌道上方(l=－2.1～－13.6 m)風速較小，風速殘余系數在0.3～0.6，環境風經過擋風墻后風速減小，擋風墻有效遮蔽了環境風，路堤擋風墻防風效果明顯。

圖1 路堤擋風墻周圍流場分布

圖2 環境風速30 m/s時路堤擋風墻不同位置計算風速

表1 環境風速30 m/s時路堤擋風墻周圍流場風速和風速殘余系數

3.2 路塹擋風墻

仿真計算得到的路塹擋風墻周圍流場分布如圖3所示。與路堤擋風墻類似，外部吹來的環境風，遭遇擋風墻阻擋，氣流在擋風墻上部自由空間移動，形成了加速效應，使得吹至擋風墻上部的環境風遭遇阻擋后風速被加速放大。然而由于路塹具有天然防風效果，路塹擋風墻的遮蔽范圍比路堤擋風墻大得多，防風效果也更加明顯。環境風繞流越過路塹擋風墻之后，在路塹擋風墻一側坡面附近形成渦流，沿著路塹坡面向下吹，在遠離擋風墻一側形成一個渦流風。

圖3 路塹擋風墻周圍流場分布

為了全面反映路塹擋風墻周圍流場的分布，計算路塹擋風墻外迎風側路肩 l=1.5 m處和擋風墻內右側塹頂 l=－2.1 m處、車輛限界外緣 l=－12.4，－18.9，－25.4 m處、左側塹頂l=－33.6 m，高度h= 1，2，3，4，5，6 m處的流場風速，結果如圖4所示。環境風速30 m/s時仿真計算結果如表2所示。由于環境風遭遇擋風墻阻擋產生加速效應，風速在擋風墻外上部增大，擋風墻外迎風側路肩 l=1.5 m、高度 h= 6 m處，環境風速殘余系數1.05。路塹擋風墻后軌道上方(l=－12.4～－25.4 m)風速較小，風速殘余系數在0.25～0.50，環境風經過擋風墻后風速減小，擋風墻有效遮蔽了環境風，路塹擋風墻防風效果明顯。由于路塹具有天然防風作用，路塹擋風墻的遮蔽范圍和防風效果要優于路堤擋風墻。

圖4 環境風速30 m/s時路塹擋風墻不同位置計算風速

表2 環境風速30 m/s時路塹擋風墻周圍流場風速和環境風速殘余系數

3.3 橋梁兩側擋風墻

仿真計算得到的橋梁兩側擋風墻周圍流場分布如圖5所示。擋風墻頂部為充分自由空間，環境風吹來時大部分通過頂部自由空間繞流而過，而擋風墻中部為阻擋空間，環境風受到擋風墻的阻擋，除了小部分會透過擋風墻開孔耗散以外，大部分被擋風墻遮擋，使得橋梁兩側擋風墻的內部空間具有較好的防風效果。

圖5 橋梁兩側擋風墻周圍流場分布

為了全面反映橋梁兩側擋風墻周圍流場的分布，計算擋風墻內車輛限界外緣l=－1.2，－6.1，－11.0 m，高度h=1，2，3，4，5，6 m處的流場風速，結果如圖6所示。環境風速30 m/s時仿真計算結果如表3所示。橋梁兩側擋風墻內軌道上方(l=－1.2～－11.0 m)風速較小，風速殘余系數在0.3以下，環境風經過擋風墻后風速減小，擋風墻有效遮蔽了環境風，橋梁兩側擋風墻防風效果明顯。橋梁擋風墻的防風效果優于路塹擋風墻。

圖6 環境風速30 m/s時橋梁兩側擋風墻不同位置計算風速

表3 環境風速30 m/s時橋梁兩側擋風墻周圍流場風速和環境風速殘余系數

4 結論

1)路堤擋風墻、路塹擋風墻和槽形梁兩側擋風墻3種防風結構的流場分布基本相同。環境風遭遇擋風墻阻擋，氣流沿著擋風墻上部自由空間移動，形成加速效應，使得吹至擋風墻上部的環境風遭遇阻擋后加速放大;環境風吹過擋風墻后風速明顯減小，擋風墻有效遮蔽了環境風，防風效果明顯。

2)路堤擋風墻后環境風速殘余系數在0.3～0.6，路塹擋風墻后環境風速殘余系數在0.25～0.50，橋梁兩側擋風墻后環境風速殘余系數在0.3以下，橋梁兩側擋風墻防風效果優于路堤和路塹擋風墻。

［1］拉有玉，李永樂，何向東.蘭新鐵路第二雙線防風技術及工程設計［J］.石家莊鐵道學報(自然科學版)，2010(4): 104-108.

［2］錢征宇.西北地區鐵路大風災害及其防治對策［J］.中國鐵路，2009(3):1-14.

［3］孫成訪，董漢雄，胡智煒.蘭新鐵路百里風區擋風墻設計［J］.鐵道建筑，2009(6):93-95.

［4］葛盛昌，蔣富強.蘭新鐵路強風地區風沙成因及擋風墻防風效果分析［J］.鐵道工程學報，2009(5):1-4.

［5］姜翠香，梁習鋒.擋風墻高度和設置位置對車輛氣動性能的影響［J］.中國鐵道科學，2006(2):66-70.

［6］楊斌，劉堂紅，楊明智.大風區鐵路擋風墻合理設置［J］.鐵道科學與工程學報，2011，8(3):67-72.

［7］盛智平.蘭新鐵路防風明洞結構形式設計研究［J］.鐵道建筑，2011(4):80-82.

［8］吳江.蘭新鐵路百里風區風沙災害防治技術研究［J］.中國鐵路，2011(11):29-31.

［9］高廣軍，田紅旗，姚松，等.蘭新線強風對車輛傾覆穩定性的影響［J］.鐵道學報，2004，26(4):36-40.

［10］馬淑紅，馬韞娟，程先東，等.我國高速鐵路沿線強風區間的確定方法及風險評估［J］.鐵道工程學報，2011(3):37-45.

［11］李鎖平.哈密至將軍廟鐵路大風觀測與研究［J］.鐵道建筑，2014(5):150-153.

［12］譙澤診.蘭新鐵路既有防風設施薄弱地段的分析及改造［J］.中國鐵路，2012(10):65-68.

［13］李熒.蘭新線百里風區不同型式擋風墻防風效果評估［J］.鐵道技術監督，2012(1):34-38.

［14］龐巧東，程建軍，蔣富強，等.戈壁鐵路擋風墻背風側流場特征與擋風功效研究［J］.鐵道標準設計，2011(2):1-4.

［15］田紅旗.列車空氣動力學［M］.北京:中國鐵道出版社，2007.

(責任審編 葛全紅)

U213.1;TU352.2

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.24

2015-08-10;

:2015-09-20

劉磊(1984— )，男，助理研究員，博士。

1003-1995(2015)11-0080-04