風屏障對高架橋上列車氣動特性影響機理分析

第一作者何旭輝男，博士，教授,博士生導師，1975年12月生

通信作者鄒云峰男，博士，講師，1984年10月生

風屏障對高架橋上列車氣動特性影響機理分析

何旭輝，鄒云峰，杜風宇

(1.中南大學土木工程學院，長沙410075；2.高速鐵路建造技術國家工程實驗室，長沙410075)

摘要：基于同步測壓技術，以京滬高速鐵路典型高架橋和CRH2列車為背景，研究風屏障對典型車橋組合狀態下列車的風壓分布和各面氣動力分布特征的影響，以分析風屏障的氣動影響機理，并從流體力學角度進行解釋。研究結果表明：風屏障對上游列車氣動特性影響較大，下游列車由于處于尾流中，受之影響較小；設置風屏障后，上游列車由于迎風面風壓由正變負，使得該面的側力與背風面相反，故使總體側力減小，車頂平均風壓顯著減小，使得車頂升力約增大50%，背風面和車底風壓變化較小；風屏障透風率及高度取值需根據具體環境進行優化，并需注意防風效果并不與減小平均風速等同。

關鍵詞：風屏障; 車橋組合; 氣動特性; 風洞試驗

收稿日期：2013-10-21修改稿收到日期：2013-12-31

中圖分類號:U27191; U2169文獻標志碼：A

基金項目：國家自然科學

Mechanism analysis of wind barrier’s effects on aerodynamic characteristics of a train on viaduct

HEXu-hui,ZOUYun-feng,DUFeng-yu(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 2. National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction, Changsha 410075, China)

Abstract:Based on the simultaneous pressure measurement, models of a CRH2 type train and a 32m pre-stressed concrete simply supported box beam viaduct at Beijing-Shanghai high-speed rail line were manufactured with geometric scale of 1∶25, the influences of wind barrier on aerodynamic forces of each face and pressure distribution for vehicle under representative combination conditions of the model vehicle upon double tracks on the model viaduct were investigated to analyze the aerodynamic influence mechanism of wind barrier. The mechanism was interpreted from the perspective of hydrodynamics. Results showed that the influence of wind barrier on the aerodynamic characteristics of the upstream vehicle is significant, while the downstream vehicle is less affected because it is in the wake; after wind barriers are installed, the wind pressure on the windward side of the upstream vehicle changes from positive to negative, it causes that the direction of lateral force on the windward side is opposite to that on the leeward side, so the overall lateral force decreases; the lift on the vehicle roof increases about 50% because the mean wind pressure on the vehicle roof decreases significantly, while the wind pressure on both the leeward side and the vehicle bottom changes slightly; both porosity and height of wind barrier need to be optimized according to the specific environment, and people should pay attention to that anti-wind effect is not equal to reducing mean wind speed.

Key words:wind barrier; combination of vehicle and bridge; aerodynamic characteristic; wind tunnel test

隨著高速鐵路的迅速發展，高速列車在側風作用下的行車安全受到人們的廣泛關注[1-2]。提高行車安全的措施有軟件措施(即運行管制)和硬件措施(如設置風屏障、優化車體外形及新建線路等)兩類[3]，但通過列車限速慢行或停止運行的管制措施來提高行車安全會導致列車延誤，影響運送效率，因此設置風屏障是提高既有線路列車行車安全的有效措施，且國內外均有成功實施的實例[4]。

近年來，國內外學者對風屏障的防風效果進行了廣泛研究。研究表明[5-16]，設置風屏障能為列車創造一個風速相對較低的風環境，提高列車的行車防風能力；防風效果不僅與風屏障參數如高度、透風率等密切相關，還受線路下部結構形式及周圍環境的影響。然而，這些研究大多考慮的線路下部結構為路基，通過測試線路上方流場或車輛整體平均氣動力來考察風屏障的防風效果，缺乏對風屏障氣動影響機理的系統認識。由于各種需要，高速鐵路較普通鐵路更多的采用高架線路，高架橋在高速鐵路線路中的比重較大，例如，橋梁分別占武廣客運專線、京滬高鐵線路總長的50%和80%，有必要深入研究風屏障對高架橋上列車氣動特性影響機理，以便指導高架橋上的風屏障設計。

本文以京滬高速鐵路典型高架橋和CRH2列車為背景，通過同步測壓技術對典型車橋組合狀態下列車風壓分布進行測試，分析風屏障對列車風壓分布、各面氣動力的影響，以探究風屏障對列車氣動特性的影響機理，并嘗試從流體力學角度進行解釋。

1風洞試驗概況

1.1試驗模型

試驗研究的列車、橋梁原型分別為CRH2型客車(2節車廂)和32 m簡支梁橋(5跨)，為滿足堵塞率要求，模型幾何縮尺比為1∶25，試驗模型與實物在外形上保持幾何相似，并考慮了軌道、轉向架及車輪等，以盡可能真實模擬實際氣流的繞流特征。列車和主梁模型采用優質木材制作，橋墩及其它部件由鋼材制作，保證模型具有足夠的強度和剛度，在測壓試驗中模型不發生變形且不出現明顯的振動現象以保證壓力測量的精度。試驗模型照片見圖1。

圖1　試驗模型照片 Fig.1 Test model

圖2　中車測點位置及編號 Fig.2 Pressure taps number on 2nd vehicle

在列車外表面共布置345個風壓測點，其中，頭車175個測點，由于頭車斷面沿車長變化，因此各截面測點數及位置不一致；中車170個測點，每個斷面布置17個測點，且測點位置基本一致，測點編號及位置與來流方向見圖2。鑒于頭車和中車的測點分布特征，本文以中車為例分析風屏障對車輛氣動特性的影響機理。

1.2試驗工況

筆者在文獻[17]對多種車橋組合狀態下的列車氣動特性進行了分析，本文僅以兩車交會這一典型狀態為例，分析風屏障對列車氣動力的影響機理，工況編號及列車位置見表1。為研究風屏障高度、透風率對列車氣動特性的影響，選取的實際風屏障高度為2.0、2.5、3.0 m，與列車高度之比分別約為0.57、0.71、0.86，每種高度的風屏障考慮0%、10%、20%、30%和40%五種透風率(表2)，其中開孔方式采用方孔陣列式，并在風屏障上均勻分布。

表1　測試工況

表2風屏障幾何參數(模型)

Tab.2 Wind barrier geometric parameters

高度/m長度/m透風率/%0.080.105×1.280、10、20、30、400.12

1.3試驗設備

風洞試驗在中南大學“高速鐵路建造技術國家工程實驗室”的高速鐵路風洞試驗系統進行，該系統包括高速和低速兩個試驗段，其中，高速試驗段長15.0 m，寬3.0 m，高3.0 m，試驗風速在594 m/s范圍內連續可調；低速試驗段長18.0 m，寬12.0 m，高3.5 m，試驗風速在220 m/s范圍內連續可調。本次試驗在低速試驗段內的均勻流場中完成(試驗風速為10 m/s)。

風壓測量采用美國PSI公司的DTC net電子式壓力掃描閥系統，每通道測試精度達到0.05%，是目前世界上精度最高的集成式壓力測量系統之一，本次試驗共使用6個模塊，可進行384個測點的同步測壓。參考點的風速則由皮托管測量。采樣時長30 s，采樣頻率330 Hz。

2數據處理

測點i處的風壓系數Cpi(t)定義如下：

(1)

其中：Pi(t)為風洞試驗中壓力掃描閥測得的i點處風壓時程，以壓力作用方向指向結構表面為正，離開為負；P0為無窮遠處試驗參考高度處的靜壓；ρ為空氣密度，取ρ=1.225 kg/m3；UH為無窮遠處參考點高度處的來流風速。

壓力系數反映的是結構某一點的受力情況，為考察結構受到的整體氣動力，可將壓力系數對面積積分得到各種氣動力系數，如側力系數CY(t)、升力系數CZ(t)和傾覆力矩系數CMx(t)(氣動力方向規定見圖3)，其定義分別如下：

(2)

(3)

(4)

其中：H、B、L分別為模型的高、寬、長；FY、FZ、Mx分別為體軸系下模型受到的側力、升力和傾覆力矩，當考慮的為列車某一表面的氣動力時可得到這個面的氣動力系數。

圖3　體軸系下列車氣動力 Fig.3 Aerodynamic force in body axis

3試驗結果與分析

3.1風屏障透風率的影響

圖4給出的是上游列車迎風面、車頂、背風面及車底各面氣動力隨透風率的變化情況(風屏障高2.5 m、Case1)。由圖4(a)可知，設置風屏障后，迎風面側力方向與無風屏障時相反，故使總體側力減小，且隨透風率的增加而增大；背風面的側力系數基本不受透風率大小影響，且在總體側力中占主導地位；車頂側力方向與來流方向相反，并隨透風率增加而略有增大，但大小有限；車底對側力基本沒有貢獻，且不受透風率大小的影響。升力情況見圖4(b)，可以看出，升力主要由車頂和車底貢獻，設置風屏障后，車頂升力約增大50%，且受透風率大小影響較小；車底升力與車頂方向相反，并隨透風率的增加而增大。圖4(c)給出的是各面的傾覆力矩，可以看出，迎風面和車底產生的力矩方向一致，并與背風面和車頂相反；迎風面和背風面的力矩隨透風率的變化情況與其側力類似，對于車頂和車底而言，則與升力類似。

圖5所示為下游列車在不同透風率風屏障影響下各面的氣動力比較(風屏障高2.5m、Case2)。由圖可知，相對上游列車而言，各面的氣動力受透風率大小影響較小，且隨透風率變化并無明顯規律。

下面對列車表面的風壓分布進行分析以進一步認識風屏障對列車氣動力影響的微觀機理。筆者前期研究表明[17]，中車風壓沿列車長度方向基本不變，因此本文取各截面的風壓平均值作為“代表性曲線”，分析各參數對“代表性曲線”的影響。圖6所示為風屏障透風率對上游列車表面風壓分布的影響情況(風屏障高2.5m、Case1)，可以看出，設置風屏障后，迎風面風壓由正變負(透風率0%時，平均風壓約為-1.0)，且沿高度分布基本不變，并隨透風率的增加逐漸增大；車頂平均風壓顯著減小，且最小負壓發生的位置向下游移動(由5#點移至6#點)，需要指出的是，在透風率0%40%范

圖4　透風率對上游列車各面氣動力的影響(Case1) Fig.4 Influence of porosity on aerodynamic characteristics of upstream train(Case1)

圖5　風屏障透風率對下游列車各面氣動力的影響(Case2) Fig.5 Influence of porosity on aerodynamic characteristics of downstream train(Case2)

圍內，最小負壓隨透風率的增加而減小，但它的最大值出現在透風率100%(無風屏障)，表明透風率存在一個最優值，當透風率超過該值后，最小負壓會隨透風率的增加而增大，這一結果與文獻[7]的結論一致；背風面風壓受風屏障影響較小，這是因為該區域風壓主要由列車自身產生的尾流決定；車底風壓受風屏障影響相對較小，且隨透風率增加而增大。

圖7所示為風屏障透風率對下游列車風壓分布的影響(風屏障高2.5 m、Case2)，由圖可見，下游列車在各透風率下的風壓分布基本一致，各面風壓大小也相當，隨透風率變化并無明顯規律；相對上游列車而言，下游列車風壓分布受透風率大小影響較小。

圖6　透風率對上游列車風壓分布的影響(Case1) Fig.6 Influence of porosity on pressure distribution of upstream train(Case1)

圖7　透風率對下游列車風壓分布的影響(Case2) Fig.7 Influence of porosity on pressure distribution of downstream train(Case2)

3.2風屏障高度的影響

圖8、圖9分別所示為風屏障高度對上、下游列車各面氣動力的影響情況(透風率30%)。由圖8可知，上游列車各面的側力受風屏障高度影響較小，至于升力和傾覆力矩，除車頂氣動力隨風屏障高度增加略有減小外，其它各面受風屏障高度的影響較小。由圖9可見，下游列車各面氣動力基本不受風屏障高度影響。

圖10所示為不同高度風屏障下列車表面的風壓分布情況(透風率30%)。由圖可知，風屏障高度對平均風壓的影響與列車所處上下游位置有關，上游列車迎風面、背風面及車底的風壓分布受風屏障高度影響較小，車頂風壓則隨風屏障高度的增加而增大；下游列車各面風壓隨風屏障高度變化較小。總的來說，風屏障高度對風壓分布的影響較小。

圖8　風屏障高度對上游列車各面氣動力的影響(透風率30%、Case1) Fig.8 Influence of height on aerodynamic force of upstream train(Porosity30%、Case1)

圖9　風屏障高度對下游列車各面氣動力的影響(透風率30%、Case2) Fig.9 Influence of height on aerodynamic force of downstream train(Porosity30%、Case2)

圖10　風屏障高度對風壓分布的影響(透風率30%) Fig.10 Influence of height on pressure distribution(Porosity30%)

4氣動機理解釋

圖11描述的是風屏障對車-橋系統表面氣流繞流的影響。由該圖可以看出，由于風屏障的阻擋效應，氣流流至風屏障時受阻，當風屏障透風率較小時(透風率為0%)，一部分氣流向下流動，并在橋面形成駐渦區，向上流動的氣流則在風屏障頂部發生分離，上、下游列車便處于風屏障的尾流中，因此即使是上游列車的迎風面，其表面風壓也表現為負壓，同樣是因為處于尾流中，兩車各面風壓分布基本一致，且均為負壓(圖6)。當風屏障透風率非零時，氣流從風屏障的開孔處穿過，作用在上游列車的迎風面，一部分沿迎風面向上流動，并在列車頂部前緣分離，一部分則繞表面向下流動，并從車底穿過，繞流特征的改變對上游列車風壓分布的影響在于，迎風面負壓減小，甚至變為正壓，車頂最小負壓減小，車底風壓略有增大，背風區則由于處于自身的尾流中，風壓變化較小；下游列車則由處于風屏障的尾流中轉變為上游列車與橋梁的尾流中，由于還是處于尾流中，下游列車的風壓分布受透風率大小影響較小(圖7)。至此，不難理解上游列車氣動特性受風屏障參數變化影響較大，下游列車則受之影響較小。

需要指出的是，上述分析的前提是認為風屏障高度較高(本文風屏障最小高度為0.57倍車高)，由其頂端分離的氣流不會再附著在列車上，可以想象，當風屏障高度較低時，可能會發生再附現象，影響上游列車的防風效果；此外，盡管較小透風率風屏障會使線路上方的平均風速減小，但它的防風效果并不一定好，這是因為較小透風率風屏障產生的紊流較大，可能會使列車受到的瞬時氣動力增大，故需要對風屏障的透風率、高度等參數進行優化[18]。

圖11　風屏障對車橋組合狀態下氣流繞流影響 Fig.11 Influence of wind barrier on flow field around train-bridge

5結論

本文以京滬高速鐵路典型高架橋和CRH2列車為背景，基于同步測壓技術探究風屏障對高架橋上列車氣動特性影響機理，并嘗試從流體力學角度進行解釋，得到如下結論：

(1)風屏障對列車氣動力的影響機理與列車所處上下游位置相關，上游列車氣動力受風屏障參數變化影響較大，下游列車則由于處于上游列車與橋梁的尾流中，受風屏障影響較小。對于主導風向顯著的地區，可只在上游側設置風屏障便可達到良好的防風效果。

(2)側力主要由迎風面和背風面貢獻，升力主要由車頂和車底貢獻，力矩則是四個面疊加的結果。對于上游列車而言，設置風屏障后，迎風面風壓由正變負，使得該面的側力與背風面相反，故使總體側力減小；車頂平均風壓顯著減小，使得車頂升力約增大50%；背風面和車底風壓分布變化較小，因此力矩的防風效果相對較差。

(3)風屏障的防風效果與具體環境有關，盡管透風率較小、高度較大的風屏障會使線路上方的平均風速減小，但它的防風效果并不一定好，需要對風屏障的透風率、高度等參數進行優化。

參考文獻

[1]Baker C J, Cheli F, Orellano A, et al. Cross-wind effects on road and rail vehicles[J]. Journal of Vehicle Mechanics and Mobility, 2009, 47(8):983-1022.

[2]He X H, Zou Y F, Wang H F, et al. Aerodynamic characteristics of a trailing rail vehicles on viaduct based on still wind tunnel experiments[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2014(135): 22-33.

[3]劉慶寬. 強風環境下列車運行安全保障體系的初步研究[J]. 工程力學, 2010, 27(S1):305-310.

LIU Qing-kuan. Study on the system to ensure train operation safety under strong wind[J]. Engineering Mechanics, 2010, 27(S1):305-310.

[4]阮欣, 陳艾榮, 王達磊. 杭州灣跨海大橋風障設置風險評估[J]. 橋梁建設, 2007, 1:78-80.

RUAN Xin, CHEN Ai-rong, WANG Da-lei. Risk assessment of installing of wind shielding screens for Hangzhou Bay sea-crossing bridge[J]. Bridge Construction, 2007, 1:78-80.

[5]王厚雄, 王蜀東, 高注, 等. 防風工程對風特性及鐵道車輛橫風氣動特性的影響[J]. 空氣動力學學報, 1990, 8(4):430-436.

WANG Hou-xiong, WANG Shu-dong, GAO Zhu, et al. The effects of wind break engineering on wind characteristics and lateral aerodynamic characteristic of railway cars[J]. Acta Aerodynamic Sinica, 1990, 8(4):430-436.

[6]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, 27(2):66-70.

JIANG Cui-xiang, LIANG Xi-feng. Effect of the vehicle aerodynamic performance caused by the height and position of wind-break wall[J]. China Railway Science,2006, 27(2):66-70.

[7]周奇, 朱樂東, 郭震山. 曲線風障對橋面風環境影響的數值模擬[J]. 武漢理工大學學報, 2010, 32(10):38-44.

ZHOU Qi, ZHU Le-dong, GUO Zhen-shan. Numerical simulation for curve windshield barrier effects on wind enviroment around bridge deck[J]. Journal of Wuhan University of Technology, 2010, 32(10):38-11.

[8]向活躍, 李永樂, 胡喆, 等. 鐵路風屏障對軌道上方風壓分布影響的風洞試驗研究[J]. 實驗流體力學, 2012, 26(6):19-23.

XIANG Huo-yue, LI Yong-le, HU Zhe, et al. Effects of wind screen on wind pressure distribution above railway tracks by wind tunnel[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2012, 26(6):19-23.

[9]Papesch A J G. Model study of windbreaks on railway on bridge[J]. New Zealand Engineering, 1972, 27(4):132-139.

[10]Coleman S A, Baker C J. The reduction of accident risk for high sided road vehicles in cross winds[J]. Jouranl of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 1992, 41-44:2685-2695.

[11]Kwon S D, Kim D H, Lee S H, et al. Design criteria of wind barriers for traffic. Part1: wind barrier performance[J]. Wind and Structures, 2011, 14(1):55-70.

[12]Kim D H, Kwon S D, Lee I K, et al. Design criteria of wind barriers for traffic. Part2: decision making process[J]. Wind and Structures, 2011, 14(1):71-80.

[13]Kozmar H, Procino L, Borsani A, et al. Sheltering efficiency of wind barriers on bridges[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2012,107-108:274-284.

[14]張健. 鐵路防風柵欄抗風性能風洞試驗研究與分析[J]. 鐵道科學與工程學報, 2007, 4(1):13-17.

ZHANG Jian. Wind-tunnel test investigations and analysis on wind break performances of wind fences on railway[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2007, 4(1):13-17.

[15]Suzuki M, Tanemoto K, Maeda T. Aerodynamic characteristics of train/vehicles under cross winds[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2003, 91:209-218.

[16]Cheli F, Corradi R, Rocchi A, et al. Wind tunnel tests on train scale models to investigate the effect of infrastructure scenario[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2010, 98:353-362.

[17]何旭輝, 鄒云峰, 杜風宇, 等. 車橋組合狀態下CRH2列車氣動特性試驗研究[C]. 第十六屆全國結構風工程學術會議論文集, 成都: 西南交通大學出版社, 2013:89-90.

[18]Raine J K, Stevenson D C. Wind protection by model fences in a simulated atmospheric boundary layer[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 1977, 2:159-180.