基于氣動效應的鐵路橋梁風屏障設計與分析

武月恒

（鐵道第三勘察設計院有限公司，天津 300142）

0 引言

強風對列車運行的安全影響極大，加強對大風天氣的預測并采取合適的防護措施尤其重要［1-2］，目前主流的方法有3種：（1）改進車輛外形；（2）實時監測運行區段風況來控制車速；（3）在線路周圍設置防風結構。目前列車外形經過多年改進其氣動性能已無法再得到有效提高，實時監控需在全線另設置一整套先進設備，經濟適用性差，這種實時控制引起的降速也會導致高鐵無法準時，所以目前綜合來看最優解是風區沿線建立風屏障。

我國對于列車氣動效應的研究起步較晚，鐵路抗風工程在20世紀90年代建立風洞后開始興起，隨后伴隨著計算機的不斷升級以及大量流體計算軟件的開發，數值模擬越來越受到研究人員的關注。王厚雄等［3］通過風洞縮尺試驗發現由于擋風墻的幾何特點，空氣通過擋風墻時被分離開，在靠近擋風墻尾跡區底部附近時，空氣流回分離區來補充被卷吸走的部分空氣，形成尾渦區，在車輛迎風面的尾渦區形成負壓，向逆風側吸引車體，提高了車輛抗傾覆的能力。高廣軍等［4］依據數值模擬結果，發現安裝風屏障后車輛迎風面由大部分正壓轉為負壓，擋風墻高度較低時，車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為負值，傾覆力矩變化情況與其正好相反。根據以上研究資料顯示，加裝風屏障會使列車與防風裝置之間的空氣流動發生變化、產生漩渦，導致高速列車受力情況發生變化，比如風屏障設置過低則無法擋風，設置過高又會給列車背風面施加力，使列車有倒向迎風側的趨勢。雙線橋梁上高速列車的運行位置分為上風線和下風線，列車與風屏障相對位置的不同使得其間流動空腔不同，進而導致列車表面受力不同。這些變量的改變對列車運行的影響均值得重點討論，因此重點分析風屏障高度變化對列車受力產生的影響，研究雙線橋上列車位置不同對列車表面壓力的影響。

1 車-橋-風屏障系統設計與氣動仿真模型

高速列車速度為300 km/h，橫風速度為15～30 m/s，馬赫數未達到0.3，所以可以不考慮流體的可壓縮性。

1.1 計算區域確定

高速列車在流場中運行時，車體附近的流場會因受力發生變化，而當距離列車足夠遠后這種變化會趨于穩定，在設置計算區域時，區域尺寸的選取會對計算結果造成影響。在計算區域內，流場需要能夠充分發展，流場邊界的設置不能距模型過近，否則會使多個面發生回流現象嚴重影響計算結果。

通常情況下，列車與流場邊界的距離要大于5倍車寬，尾流區要大于20倍車寬以使流場充分發展，豎直方向只要邊界設置不影響列車上部空氣擾流即可。將流場頂面定義為SYMMETRY可進一步降低流場阻塞效應。

列車速度方向沿x軸，橫風方向沿y軸，z軸為垂直地面方向。以此基準建立流場區域，x、y、z三個方向的長度分別為200、50、100 m。流場及車-橋-風屏障模型示意見圖1。

圖1 流場及車-橋-風屏障模型示意圖

1.2 計算網格劃分

網格劃分的疏密程度直接影響結果精確度，但不能為了提高精確度將全流場區域都劃分為尺寸很小的網格，因為流場變動在遠離模型一定程度后就趨于穩定，網格細致程度對這一區域影響不大。為了盡可能不占用過多計算機資源，同時使數值計算能夠有效進行，需要在貼近車體、橋和風屏障的表面劃分細致的網格，而遠離模型部分的網格則相對大些［5］。

Gambit中網格分為結構化網格和非結構化網格2種，結構化網格劃分數量少、計算結果更精確，但考慮到車-橋-風屏障模型外形比較復雜，非結構化網格的四面體結構更能適應，所以該算例使用設置好的尺寸函數以非結構化網格對整個流場進行離散。網格繪制完成后顯示網格數約為3×106個（見圖2）。

圖2 橫截面網格質量

1.3 邊界條件設定

數值計算時，首先定義一個有限區域，也被稱作計算域，其邊界由人為界定，該部分設定是計算的重要環節。在求解計算前需要設置合理的邊界條件，邊界條件要盡量接近現實情況。計算模型需要設置的邊界條件包括入口、出口、壁面以及對稱邊界條件。

根據相對運動原理，假設列車不動，空氣從列車正面迎來，速度與列車正常行駛速度相同。具體設定如下：

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

（2）出口邊界條件：流場后面和左側面定義為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算中收斂。

（3）壁面邊界條件：列車車體整體定義為TRAIN-WALL；橋-風屏障整體定義為QIAOFPZ-WALL，在FLUENT中設置為moving wall，速度設為83.3 m/s；流場底面定義為WALL。將模型設定為WALL以模擬真實情況下列車與橋梁、風屏障對氣流的阻擋作用。

（4）對稱邊界條件：將流場頂面設置為SYMMETRY。

2 橋梁加裝風屏障前后對列車周圍流場的影響

以FLUENT中的車-橋-風屏障氣動模型計算結果為依托，輔以Tecplot后處理軟件輸出的壓力云圖、速度流線圖，討論橋梁加裝風屏障前后列車周圍流場結構、列車表面所受氣動力的變化。

2.1 上風線加裝風屏障前后列車周圍流場變化

2.1.1 橋梁加裝風屏障后列車流場變化

運行在上風線的列車在橫風速度為20 m/s下加裝風屏障（風屏障高3 m）前后，列車中部周圍流場分布變化見圖3。未設立風屏障前，來流直接作用于車和橋的迎風側，遇到的車橋阻礙被分流為三部分：一是向下繞過橋梁下表面；二是向上繞過車頂；三是從車和橋之間的空隙流出。由圖3（a）可以看出，未設置風屏障時，列車迎風側沒有形成漩渦，背風側由流經列車上表面和流經車橋空隙的氣流形成2股氣流漩渦。

圖3 加裝風屏障前后列車中部周圍流場分布變化

由圖3（b）可以看出，加裝3 m風屏障后，空氣流動具有明顯改變：橫風受到風屏障的阻擋作用，一部分被抬高后流經車頂，使車頂周圍空氣流速得到提升，一部分繞過風屏障在車迎風側和風屏障之間形成漩渦，一部分流經列車頂部后在車背風側和風屏障之間形成漩渦。氣旋依次經過頭車、車身、車尾向后流動，流場得到充分發展，所以漩渦有從前往后增大的趨勢。與未安裝風屏障時不同，列車兩側均有漩渦形成，且背風側的氣流漩渦明顯大于迎風側。列車背風側的漩渦結構形式較未設置風屏障時簡單，只有1個大的氣流漩渦，這是由于安裝風屏障后流經車底空隙的氣流在背風側未繼續形成漩渦。風屏障使橫風不能直接作用于車體表面，可以對列車所受到的橫向氣動力起到一定程度上的緩解作用。

2.1.2 列車周圍氣壓分布

安裝風屏障前后上風線列車中部周圍壓力云圖見圖4，結合圖3可以看出風屏障的作用主要靠改變列車周圍氣流速度與氣壓影響列車的氣動力，而氣壓變化與氣流漩渦具有一定相關性。

圖4 上風線列車中部周圍壓力云圖

根據計算機仿真結果，在未安裝風屏障時列車迎風側所受空氣壓強為正，從車頭到車尾正壓逐漸減小，從車頭所受壓強7 000 Pa減小到車尾2 000 Pa左右；背風側所受壓強未見明顯變化。在車頭背風側形成了負壓區域，這與迎風側的正壓產生較大的壓差使得車頭部分在未安裝風屏障時受到很大的橫向力。根據負壓形成位置，推測原因是氣流經過車體上表面時被抬升，導致速度變快，使得背風面的氣流被抽空，形成負壓區，漩渦部分也是由于負壓的吸引而生成。車頭部分車頂與車底空氣流速加快，各形成1個強負壓區，但車底部負壓小于車頂部，于是未安裝風屏障時列車受到正升力的作用［6］。

2.1.3 列車表面壓力變化

列車行駛在未安裝風屏障的橋梁時，受到橫風的影響，迎風側顯示大面積的正壓，其最大值可以達到10 000 Pa，在背風側受到近4 000 Pa負壓。車尾迎風側與背風側表面壓力大致相同。迎風側無風屏障時車頭表面壓力分布云圖見圖5，由圖5可知，車頭鼻尖處正壓最大，車頭與車身的過渡區域以及列車頂部與側面連接處負壓最大，這可為空調裝置的布置提供參考，即進風口設置在車體鼻尖區域，出風口設在車頭頂部及車身側面和頂面交界處。

圖5 迎風側無風屏障時車頭表面壓力分布云圖

加裝風屏障后，壓強分布規律和未安裝風屏障時類似，車頭兩側壓差相對于未安裝時減小2 000 Pa左右。車頭迎風側的車身側面壓強分布較未安裝風屏障時緩和，未出現大跨度的壓強分布。針對以上現象可以預測：列車表面壓力大小與氣流在此處是否產生漩渦可能由氣流速度決定。

2.2 下風線加裝風屏障前后列車周圍流場變化

根據計算機仿真結果，流場分布情況與列車在上風線時類似。安裝3 m風屏障之后，迎風側列車表面與風屏障之間形成較行駛在上風線時更大的漩渦。迎風側車頭部分周圍壓強比上風線時大，分析原因可能是氣流翻過風屏障后與車體還有一段距離，于是產生一定程度的回落，造成對列車表面的沖擊比上風線時大。

3 參數變化對列車所受氣動力的影響

架設風屏障改變了列車周圍流場的結構形式，使得列車表面壓力改變，影響高速行駛的列車運行平穩性。分析設置不同高度風屏障或高度相同速度不同的條件下，列車所受阻力、升力以及側向力的變化。選擇3 m作為基礎高度，通過改變風屏障的結構，觀察列車氣動力的變化。

3.1 風屏障高度對列車氣動特性的影響

加裝1.5 m風屏障后列車所受側向力與升力明顯降低，側向力降低29.17%，升力降低65.8%，阻力上升10.88%，在風屏障高度增加到3.00～3.15 m時，升力與側向力發生正負的變化，這與Coleman等［7］建立1∶50縮尺模型進行風洞試驗的結果契合。列車傾覆主要是由升力與側向力共同作用產生的傾覆力矩造成［8］，在風屏障高度為3.00～3.15 m時，升力與側向力可以取到0，說明風屏障高度設置在3.00～3.15 m比較合適，這也符合原鐵道部經濟規劃研究院發布的高架橋段標準高度和加高高度［9］。當風屏障高度繼續加高后，升力與側向力都轉為負值且反向增大，說明此時風屏障已經處于過保護狀態。列車受到的氣動阻力基本不隨風屏障高度的變化而變化。隨著風屏障高度的增加，上下風線的阻力、升力、側向力對比情況見圖6。

圖6 上下風線的阻力、升力、側向力對比情況

由圖6可以看出，對于升力：（1）下風線列車升力對風屏障高度變化更敏感；（2）上下風線升力的變化趨勢并不完全相同；（3）下風線升力在連續減小到負值后，當風屏障高度增加到3 m后，下風線升力又有抬升趨勢。對于側向力：（1）風屏障高度增加到2 m前，上風線側向力更大；（2）在風屏障高度為2 m時，上下風線的側向力幾乎相同；（3）在風屏障高度增加到2 m后，上下風線的側向力變化趨勢幾乎一致；（4）在風屏障高度為4 m時，側向力值由正轉負，表明側向力方向發生改變。

上下風線的側向力與升力都有由正轉負的情況，說明存在一個風屏障高度使得列車所受傾覆力矩為0。姜翠香等［10］為確定這個合理的高度，構造了一個函數：

式中：f1為列車行駛在一線時傾覆力矩隨風屏障高度變化的擬合函數；f2為列車行駛在二線時傾覆力矩隨風屏障高度變化的擬合函數；fx為列車分別行駛在一線、二線時傾覆力矩絕對值之和的最小值。最后得出風屏障設置位置變化時，其合理高度也會發生變化，兩者之間近似成三次多項式關系［10］。這也印證：過高的風屏障會再次改變車體周圍流場結構，流場的改變使壓差發生正負變化，以及氣動力方向發生改變。

3.2 橫風速度對列車氣動性的影響

為研究橫風速度對風屏障防風效果的影響，取4個風速值分別為15、20、25、30 m/s，設置固定3 m風屏障，計算以速度300 km/h行駛的高速列車所受氣動力，結果見圖7。在橫風速度較低時，升力向下為負值。

圖7 列車氣動力隨橫風速度的變化

橫風速度每增加25%，根據3次仿真結果，阻力分別增加10.3%、9.3%、6.8%，側向力分別增加18.1%、13.1%、11.3%；橫風速度達到20 m/s之后，橫風速度每增加25%，根據2次仿真結果，升力分別增加25.8%、109%。由此可見，升力受橫風速度的影響最大。

3.3 列車速度對列車氣動性的影響

為研究不同列車運行速度下風屏障的效果，將風屏障高度設為固定3 m，橫風速度固定20 m/s，研究不同車速通過時列車所受氣動力。

仿真結果顯示，列車速度從225 km/h增加到300 km/h時，升力無明顯變化，速度繼續增加到375 km/h時，升力反而下降變為負值。阻力、側向力均隨車速增加逐漸增大，其中車速每增加25%，根據2次仿真結果，阻力分別增加57.6%、44.3%，側向力分別增加48.9%、34.5%?？梢酝茰y：在只存在橫風的條件下，車體所受氣動阻力主要取決于列車自身運行速度，升力主要取決于橫風速度而與列車運行速度關系較小。

3.4 風屏障形狀對列車氣動力的影響

根據上述對風屏障擋風效果的研究，以及對擋風機理的分析，提出對L內扣型風屏障、45°內扣型風屏障2種新型風屏障進行探究。2種風屏障以3 m高風屏障為標準建立模型，除形狀以外，模型其余所有參數設置與3 m風屏障相同，模擬其在20 m/s橫風時對以速度300 km/h行駛的列車的保護效果，計算結果見圖8。

圖8 不同形狀風屏障對列車所受氣動力的影響

由圖8可以看出，與直板型相比，L內扣型風屏障升力下降55.6%、阻力下降1.8%、側向力增加118.5%，該型風屏障雖然改善了列車升力、阻力的氣動性能，但由于影響列車傾覆力矩的主要是側向力，其側向力激增1倍多，嚴重影響列車運行安全性；45°內扣型風屏障升力、側向力均增大1倍至數倍，傾覆力矩也一定隨之增大，因此該方案更不能運用到實際中。

安裝2種異型風屏障的列車具有以下特點：一是其上部與背風側面的壓力相對更小，這導致列車產生更大的正升力與側向力；二是其迎風側均未出現空氣漩渦，這是由于異型風屏障形狀的阻礙作用使流場不能充分舒展所致。

4 結論

（1）安裝風屏障后能明顯改變列車周圍氣流的流動，但與未設置風屏障相比，列車迎風側與風屏障之間會形成漩渦。列車兩側的空氣漩渦會產生負壓區，其壓力差使列車受到側向氣動力，使列車有傾覆風險。在一定速度下，列車隨著風屏障高度的變化，存在一個特定高度值（約3 m）使列車所受側向力為0。

（2）風屏障高度的變化對列車側向力的影響最大，隨著風屏障高度的增加，升力與側向力都出現方向改變的現象，這是由于風屏障高度對于列車兩側漩渦的影響，即風屏障高度過高，流體補償由于卷吸作用帶走的流體作用減弱，導致列車兩側的壓差反向，使列車產生向迎風側傾倒的趨勢。升力方向改變則是由于風屏障對氣流的抬升作用使流體經過列車上表面時速度較慢，產生的負壓較小，由于壓差的影響升力向下。

（3）通過對比列車運行在上下風線時風屏障對流場改變的差別，發現列車運行在下風線時迎風側壓力更大，這是因為下風線的列車與迎風側風屏障有一段距離，氣流繞過風屏障后產生一定回落，對列車迎風側造成一定沖擊作用。上下風線列車所受氣動力變化趨勢大體相同，總體而言，上風線防護效果更優。

（4）在安裝同一高度風屏障時，隨著橫風速度增加或列車運行速度增加，會使列車的氣動性能惡化。升力主要影響因素是橫向風速，對于列車速度的變化并不敏感；阻力受列車速度的影響較大；側向力對列車速度與橫風速度的變化反應都較為敏感。

（5）風屏障結構影響列車所受氣動力的大小，研究表明傳統直板型風屏障防護效果更好。

（6）風屏障的高度設置對于風屏障表面壓力影響很大，過高會使風屏障內外壓差過大，增加損壞的可能。