大風(fēng)區(qū)鐵路擋風(fēng)墻合理設(shè)置*

楊 斌，劉堂紅，楊明智

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031;2.蘭新鐵路新疆有限公司，新疆 烏魯木齊 830011;3.中南大學(xué)軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

根據(jù)《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，到2020年，客運(yùn)專線將達(dá)到1.2萬(wàn)km以上。隨著列車運(yùn)行速度的提高，在強(qiáng)側(cè)風(fēng)作用下，列車空氣動(dòng)力性能惡化，對(duì)列車運(yùn)行安全造成嚴(yán)重影響［1－6］。新建蘭州至烏魯木齊第二通道(簡(jiǎn)稱蘭新第二雙線)全長(zhǎng)1776 km，穿越大風(fēng)地區(qū)總長(zhǎng)度近500 km。風(fēng)區(qū)內(nèi)大風(fēng)頻繁，風(fēng)力強(qiáng)勁，大風(fēng)對(duì)鐵路列車運(yùn)行安全及運(yùn)輸暢通構(gòu)成嚴(yán)重威脅［7－8］。大風(fēng)風(fēng)災(zāi)體現(xiàn)為吹翻列車、破壞站房、路基及通訊設(shè)施，甚至危及人員生命安全。既有蘭新鐵路曾發(fā)生過(guò)多起大風(fēng)引起的列車傾覆或脫軌事故，尤其近年該鐵路頻遭大風(fēng)襲擊而中斷運(yùn)輸，造成了巨大經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。由此，根據(jù)大風(fēng)環(huán)境特點(diǎn)及既有鐵路運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，動(dòng)車組列車及相關(guān)設(shè)施的防風(fēng)安全性成為制約風(fēng)區(qū)新建鐵路成功的關(guān)鍵因素。大風(fēng)作用下列車周圍空氣的繞流流場(chǎng)明顯變化，空氣動(dòng)力顯著增大;設(shè)置擋風(fēng)墻及其他防風(fēng)設(shè)施，是保證風(fēng)區(qū)新建鐵路列車安全運(yùn)行的主要措施［9－13］。本文針對(duì)高速動(dòng)車組在風(fēng)區(qū)運(yùn)行時(shí)擋風(fēng)墻的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算研究。

1 數(shù)值計(jì)算理論及模型

橫風(fēng)作用下列車周圍流場(chǎng)采用三維粘性不可壓縮湍流流動(dòng)處理。描述列車周圍空氣流動(dòng)的控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程及湍流模型方程，在此，選取工程上應(yīng)用較廣的k－ε雙方程模型［14］。

擋風(fēng)墻模型采用直立式擋風(fēng)墻進(jìn)行研究，擋風(fēng)墻高度定義為擋風(fēng)墻頂部距軌面距離，其頂面寬度為1.2 m，擋風(fēng)墻位置以擋風(fēng)墻內(nèi)側(cè)表面距離一線中心線的距離來(lái)定義，其橫斷面模型見(jiàn)圖1。

圖1 擋風(fēng)墻橫斷面模型(單位:m)Fig.1 Cross－sectional model for wind－break wall(unit:m)

計(jì)算模型采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格來(lái)離散。擋風(fēng)墻近壁面的網(wǎng)格要求很細(xì)，以滿足附面層計(jì)算的要求，遠(yuǎn)離擋風(fēng)墻的網(wǎng)格較稀，密網(wǎng)格和稀疏網(wǎng)格之間以一定的增長(zhǎng)因子均勻過(guò)渡，這樣既保證了精度要求，又減小計(jì)算量并加快了收斂速度?？臻g采用四面體網(wǎng)格，物面為三角形網(wǎng)格，空間體網(wǎng)格約為400萬(wàn)。

2 列車安全運(yùn)行評(píng)定參考依據(jù)

擋風(fēng)墻的作用是既要保障動(dòng)車組安全，不會(huì)因?yàn)榇箫L(fēng)而導(dǎo)致傾覆，又要保障接觸網(wǎng)導(dǎo)線的風(fēng)偏量限制在一定的范圍之內(nèi)，不會(huì)因?yàn)轱L(fēng)偏量太大而導(dǎo)致弓網(wǎng)不能正常接觸。因此，擋風(fēng)墻是否合適，必須以此為依據(jù)。

列車因大風(fēng)傾覆，主要因?yàn)榇箫L(fēng)作用下，列車空氣動(dòng)力，主要是橫向力、升力和兩者引起的傾覆力矩過(guò)大，超過(guò)臨界傾覆力矩引起的。臨界傾覆力矩與車輛自重、重心、運(yùn)行線路、車輛外形、橫向加速度等諸多因素有關(guān)，目前沒(méi)有可以直接參考的標(biāo)準(zhǔn)?？梢杂糜趨⒖嫉囊罁?jù)有以下2種:一是根據(jù)《京津城際鐵路技術(shù)管理暫行辦法》第170條:動(dòng)車組在環(huán)境風(fēng)風(fēng)速不大于15 m/s時(shí)，可以按正常速度運(yùn)行;風(fēng)速不大于20 m/s時(shí)，限速300 km/h;風(fēng)速不大于25 m/s時(shí)，限速200 km/h;風(fēng)速不大于30 m/s時(shí)，限速120 km/h;風(fēng)速大于30 m/s時(shí)，嚴(yán)禁動(dòng)車組進(jìn)入風(fēng)區(qū)。根據(jù)此條件，由計(jì)算得到動(dòng)車組在平地運(yùn)行時(shí)的傾覆力矩，作為參考依據(jù)［15］。二是根據(jù)大風(fēng)作用下動(dòng)車組的氣動(dòng)特性，再做動(dòng)力學(xué)計(jì)算，得到車輛的臨界氣動(dòng)傾覆力矩。

同樣，接觸網(wǎng)的風(fēng)偏量目前也沒(méi)有可以參考的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)《京津城際鐵路技術(shù)管理暫行辦法》第170條，也可以計(jì)算接觸網(wǎng)處的橫風(fēng)風(fēng)速作為參考的依據(jù)。

綜合計(jì)算分析，將79468 N·m作為臨界氣動(dòng)傾覆力矩，將32 m/s作為接觸網(wǎng)處臨界接觸網(wǎng)風(fēng)速。這樣，在后述對(duì)擋風(fēng)墻位置、高度和形式研究中，將主要考察車輛氣動(dòng)傾覆力矩和接觸網(wǎng)處的風(fēng)速，并由此確定合理的擋風(fēng)墻位置、高度和形式。

3 擋風(fēng)墻合理位置研究

在進(jìn)行擋風(fēng)墻合理位置的優(yōu)化過(guò)程中，擋風(fēng)墻高度為距離軌面2.5 m。圖2和圖3分別為平地上、不同位置擋風(fēng)墻下、橫風(fēng)風(fēng)速為60 m/s、車速為350 km/h時(shí)，動(dòng)車組傾覆力矩和接觸網(wǎng)位置橫風(fēng)風(fēng)速計(jì)算結(jié)果隨擋風(fēng)墻位置變化曲線。

由計(jì)算結(jié)果可知，5.3，5.7，6.1 m 這 3 種位置擋風(fēng)墻下，無(wú)論一線還是二線運(yùn)行的動(dòng)車組，其所受到的傾覆力矩均為頭車最小，中間車其次，尾車最大;當(dāng)擋風(fēng)墻位置為5.7 m時(shí)，無(wú)論是在一線或是二線運(yùn)行，動(dòng)車組所受的氣動(dòng)力均最小，氣動(dòng)性能相對(duì)較好;此時(shí)，接觸網(wǎng)位置的橫風(fēng)風(fēng)速也相對(duì)較小，尤其當(dāng)動(dòng)車組在一線運(yùn)行時(shí)，一線接觸網(wǎng)位置5.5 m高度的橫風(fēng)風(fēng)速相對(duì)其他2個(gè)擋風(fēng)墻高度下時(shí)明顯降低，說(shuō)明5.7 m擋風(fēng)墻位置對(duì)于減小接觸網(wǎng)橫向風(fēng)速較為有效。因而，5.7 m為擋風(fēng)墻距一線中心線的合理位置，在后續(xù)的擋風(fēng)墻高度優(yōu)化中，采用擋風(fēng)墻位置為5.7 m。

圖2 動(dòng)車組傾覆力矩隨擋風(fēng)墻位置變化曲線Fig.2 Overturning moment of EMU changed with position of wind－break wall

圖3 接觸網(wǎng)風(fēng)速隨擋風(fēng)墻位置變化曲線Fig.3 Velocity of catenary changed with position of wind－break wall

4 擋風(fēng)墻合理高度研究

實(shí)際研究中，對(duì)8 m路塹，5 m路塹，2 m路塹，平地，3 m路堤，5 m路堤，7 m路堤進(jìn)行了擋風(fēng)墻高度優(yōu)化分析，受篇幅限制，本文只選取部分路況進(jìn)行分析。

4.1 2 m深度路塹上擋風(fēng)墻合理高度研究

2 m深度路塹對(duì)接觸網(wǎng)的防護(hù)作用基本為零，需要考慮增加擋風(fēng)墻的高度。取擋風(fēng)墻高度分別為2.5，3.0，3.5 和 4.5 m 進(jìn)行分析。擋風(fēng)墻高度的變化引起動(dòng)車組周圍流場(chǎng)的變化，從而使動(dòng)車組的傾覆力矩和接觸網(wǎng)處的橫風(fēng)風(fēng)速也發(fā)生了明顯的變化。

350 km/h運(yùn)行速度下頭車氣動(dòng)傾覆力矩和一線高6.9 m位置接觸網(wǎng)風(fēng)速隨擋風(fēng)墻高度變化曲線分別如圖4和圖5所示。綜合各擋風(fēng)墻高度和不同環(huán)境風(fēng)風(fēng)速下動(dòng)車組各車的最大氣動(dòng)傾覆力矩和接觸網(wǎng)處的最大橫風(fēng)風(fēng)速計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)擋風(fēng)墻的高度為2.5 m和3.0 m，環(huán)境風(fēng)小于45 m/s時(shí)，正常運(yùn)行動(dòng)車組的氣動(dòng)傾覆力矩小于臨界氣動(dòng)傾覆力矩;當(dāng)擋風(fēng)墻的高度為3.5m，環(huán)境風(fēng)小于35 m/s時(shí)，正常運(yùn)行動(dòng)車組的氣動(dòng)傾覆力矩小于臨界氣動(dòng)傾覆力矩;當(dāng)擋風(fēng)墻的高度為4.5 m，環(huán)境風(fēng)小于25 m/s時(shí)，正常運(yùn)行動(dòng)車組的氣動(dòng)傾覆力矩小于臨界氣動(dòng)傾覆力矩。當(dāng)擋風(fēng)墻高度為2.5 m和3.0 m、環(huán)境風(fēng)風(fēng)速小于25 m/s時(shí)，接觸網(wǎng)處橫風(fēng)風(fēng)速小于臨界接觸網(wǎng)風(fēng)速;擋風(fēng)墻高度為3.5 m，環(huán)境風(fēng)風(fēng)速小于35 m/s，以及擋風(fēng)墻高度為4.5 m，環(huán)境風(fēng)風(fēng)速小于60 m/s時(shí)，接觸網(wǎng)處橫風(fēng)風(fēng)速小于臨界接觸網(wǎng)風(fēng)速。綜合分析可知2 m路塹上，在環(huán)境風(fēng)速35 m/s以下時(shí)，動(dòng)車組要正常運(yùn)行，需設(shè)置3.5 m高度擋風(fēng)墻。

圖4 2 m路塹中傾覆力矩隨擋風(fēng)墻高度變化曲線Fig.4 Overturning moment of EMU changed with height of wind－break wall in 2 m deep cutting

圖5 2 m路塹中接觸網(wǎng)風(fēng)速隨擋風(fēng)墻高度變化曲線Fig.5 Velocity of catenary changed with height of wind －break wall in 2 m deep cutting

4.2 平地上擋風(fēng)墻合理高度研究

平地上，在擋風(fēng)墻與車體之間、車體背風(fēng)面存在氣流漩渦，車體氣動(dòng)性能得以改善;隨著擋風(fēng)墻高度的增加，動(dòng)車組車體周圍的負(fù)壓和負(fù)壓區(qū)域面積增大，車體周圍流場(chǎng)變得復(fù)雜，尤其是車體背風(fēng)面的漩渦隨之逐漸增大。選取 2.0，2.5，3.0，3.5，4.5，5.5，6.5 和 7.5 m 幾種高度擋風(fēng)墻進(jìn)行分析。平地上車輛氣動(dòng)傾覆力矩和接觸網(wǎng)橫風(fēng)風(fēng)速隨擋風(fēng)墻高度變化曲線分別如圖6，圖7所示。由計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)擋風(fēng)墻的高度為2.0～3.5 m，環(huán)境風(fēng)小于45 m/s，以及擋風(fēng)墻的高度為 4.5 ～5.5 m，環(huán)境風(fēng)小于25 m/s工況下，正常運(yùn)行動(dòng)車組的氣動(dòng)傾覆力矩小于臨界氣動(dòng)傾覆力矩;擋風(fēng)墻高度為6.5 m和7.5 m，環(huán)境風(fēng)小于15 m/s時(shí)，正常運(yùn)行動(dòng)車組的氣動(dòng)傾覆力矩小于臨界氣動(dòng)傾覆力矩。綜合各擋風(fēng)墻高度下和不同環(huán)境風(fēng)風(fēng)速下的接觸網(wǎng)處的最大橫風(fēng)風(fēng)速，可以清楚地得出:擋風(fēng)墻高度2.0 ～3.5 m，環(huán)境風(fēng)風(fēng)速小于 25 m/s，以及擋風(fēng)墻高度為4.5～7.5 m、環(huán)境風(fēng)風(fēng)速小于60 m/s時(shí)，接觸網(wǎng)處橫風(fēng)風(fēng)速小于臨界接觸網(wǎng)風(fēng)速?？梢?jiàn)，要同時(shí)滿足車輛傾覆力矩和接觸網(wǎng)處風(fēng)速要求，在平地上，擋風(fēng)墻的合理高度為4.5～5.0 m。此時(shí)，環(huán)境風(fēng)速小于25 m/s時(shí)，動(dòng)車組可以安全運(yùn)營(yíng)。

圖6 平地上傾覆力矩隨擋風(fēng)墻高度變化曲線Fig.6 Overturning moment of EMU changed with height of wind－break wall on flat ground

圖7 平地上接觸網(wǎng)風(fēng)速隨擋風(fēng)墻高度變化曲線Fig.7 Velocity of catenary changed with height of wind －break wall on flat ground

4.3 5 m高路堤上擋風(fēng)墻合理高度研究

路堤的存在使氣流有一個(gè)沿路堤攀升的過(guò)程，這使得到達(dá)擋風(fēng)墻的氣流的方向有很大的變化。隨著擋風(fēng)墻高度的增大，車體周圍的流場(chǎng)變得復(fù)雜，車體四周的漩渦變大，同時(shí)，氣流流過(guò)擋風(fēng)墻頂部時(shí)，氣流的攻角增大。選取 2.5，3.0，3.5，4.5，5.5，6.5和7.5 m幾種高度擋風(fēng)墻進(jìn)行分析。

5 m路堤上，車輛氣動(dòng)傾覆力矩和接觸網(wǎng)橫風(fēng)風(fēng)速隨擋風(fēng)墻高度變化曲線分別如圖8～圖9所示。由計(jì)算結(jié)果可知，擋風(fēng)墻高度為2.5～3.0 m，環(huán)境風(fēng)小于35 m/s，擋風(fēng)墻高度為 3.5 ～4.5 m，環(huán)境風(fēng)小于25 m/s時(shí)，擋風(fēng)墻高度為5.0～7.5 m，環(huán)境風(fēng)小于15 m/s時(shí)，車輛氣動(dòng)傾覆力矩小于臨界氣動(dòng)傾覆力矩。而擋風(fēng)墻高度為2.5～3.5 m，環(huán)境風(fēng)風(fēng)速小于15 m/s時(shí)，以及擋風(fēng)墻高度為4.0～7.5 m，環(huán)境風(fēng)風(fēng)速小于60 m/s時(shí)，接觸網(wǎng)處橫風(fēng)風(fēng)速小于臨界接觸網(wǎng)風(fēng)速。可見(jiàn)，5 m高度路堤上，擋風(fēng)墻的合理高度為4.0～4.5 m，此時(shí)，環(huán)境風(fēng)速小于25 m/s時(shí)，動(dòng)車組可以安全運(yùn)營(yíng)。

圖8 5 m路堤上傾覆力矩隨擋風(fēng)墻高度變化曲線Fig.8 Overturning moment of EMU changed with height of wind－break wall on 5 m high embankmen

圖9 5 m路堤上接觸網(wǎng)風(fēng)速隨擋風(fēng)墻高度變化曲線Fig.9 Velocity of catenary changed with height of wind －break wall on 5 m high embankment

5 結(jié)論

(1)擋風(fēng)墻距一線中心線的合理距離為5.7 m時(shí)，此時(shí)動(dòng)車組的氣動(dòng)性能較好，接觸網(wǎng)處的橫風(fēng)風(fēng)速最小。

(2)擋風(fēng)墻高度優(yōu)化中，2 m路塹上，擋風(fēng)墻的合理高度為3.5 m左右，此時(shí)環(huán)境風(fēng)速小于35 m/s時(shí)，動(dòng)車組可以安全運(yùn)營(yíng);在平地上，擋風(fēng)墻的合理高度為4.5～5.0 m，此時(shí)，環(huán)境風(fēng)速小于25 m/s時(shí)，動(dòng)車組可以安全運(yùn)營(yíng);5 m高度路堤上，擋風(fēng)墻的合理高度為4.0～4.5 m，此時(shí)，環(huán)境風(fēng)速小于25 m/s時(shí)，動(dòng)車組可以安全運(yùn)營(yíng)。

(3)既有蘭新鐵路在考慮擋風(fēng)墻高度時(shí)，只考慮了車輛本身的受力情況，所以擋風(fēng)墻的合理高度在2.0～2.5 m左右，但這種高度的擋風(fēng)墻滿足不了降低接觸網(wǎng)處風(fēng)速的要求。而對(duì)于高速動(dòng)車組運(yùn)行情況下的擋風(fēng)墻高度優(yōu)化，要兼顧到接觸網(wǎng)的風(fēng)速時(shí)，擋風(fēng)墻勢(shì)必較高，此時(shí)從車輛氣動(dòng)力角度來(lái)說(shuō)已處于過(guò)防護(hù)狀態(tài)，所以擋風(fēng)墻防御的環(huán)境風(fēng)風(fēng)速并不高。因此，對(duì)于環(huán)境風(fēng)較大的區(qū)段，建議采用防風(fēng)走廊或防風(fēng)明洞代替擋風(fēng)墻。

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