強(qiáng)風(fēng)區(qū)擋風(fēng)墻高度和位置對(duì)接觸網(wǎng)區(qū)域風(fēng)速的影響

韓佳棟，張 勇，劉曉紅，曹樹(shù)森

(1.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043;2.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031;3.西南交通大學(xué)現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)培訓(xùn)中心，成都 610031)

南疆線、蘭新線穿越著名的安西、煙墩、百里、三十里風(fēng)區(qū)及達(dá)坂城、阿拉山口風(fēng)口，風(fēng)區(qū)總長(zhǎng)度500 km以上，特別是百里、三十里風(fēng)區(qū)內(nèi)大風(fēng)頻繁、風(fēng)力強(qiáng)勁、風(fēng)力變化劇烈，最大瞬時(shí)風(fēng)速超過(guò)60 m/s。據(jù)統(tǒng)計(jì)，蘭新線自1960至1993年，大風(fēng)吹翻列車13起，總計(jì)翻車79輛［1］。為保障列車在大風(fēng)氣候條件下能正常安全行駛，鐵路沿線局部地段采用了高3～3.5 m的擋風(fēng)墻，對(duì)列車運(yùn)行起到一定防護(hù)作用［2］，但沒(méi)有考慮其對(duì)接觸網(wǎng)區(qū)域風(fēng)的上吹角變化，以及對(duì)接觸網(wǎng)可靠性的影響。因此，強(qiáng)風(fēng)區(qū)設(shè)置擋風(fēng)墻對(duì)接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響還需要做進(jìn)一步的研究。

1 風(fēng)場(chǎng)模型、邊界條件及網(wǎng)格劃分

由于本次風(fēng)場(chǎng)模型網(wǎng)格比較規(guī)則，直接在STARCD中建立模型，并對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。

1.1 風(fēng)場(chǎng)模型

邊界條件:目前計(jì)算車輛為靜止?fàn)顟B(tài)，車速不會(huì)造成接觸網(wǎng)區(qū)域風(fēng)場(chǎng)的變化。相對(duì)列車和接觸網(wǎng)尺寸而言，列車長(zhǎng)度可假設(shè)為無(wú)限長(zhǎng)，采用二維穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型便可以滿足計(jì)算要求［3］。計(jì)算模型如圖1所示，風(fēng)場(chǎng)左側(cè)邊界為入口邊界，右側(cè)和上方均采用壓力邊界，前后采用對(duì)稱邊界。風(fēng)場(chǎng)高度為120 m，風(fēng)場(chǎng)長(zhǎng)度為360 m。在列車和擋風(fēng)墻等風(fēng)速變化比較劇烈的位置進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。

圖1 風(fēng)場(chǎng)模型

由于大風(fēng)區(qū)風(fēng)速較大，通過(guò)對(duì)雷諾數(shù)進(jìn)行粗略計(jì)算，風(fēng)區(qū)流場(chǎng)普遍為紊流，故設(shè)定邊界條件時(shí)壓力邊界采用高雷諾數(shù) κ-ε紊流模型，其中紊流強(qiáng)度 κ取0.05，紊流長(zhǎng)度 l取 0.4［4，5］。

1.2 擋風(fēng)墻計(jì)算模型

計(jì)算模型為車靜止時(shí)，采用二維模型得出擋風(fēng)墻高度以及距離對(duì)接觸網(wǎng)區(qū)域風(fēng)的速度和仰角的影響。

擋風(fēng)墻計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2所示，將軌道予以簡(jiǎn)化，道床高度定為0.6 m。在此次模型計(jì)算中，參數(shù)可以變化，如擋風(fēng)墻高度、厚度，以及與軌道1線中心線距離、路堤高度，圖中部分尺寸僅供參考。

圖2 擋風(fēng)墻計(jì)算簡(jiǎn)圖(單位:m)

1.3 列車模型

計(jì)算采用YZ25G型客車模型(圖3)，列車高度為4.43 m，考慮到風(fēng)場(chǎng)計(jì)算的網(wǎng)格數(shù)量和收斂性能，對(duì)列車底部和接觸網(wǎng)部分進(jìn)行簡(jiǎn)化。

圖3 列車模型(單位:m)

2 計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)目前蘭新線沿線的擋風(fēng)墻參數(shù)，將計(jì)算條件設(shè)定為擋風(fēng)墻高度為距軌面2～6 m，擋風(fēng)墻位置為擋風(fēng)墻內(nèi)側(cè)距1線中心線4.5～6.5 m，得出擋風(fēng)墻參數(shù)變化對(duì)兩線接觸網(wǎng)區(qū)域風(fēng)場(chǎng)特性的影響［6-8］。擋風(fēng)墻采用對(duì)拉式擋風(fēng)墻，厚度為0.8 m，橫風(fēng)風(fēng)速為穩(wěn)定風(fēng)速，取為 40 m/s。

2.1 擋風(fēng)墻高度對(duì)接觸網(wǎng)區(qū)域風(fēng)場(chǎng)特性的影響

計(jì)算工況條件如表1所示，列車車型為YZ25G型客車，列車靜止處于1線，擋風(fēng)墻高度從軌面算起，接觸網(wǎng)區(qū)域選取距軌面 5.35 m ±0.2 m 高度［9］，計(jì)算結(jié)果選取此高度范圍內(nèi)各點(diǎn)的平均值。

(1)計(jì)算所得1線接觸網(wǎng)區(qū)域風(fēng)場(chǎng)特性數(shù)據(jù)如圖4、圖5所示。當(dāng)接觸網(wǎng)區(qū)域風(fēng)向角在第三、四象限時(shí)，圖中仰角取負(fù)值。

(2)計(jì)算所得2線接觸網(wǎng)區(qū)域風(fēng)場(chǎng)特性數(shù)據(jù)如圖6、圖7所示。

表1 擋風(fēng)墻高度計(jì)算條件

圖4 擋風(fēng)墻高度對(duì)1線接觸網(wǎng)區(qū)域風(fēng)速影響曲線

圖5 擋風(fēng)墻高度對(duì)1線接觸網(wǎng)區(qū)域大風(fēng)仰角影響曲線

圖6 擋風(fēng)墻高度對(duì)2線接觸網(wǎng)區(qū)域風(fēng)速影響曲線

圖7 擋風(fēng)墻高度對(duì)2線接觸網(wǎng)區(qū)域大風(fēng)仰角影響曲線

由圖4和圖6可以看出，隨著擋風(fēng)墻高度的增加，接觸網(wǎng)區(qū)域風(fēng)速呈下降趨勢(shì)，但從3 m以后就開(kāi)始逐漸穩(wěn)定下來(lái)，只有很小的波動(dòng)。

由圖5和圖7可以看出，大風(fēng)仰角在3 m以后曲線相對(duì)波動(dòng)較大。分析其原因，是此時(shí)的擋風(fēng)墻高度越高，X、Y方向的風(fēng)速值相對(duì)越小，即使一個(gè)方向的風(fēng)速出現(xiàn)小的變化，對(duì)風(fēng)向仰角也影響很大，導(dǎo)致其波動(dòng)很大。

2.2 擋風(fēng)墻距線路中心的位置對(duì)接觸網(wǎng)區(qū)域風(fēng)場(chǎng)特性的影響

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，考慮接觸網(wǎng)高度對(duì)接觸網(wǎng)區(qū)域風(fēng)場(chǎng)特性的影響，將擋風(fēng)墻高度定為3 m。

計(jì)算工況條件如表2所示，列車車型為YZ25G型客車，列車靜止處于1線，擋風(fēng)墻高度從軌面算起，接觸網(wǎng)位置為距軌面(5.35±0.2)m高度，計(jì)算結(jié)果選取高度內(nèi)各點(diǎn)的平均值。

(1)1線接觸網(wǎng)數(shù)據(jù):計(jì)算結(jié)果如圖8、圖9所示。

(2)2線接觸網(wǎng)數(shù)據(jù):計(jì)算結(jié)果如圖10、圖11所示。

表2 擋風(fēng)墻距離計(jì)算條件

圖8 擋風(fēng)墻位置對(duì)1線接觸網(wǎng)區(qū)域風(fēng)速影響曲線

圖9 擋風(fēng)墻位置對(duì)1線接觸網(wǎng)區(qū)域大風(fēng)仰角影響曲線

由圖8和圖10可以得出結(jié)論，相比擋風(fēng)墻高度對(duì)接觸網(wǎng)區(qū)域風(fēng)速的影響而言，擋風(fēng)墻位置對(duì)接觸網(wǎng)的影響比較小，曲線較為平滑，風(fēng)速變化相對(duì)較小。由圖9和圖11可以看出，在行車線有車時(shí)，其所在線的接觸網(wǎng)仰角都比較小，在10°～25°，比較大的仰角都出現(xiàn)在沒(méi)有行車的鐵路線，且此時(shí)風(fēng)速較小，故可以保證行車安全。可以得出，擋風(fēng)墻位置在5 m左右時(shí)，接觸網(wǎng)數(shù)據(jù)較為良好。

圖10 擋風(fēng)墻位置對(duì)2線接觸網(wǎng)區(qū)域風(fēng)速影響曲線

圖11 擋風(fēng)墻位置對(duì)2線接觸網(wǎng)區(qū)域大風(fēng)仰角影響曲線

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，可以得出如下結(jié)論:

(1)擋風(fēng)墻高度為3 m以上時(shí)，接觸網(wǎng)區(qū)域風(fēng)速、風(fēng)向仰角和風(fēng)壓比較適合列車行走;

(2)擋風(fēng)墻距線路中心5 m時(shí)，接觸網(wǎng)區(qū)域風(fēng)速、風(fēng)向仰角比較適合列車行走。

［1］尹永順，王厚雄.蘭新復(fù)線防風(fēng)安全工程研究報(bào)告［R］.烏魯木齊:烏魯木齊鐵路局，1993.

［2］李斌.蘭新線風(fēng)區(qū)段鐵路大風(fēng)氣象災(zāi)害及防風(fēng)措施［J］.大陸橋視野，2007(6).

［3］劉鳳華.不同類型擋風(fēng)墻對(duì)列車運(yùn)行安全防護(hù)效果的影響［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，37(1).

［4］高注，王蜀東，尹永順.擋風(fēng)墻高度的研究［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，1990，11(1).

［5］田志軍.電氣化鐵路接觸網(wǎng)防風(fēng)技術(shù)研究［J］.建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理，2007(7).

［6］姜翠香.擋風(fēng)墻高度和設(shè)置位置對(duì)車輛氣動(dòng)性能的影響［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2006(2).

［7］劉鳳華.加筋土式擋風(fēng)墻優(yōu)化研究［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2006(1).

［8］董漢雄.蘭新鐵路百里風(fēng)區(qū)擋風(fēng)墻設(shè)計(jì)［J］.路基工程，2009(2).

［9］熊小惠，梁習(xí)鋒，高廣軍，等.蘭州—新疆線強(qiáng)側(cè)風(fēng)作用下車輛的氣動(dòng)特性［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2006，37(6).

［10］王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004:1-13.

［11］B.E.Launder，D.B.Spalding，Lectures in Mathematical Models of Turbulence［M］.London:Academic Press，1972.