蘭新高速鐵路擋風(fēng)墻合理高度研究

黃尊地，常寧

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蘭新高速鐵路擋風(fēng)墻合理高度研究

黃尊地，常寧

（五邑大學(xué) 機電工程學(xué)院，廣東 江門 529020）

為保障蘭新高速鐵路列車運行安全，建立了動車組、線路和擋風(fēng)墻等的三維模型進行數(shù)值仿真計算. 經(jīng)動模型試驗和風(fēng)洞試驗驗證，結(jié)果表明：合理擋風(fēng)墻高度隨路基高度的變化是非線性的，即在路塹上，合理擋風(fēng)墻高度隨路塹深度的增加而減??；在平地和路堤上，最優(yōu)擋風(fēng)墻的高度為3.5～4.0 m；合理設(shè)置擋風(fēng)墻后，其最大防御風(fēng)速隨路基高度的增加而減小，路基越高越危險.

蘭新高速鐵路；擋風(fēng)墻；路基

蘭新高速鐵路全長1 768 km，需穿越超過500 km的大風(fēng)地區(qū)，且主要以路基形式通過. 風(fēng)區(qū)內(nèi)大風(fēng)頻繁、風(fēng)力強勁，不僅吹翻列車，破壞站房、路基及通訊設(shè)施，甚至危及生命安全，大風(fēng)對鐵路列車運行安全及運輸暢通構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[1-3]. 既有線擋風(fēng)墻的防風(fēng)研究表明：擋風(fēng)墻在合理的高度下能很好地保障低速客貨運列車的運行安全[4-7]. 但對于計劃運營速度達(dá)350 km/h的蘭新高速鐵路高速動車組，要同時保證高速動車組的運行安全和弓網(wǎng)正常接觸，使高速動車組安全通過風(fēng)區(qū)，必須在風(fēng)、車、路、墻、網(wǎng)等耦合空氣動力特性和列車安全運行方面開展新的系統(tǒng)研究.

本文擬采用理論分析和試驗驗證相結(jié)合的方法，以數(shù)值仿真為主，建立蘭新高速鐵路上動車組、線路和擋風(fēng)墻等的三維模型并模擬其真實運動狀態(tài)，同時開展動模型試驗和風(fēng)洞試驗加以輔助驗證，研究大風(fēng)環(huán)境下客運專線列車運行安全情況和弓網(wǎng)接觸供電是否正常，以得到不同路基狀況下的合理擋風(fēng)墻高度，以及合理高度下的最大防御風(fēng)速情況，以期為風(fēng)區(qū)高速鐵路的擋風(fēng)墻工程建設(shè)及高速動車組列車運行安全提供可靠的理論依據(jù).

1 仿真模型

蘭新高速鐵路計劃運營CRH2型動車組. 由于CRH2動車組中間車輛截面形狀不變，當(dāng)氣流流過車頭一定距離后，繞流邊界層的結(jié)構(gòu)已趨于穩(wěn)定，車輛氣動力變化也趨于穩(wěn)定，因此計算模型取頭車+中間車+尾車編組；同時考慮轉(zhuǎn)向架、風(fēng)擋等設(shè)備，模型如圖1所示.

圖1 CRH2動車組模型圖（單位：m）

根據(jù)既有線上擋風(fēng)墻的研究經(jīng)驗，蘭新高速鐵路宜采用直立式擋風(fēng)墻[4-5]. 線路設(shè)計要求擋風(fēng)墻高度距軌面算起，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定義，為5.7 m. 擋風(fēng)墻橫斷面模型見圖2.

2 流場算法

本文采用滑移網(wǎng)格技術(shù)研究橫風(fēng)下的非定常特性. 整個模型分4個區(qū)域：動車組區(qū)域、擋風(fēng)墻區(qū)域以及擋風(fēng)墻前后兩端的空氣域. 由于列車的外形相當(dāng)復(fù)雜，動車組區(qū)域的網(wǎng)格一般可采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格. 列車車壁附近的流場復(fù)雜，要求網(wǎng)格非常密，但該區(qū)域不宜太大，以減小網(wǎng)格的規(guī)模. 其他區(qū)域均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，離列車較近的地方，網(wǎng)格可以稍微密一點；離列車較遠(yuǎn)的地方，網(wǎng)格可以比較稀.

圖2 擋風(fēng)墻橫斷面模型圖(單位：m)

邊界條件設(shè)定中，擋風(fēng)墻及其前后空氣域給定來流橫風(fēng)風(fēng)速，車體表面和地面為無滑移壁面邊界條件.

待流場達(dá)到充分湍流后，動車組區(qū)域以350 km/h的速度通過擋風(fēng)墻及其前后的空氣域. 計算時間應(yīng)根據(jù)整個區(qū)域長度和列車車速計算，時間步長應(yīng)根據(jù)網(wǎng)格劃分的精度和列車車速計算. 當(dāng)列車完全通過時，輸出整個過程的列車氣動性能—時間曲線.

3 算法驗證

3.1 動模型試驗

當(dāng)流場中的流態(tài)為湍流時，試驗發(fā)現(xiàn)，流體存在一個自模擬區(qū)，當(dāng)模型和實物處于同一自模擬區(qū)時，模型和實物的雷諾數(shù)不必保持相等，雷諾數(shù)的變化也不再影響所研究的現(xiàn)象[10]. 模型試驗的參數(shù)結(jié)果可以用到實物中去，利用自模擬性可以明顯簡化模型試驗的條件. 動模型試驗中擋風(fēng)墻模型如圖3所示.

3.2 風(fēng)洞試驗

圖3 動模型試驗中的擋風(fēng)墻模型

圖4 風(fēng)洞試驗中的擋風(fēng)墻模型

4 試驗結(jié)果與分析

根據(jù)《京津城際鐵路技術(shù)管理暫行辦法》第170條，計算CRH2動車組的氣動力數(shù)據(jù)作為判別依據(jù). 圖5為5 m和2 m路塹，平地上，3 m、5 m和7 m路堤時，不同擋風(fēng)墻高度下的極限風(fēng)速，包括傾覆力矩和接觸網(wǎng)兩方面. 傾覆力矩和接觸網(wǎng)的極限風(fēng)速隨擋風(fēng)墻高度的變化規(guī)律不同，但兩條曲線的交點是各擋風(fēng)墻高度下列車可以正常通過的最大安全風(fēng)速.

5 m路塹，最優(yōu)擋風(fēng)墻的高度為1.36 m，最大防風(fēng)風(fēng)速為47.9 m/s；2 m路塹，最優(yōu)擋風(fēng)墻的高度為3.4 m，最大防風(fēng)風(fēng)速為39.1 m/s；平地上，最優(yōu)擋風(fēng)墻的高度為4.04 m，最大防風(fēng)風(fēng)速為36.5 m/s；3 m路堤，最優(yōu)擋風(fēng)墻的高度為3.5 m，最大防風(fēng)風(fēng)速為32 m/s左右；5 m路堤，最優(yōu)擋風(fēng)墻的高度為3.6 m，最大防風(fēng)風(fēng)速為30.5 m/s左右；7 m路堤，最優(yōu)擋風(fēng)墻的高度為4.02 m，最大防風(fēng)風(fēng)速為28 m/s.

圖5 不同擋風(fēng)墻高度下的極限風(fēng)速

不同路況下的最優(yōu)擋風(fēng)墻高度和最大防御風(fēng)速隨路基高度的變化如圖6和圖7所示. 合理擋風(fēng)墻高度隨路基高度的變化是非線性的：在路塹上，合理擋風(fēng)墻高度隨路塹深度的增加而減?。辉谄降睾吐返躺?，最優(yōu)擋風(fēng)墻的高度基本在3.5～4.0 m. 合理設(shè)置擋風(fēng)墻后，其最大防御風(fēng)速隨路基高度的增加而減小，路基越高越危險. 圖8給出了橫風(fēng)環(huán)境下平地上設(shè)置合理擋風(fēng)墻后，列車在一線運行時周圍流場的速度矢量圖和壓力云圖.

圖6 合理擋風(fēng)墻高度隨路況的變化規(guī)律

圖7 合理擋風(fēng)墻最大防御風(fēng)速的變化規(guī)律

圖8 平地上設(shè)置合理擋風(fēng)墻時列車周圍的速度和壓力分布

以上各路況上設(shè)置合理擋風(fēng)墻后，橫風(fēng)作用下，氣流在擋風(fēng)墻的前沿發(fā)生分離，在擋風(fēng)墻后側(cè)產(chǎn)生渦流；擋風(fēng)墻有效承擔(dān)了橫風(fēng)造成的巨大正壓，且緩解了受電弓和接觸網(wǎng)接觸處的橫風(fēng)風(fēng)速，這樣既保證了列車在線路上正常高速行駛的安全性，又保證了受電弓和接觸網(wǎng)之間的正常接觸使供電正常.

5 結(jié)論

本研究建立了動車組、線路和擋風(fēng)墻等的三維模型進行數(shù)值仿真計算，經(jīng)動模型試驗和風(fēng)洞試驗驗證得出：合理擋風(fēng)墻高度隨路基高度的變化是非線性的：在路塹上，合理擋風(fēng)墻高度隨路塹深度的增加而減??；在平地和路堤上，最優(yōu)擋風(fēng)墻的高度基本在3.5～4.0 m；合理設(shè)置擋風(fēng)墻后，其最大防御風(fēng)速隨路基高度的增加而減小，路基越高越危險. 在蘭新高速鐵路線上，可以依據(jù)具體的路況、當(dāng)?shù)赜杏涗浀淖畲箫L(fēng)速和建造材料費用等情況，來決定不同地形地段上建造的擋風(fēng)墻的合理高度，使之既可抵御當(dāng)?shù)丨h(huán)境風(fēng)速，又能與其他地段擋風(fēng)墻合理銜接過渡，以保證整個蘭新高速鐵路線上動車組的安全運行，并達(dá)到美觀與實用的雙重效果.

[1] 高廣軍，田紅旗，姚松，等. 蘭新線強橫風(fēng)對車輛傾覆穩(wěn)定性的影響[J]. 鐵道學(xué)報，2004, 26(4): 36-40.

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[3] 任尊松，徐宇工，王璐雷，等. 強側(cè)風(fēng)對高速列車運行安全性影響研究[J]. 鐵道學(xué)報，2006, 28(6): 46-50.

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[10] 田紅旗. 列車空氣動力學(xué)[M]. 北京：中國鐵道出版社，2007.

A Study of the Reasonable Height of Windbreaks for the Lanzhou-Xinjiang High-speed Railway

HUANGZun-di, CHANGNing

(School of Electrical Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

In order to guarantee the safe running of trains on the Lanzhou-Xinjiang high-speed railway, a 3-D model for EMUs, lines and wind walls is built for simulation calculation. The dynamic model testing and wind tunnel testing show that the variation of the reasonable height of the wind break wall in relation to the roadbed is non-linear: in trenches, the reasonable height of the wind break wall decreases with the increase of the depth of the trench; on flat land and on embankments, the optimal wall height ranges from 3.5 to 4.0 meters. After the reasonable height is determined, the maximum wind speed to be defended against decreases with the increase of the height of the roadbed; the higher the roadbed, the more dangerous it is.

Lanzhou-Xinjiang high-speed railway; wind-break walls; roadbeds

1006-7302（2012）02-0063-06

U216.41+3

A

2011-12-22

黃尊地（1987—），男，山東濟寧人，助教，碩士，從事軌道交通車輛研究.