戈壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)擋風(fēng)構(gòu)筑物限制下列車(chē)氣動(dòng)力學(xué)特性分析

程建軍，龐巧東

(石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆石河子 832003)

1 概述

新疆戈壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)的大風(fēng)具活動(dòng)頻繁、風(fēng)速高、風(fēng)期長(zhǎng)、季節(jié)性強(qiáng)、風(fēng)向穩(wěn)定、起風(fēng)速度快等特點(diǎn)。對(duì)鐵路有影響的典型風(fēng)區(qū)諸如阿拉山口風(fēng)區(qū)、百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)，在百里風(fēng)區(qū)瞬時(shí)最大風(fēng)速可以達(dá)到64 m/s。強(qiáng)風(fēng)地區(qū)的強(qiáng)風(fēng)空氣流運(yùn)動(dòng)對(duì)途經(jīng)該區(qū)的列車(chē)產(chǎn)生兩方面直接破壞作用，一方面強(qiáng)風(fēng)攜沙礫流擊破車(chē)窗、損壞車(chē)身甚至吹翻列車(chē)，另一方面強(qiáng)風(fēng)過(guò)境后，大量沙礫物質(zhì)沉落掩埋軌道，致使列車(chē)被迫停駛。因此，戈壁強(qiáng)風(fēng)地區(qū)區(qū)域內(nèi)的鐵路防風(fēng)安全與線路維護(hù)問(wèn)題十分突出。以蘭新鐵路為例，全線經(jīng)過(guò)的強(qiáng)風(fēng)區(qū)距離為525 km，占蘭新線全長(zhǎng)的54%。自通車(chē)以來(lái)，屢次發(fā)生列車(chē)被迫減速、停運(yùn)，甚至發(fā)生整列列車(chē)被吹翻的交通事故。為了保障列車(chē)的安全運(yùn)行，在大風(fēng)區(qū)鐵路沿線構(gòu)筑了多種擋風(fēng)墻。為了摸清既有擋風(fēng)墻的防風(fēng)效果，為后續(xù)的防風(fēng)沙工程結(jié)構(gòu)物優(yōu)化設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)與參考，本文首先對(duì)兩種典型的擋風(fēng)墻進(jìn)行了墻后流場(chǎng)分析，進(jìn)而對(duì)大風(fēng)對(duì)列車(chē)形成的側(cè)向壓力及傾覆力矩進(jìn)行定量分析，獲取既有不同擋風(fēng)構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)形式后的流場(chǎng)特性以及列車(chē)氣動(dòng)力學(xué)特性規(guī)律。

2 數(shù)值模擬模型建立

2.1 控制方程

在模擬不同條件下列車(chē)氣動(dòng)性能時(shí)，由于鐵路沿線擋風(fēng)墻及路基的長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其橫向尺寸，因此在計(jì)算大風(fēng)壓力時(shí)可視其為二維問(wèn)題處理。由于戈壁鐵路沿線所研究的橫向風(fēng)一般＜70 m/s，馬赫數(shù)＜0.3，因此在模擬計(jì)算中可按不可壓縮問(wèn)題處理。另外，本模型不考慮熱量的交換，是單純流場(chǎng)問(wèn)題，所以不用包含能量方程。因此，本模型所包含的控制方程主要有連續(xù)方程、動(dòng)量方程、和k-ε湍流模型方程等，具體方程如下。

(1)連續(xù)方程

(2)動(dòng)量方程

(3)k方程

(4)ε方程

2.2 計(jì)算區(qū)域

模型中列車(chē)距地表高度為0.71 m，寬度為3.3 m。為了讓氣流的繞流和流場(chǎng)發(fā)展充分，盡可能地取較大的計(jì)算區(qū)域。

本模型計(jì)算區(qū)域的高度寬度分別為100、300 m。此時(shí)，擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)流場(chǎng)基本達(dá)到充分發(fā)展，計(jì)算區(qū)域更大時(shí)計(jì)算結(jié)果改變很小。

2.3 網(wǎng)格劃分

對(duì)所建模型采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相結(jié)合的形式進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于本模型計(jì)算重點(diǎn)在列車(chē)兩側(cè)段，因此該部分網(wǎng)格劃分較密集，而在進(jìn)口和上邊界等劃分較稀疏。這樣劃分既考慮到模擬計(jì)算的收斂時(shí)間和計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，又充分考慮到了在重點(diǎn)部位劃分密集以保證模擬準(zhǔn)確性的原則，從而嚴(yán)格控制了網(wǎng)格的數(shù)量(本模型網(wǎng)格數(shù)約為100萬(wàn))，提高了計(jì)算的精度和效率。

2.4 邊界設(shè)置

本次計(jì)算流場(chǎng)邊界條件設(shè)置如下。

(1)車(chē)體表面:黏性流體在固定邊界上應(yīng)滿足無(wú)滑移邊界條件，因此，在車(chē)體表面均按光滑壁面處理，給定無(wú)滑移邊界條件

(2)入口:在入口截面處，首先指定流體流動(dòng)狀態(tài)為亞音速狀態(tài)，X方向按均勻來(lái)流給定速度大小，本文中所有模型入口風(fēng)速均設(shè)置為35.1 m/s(12級(jí)風(fēng)速)，Y方向速度為零，即

(3)出口:采用自由出流;

(4)地面、擋風(fēng)墻以及計(jì)算區(qū)域的頂部:均給定無(wú)滑移邊界條件，同(1)式。

3 列車(chē)所受大風(fēng)傾覆力矩計(jì)算(圖1)

圖1 車(chē)體受力圖

通過(guò)數(shù)值模擬可以得到一定風(fēng)速條件下列車(chē)表面氣壓p(z)，則列車(chē)所受風(fēng)力F按下式計(jì)算

式中，F(xiàn)為列車(chē)所受風(fēng)力，N;h為列車(chē)總高度，m，取h=4.0 m;l為所考慮車(chē)體長(zhǎng)度，m，取單位長(zhǎng)度，即l=1 m;z為列車(chē)高度，m;p(z)為高度為z處列車(chē)兩側(cè)的風(fēng)壓差，Pa。

單位長(zhǎng)度列車(chē)傾覆力矩按下式計(jì)算

式中，M為列車(chē)所受傾覆力矩，N·m，H為列車(chē)所受風(fēng)力作用點(diǎn)高度，m;其他符號(hào)意義同式(3)和(4)。

單位長(zhǎng)度列車(chē)重力矩按下式計(jì)算

式中，Mc為單位長(zhǎng)度列車(chē)重力矩，N·m;m為單位長(zhǎng)度列車(chē)質(zhì)量，kg;g為重力加速度，m/s2;ω為軌距，m;L為車(chē)體長(zhǎng)度，m。

列車(chē)傾覆的臨界條件:M=Mc。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 平坦地表列車(chē)所受壓力與傾覆力矩

計(jì)算分析揭示在平坦地表?xiàng)l件下(圖2)，車(chē)輛的迎風(fēng)面受到氣流的直接沖擊，而車(chē)體背風(fēng)側(cè)處于車(chē)體繞流尾流中，因此車(chē)輛迎風(fēng)面所受壓力較大，而車(chē)輛背風(fēng)面分離較嚴(yán)重，負(fù)壓較大，車(chē)輛兩側(cè)所受壓差較大。由于車(chē)頂部和底部流速加快，在車(chē)體頂部形成一個(gè)順時(shí)針的渦流，在車(chē)體背風(fēng)側(cè)形成兩個(gè)渦流:①氣流繞過(guò)列車(chē)頂部形成順時(shí)渦流;②氣流繞過(guò)列車(chē)底部形成逆時(shí)針渦流。車(chē)體背風(fēng)側(cè)風(fēng)壓為負(fù)，且沿高度方向分布較為均勻，因此，車(chē)體迎風(fēng)側(cè)與背風(fēng)側(cè)壓力之差即可代表車(chē)體所受到的側(cè)向氣動(dòng)力(計(jì)算時(shí)忽略車(chē)頂所受到的側(cè)向力)(圖3)。結(jié)合模擬結(jié)果計(jì)算分析得到單位長(zhǎng)度車(chē)輛受到側(cè)向力差最大，為3 645 N，傾覆力矩也最大，為7 900 N·m。

圖2 平坦地表氣流運(yùn)動(dòng)流線圖

圖3 平坦地表車(chē)體迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)壓力展開(kāi)圖

4.2 路基高度對(duì)風(fēng)壓的影響

以上數(shù)值分析結(jié)論揭示的是在平坦地表?xiàng)l件下，大風(fēng)對(duì)列車(chē)的側(cè)向壓力差與傾覆力矩，但鐵路經(jīng)過(guò)的地區(qū)不少是高度不同的路基。通過(guò)對(duì)不同高度路基條件下列車(chē)氣壓與傾覆力矩的數(shù)值模擬，可以揭示其隨著路基高度的變化規(guī)律。

當(dāng)路基高度為4 m，邊坡坡率為1∶1.5時(shí)，氣流運(yùn)動(dòng)流線計(jì)算結(jié)果如圖4所示，車(chē)體迎風(fēng)側(cè)仍受到氣流的直接沖擊，壓力較大，最大壓力出現(xiàn)在車(chē)體中心偏下部;背風(fēng)側(cè)位于車(chē)體尾流中，壓力為負(fù)，沿高度方向變化較小。氣流側(cè)向力較大。由于路基的阻滯作用，氣流流線與平坦地表時(shí)相比發(fā)生一些變化，車(chē)體背風(fēng)側(cè)上下部同平坦地表一樣形成兩個(gè)渦流，但車(chē)頂部渦流與車(chē)體背風(fēng)側(cè)上部渦流連成一塊。由于車(chē)體迎風(fēng)側(cè)上部壓力較大，因此側(cè)向力作用點(diǎn)與平坦地表相比有上移趨勢(shì)。

圖4 路基高度為4 m時(shí)氣流運(yùn)動(dòng)流線

根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果可以得到(圖5)，單位長(zhǎng)度列車(chē)所受側(cè)向壓力差為7 978 N，傾覆力矩為17 820 N·m。與平坦地表相比，壓力與傾覆力矩分別增加119%和126%。大風(fēng)由于受到路基的阻滯作用，氣流壓力明顯發(fā)生增大效應(yīng)，且傾覆力矩增大量大于壓力增大量。而當(dāng)路基坡率不變，高度為2.0 m時(shí)，單位長(zhǎng)度列車(chē)所受側(cè)向壓力為5 835 N，傾覆力矩為12 834 N·m。說(shuō)明了路基高度越大，增大效應(yīng)也越明顯，列車(chē)所受到的側(cè)向壓力與傾覆力矩也越大。

圖5 路基高度為4 m條件下車(chē)體迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)壓力展開(kāi)圖

4.3 不同擋風(fēng)墻對(duì)列車(chē)的防護(hù)效果

4.3.1 土堤式擋風(fēng)墻對(duì)列車(chē)的防護(hù)效果

土堤式擋風(fēng)墻常用于路基較低或者平坦地表的條件下，主要影響其擋風(fēng)效果的設(shè)計(jì)參數(shù)是擋風(fēng)墻的高度。按照既有擋風(fēng)墻的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)數(shù)值分析揭示(圖6)，強(qiáng)風(fēng)空氣流經(jīng)過(guò)土堤式擋風(fēng)墻時(shí)，氣流有一個(gè)上升、流速增加的過(guò)程，氣流在背風(fēng)側(cè)產(chǎn)生一個(gè)較小的渦流，車(chē)輛的迎風(fēng)面仍受到氣流的直接沖擊作用，車(chē)輛迎風(fēng)面正壓力較大，背風(fēng)側(cè)氣流分離較為嚴(yán)重，基本處于尾流漩渦區(qū)，負(fù)壓較大。通過(guò)車(chē)體兩側(cè)壓力展開(kāi)圖(圖7)可以看出，壓力最大值出現(xiàn)在車(chē)體偏上位置，致使側(cè)向力作用點(diǎn)處于車(chē)體中心位置偏上位置。經(jīng)計(jì)算，單位長(zhǎng)度列車(chē)所受側(cè)向壓力差為2 003 N，傾覆力矩為5 066 N·m。

與未設(shè)置擋風(fēng)墻條件下相比，側(cè)向壓力減少了45%，傾覆力矩減小了36%。

圖6 土堤式擋風(fēng)墻條件下氣流運(yùn)動(dòng)流線圖

圖7 土堤式擋風(fēng)墻條件下車(chē)體迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)壓力展開(kāi)圖

4.3.2 對(duì)拉式擋風(fēng)墻對(duì)列車(chē)的防護(hù)效果

對(duì)拉式擋風(fēng)墻橫截面為矩形，氣流經(jīng)過(guò)對(duì)拉式擋風(fēng)墻時(shí)，墻體受到氣流的直接沖擊，氣流被抬升，氣流在擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)形成一個(gè)大的渦流，使得列車(chē)幾乎完全處于渦流區(qū)內(nèi)，產(chǎn)生這一規(guī)律的主要原因:氣流遇到擋風(fēng)墻受到擠壓，在墻尖處產(chǎn)生流動(dòng)分離，形成一個(gè)很薄的強(qiáng)剪切層;接近底部時(shí)，流體又返回分離體內(nèi)，補(bǔ)償了由于卷吸而除去的那部分流體，故在對(duì)拉式擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)形成一個(gè)較大的渦流區(qū);接著氣流又在車(chē)輛側(cè)墻與頂部的過(guò)渡處產(chǎn)生分離，在車(chē)輛的背風(fēng)面也產(chǎn)生旋渦。平坦地表對(duì)拉式條件下氣流運(yùn)動(dòng)流線圖見(jiàn)圖8。

圖8 平坦地表對(duì)拉式條件下氣流運(yùn)動(dòng)流線圖

擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)渦流區(qū)的存在，使車(chē)輛迎風(fēng)面受到的壓力降低，形成負(fù)壓，沿高度方向先減小后增大，如圖9所示。而車(chē)體背風(fēng)側(cè)壓力變化較小。單位長(zhǎng)度列車(chē)所受側(cè)向壓力差為-205 N，傾覆力矩為-342 N·m，即側(cè)向壓力與傾覆力矩變?yōu)榉聪蜃饔?。與未設(shè)置擋風(fēng)墻條件下相比，氣流側(cè)向壓力與傾覆力矩絕對(duì)值分別減少了96%和96%，其防護(hù)效果好于土堤式擋風(fēng)墻。

對(duì)拉式擋風(fēng)墻不僅適用于路基較低條件下，并且適用于路基較高條件下。在路基與擋風(fēng)墻的共同作用下，在其背風(fēng)側(cè)形成一個(gè)大的渦流，如圖10所示，列車(chē)幾乎完全處于渦流區(qū)內(nèi)，車(chē)體迎風(fēng)側(cè)壓力先減小后增大，最后又減小，大部分處于負(fù)壓區(qū)，而車(chē)體背風(fēng)側(cè)壓力為正，變化不大。單位長(zhǎng)度列車(chē)所受側(cè)向壓力差為-511 N，傾覆力矩為-1 124 N·m，即側(cè)向壓力與傾覆力矩變?yōu)榉聪蜃饔?。與未設(shè)置擋風(fēng)墻條件相比，氣流側(cè)向力與傾覆力矩絕對(duì)值均減小86%，防護(hù)效果顯著(圖11)。

圖9 平坦地表對(duì)拉式條件下車(chē)體迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)壓力展開(kāi)圖

圖10 路基高度為4 m擋風(fēng)墻防護(hù)條件下氣流運(yùn)動(dòng)流線

圖11 路基高度為4 m有擋風(fēng)墻防護(hù)條件下車(chē)體迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)壓力展開(kāi)圖

5結(jié)論

列車(chē)在強(qiáng)橫向風(fēng)作用下的穩(wěn)定性主要是由列車(chē)所受到的氣流壓力和傾覆力矩決定，對(duì)拉式擋風(fēng)墻與土堤式擋風(fēng)墻是目前新疆戈壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)所普遍采用的擋風(fēng)構(gòu)筑物，分析不僅表明在平坦地表上對(duì)拉式擋風(fēng)墻的防護(hù)效果好于土堤式擋風(fēng)墻，而且提供了各種既有擋風(fēng)構(gòu)筑物墻后列車(chē)的氣動(dòng)力學(xué)特性參數(shù)指標(biāo)，為既有擋風(fēng)構(gòu)筑物的優(yōu)化以及后建工程措施提供參考。

(1)在平坦地表上，當(dāng)橫向風(fēng)速為35.1 m/s時(shí)，單位長(zhǎng)度列車(chē)所受氣流側(cè)向力為3 645 N，傾覆力矩為7 901 N·m。

(2)當(dāng)路基高度為4 m時(shí)，與平坦地表相比，單位長(zhǎng)度列車(chē)所受氣流側(cè)向力增大116%，傾覆力矩增大126%，側(cè)向力作用點(diǎn)向上移動(dòng)，路基高度越高，氣流的增大效應(yīng)越明顯。

(3)在平坦地表上，當(dāng)高度相同時(shí)對(duì)拉式擋風(fēng)墻的防護(hù)效果明顯好于土堤式，高度為3.0 m時(shí)，在土堤式擋風(fēng)墻作用下單位長(zhǎng)度列車(chē)所受側(cè)向力與傾覆力矩分布減小45%、36%。而在對(duì)拉式擋風(fēng)墻作用下，氣流側(cè)向力與傾覆力矩均為反向作用，絕對(duì)值分別減小94%和96%。

(4)在路基較高時(shí)，對(duì)拉式擋風(fēng)墻的防護(hù)效果同樣較好，氣流作用力與傾覆力矩均為反向作用，單位長(zhǎng)度列車(chē)所受氣流側(cè)向力與傾覆力矩絕對(duì)值均減小84%。

［1］王厚雄，高注，王蜀東，等.擋風(fēng)墻高度的研究［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，1990，11(1):14-22.

［2］劉慶寬，杜彥良，喬富貴.日本列車(chē)橫風(fēng)和強(qiáng)風(fēng)對(duì)策研究［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2008，30(1):88-92.

［3］高廣軍，段麗麗.單線路堤上擋風(fēng)墻高度研究［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，42(1):254-259.

［4］姜翠香，梁習(xí)峰.擋風(fēng)墻高度和設(shè)置位置對(duì)車(chē)輛氣動(dòng)性能的影響［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2006，27(2):66-70.

［5］葛盛昌，蔣富強(qiáng).蘭新鐵路強(qiáng)風(fēng)地區(qū)風(fēng)沙成因及擋風(fēng)墻防風(fēng)效果分析［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2009(5):1-4.

［6］杜廣生.廂式貨車(chē)表面氣流流動(dòng)特性的研究［J］.水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展，2000，15(3):390-398.

［7］高廣軍，田紅旗.蘭新線強(qiáng)橫風(fēng)對(duì)車(chē)輛傾覆穩(wěn)定性的影響［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2004，26(4):36-40.

［8］梁習(xí)峰，田紅旗.列車(chē)氣動(dòng)性能評(píng)估參數(shù)研究［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2003，24(1):38-41.

［9］龐巧東，程建軍，蔣富強(qiáng)，李凱崇.戈壁鐵路擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)流場(chǎng)特征與擋風(fēng)功效研究［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2011(2):1-4.

［10］嚴(yán)耄耋.車(chē)輛工程［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，1999.