戈壁地區(qū)風(fēng)沙環(huán)境下橋梁防風(fēng)柵防風(fēng)性能的研究

高衛(wèi)強，金阿芳，趙鵬，謝繁榮

(新疆大學(xué)機械工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830047)

0 前言

目前，隨著蘭新高鐵和新的“絲綢之路經(jīng)濟帶”的實施，戈壁地區(qū)的工程建設(shè)將不可避免地造成更多風(fēng)沙危害，特別是鐵路運輸系統(tǒng)將面臨更大的困難。蘭新高鐵是世界上經(jīng)過風(fēng)區(qū)最多、里程最長的戈壁鐵路之一，隨著列車運行速度的提高,列車的運行環(huán)境也越來越惡劣,列車受空氣動力學(xué)的影響越來越突出,尤其是橫風(fēng)效應(yīng),直接關(guān)系運行安全,輕則影響列車乘坐的舒適性,造成列車橫向失穩(wěn),嚴(yán)重的將導(dǎo)致列車的傾覆或者脫軌事故。大風(fēng)會對高速列車的安全運行造成隱患，針對戈壁大風(fēng)天氣，鐵路工程人員修建了125座橋梁，并在橋梁上安裝防風(fēng)柵。防風(fēng)柵可以為高速列車創(chuàng)造一個相對低風(fēng)速的環(huán)境，以保證高速列車的運行安全。但是，戈壁地區(qū)的真實環(huán)境除了有大風(fēng)還有沙粒，具有很強的地域性。橋梁防風(fēng)柵的設(shè)立只是為了降低風(fēng)速，保證列車運營，不考慮其防沙效果，當(dāng)風(fēng)沙流經(jīng)過橋梁及防風(fēng)柵時，與純風(fēng)環(huán)境相比，風(fēng)沙環(huán)境下橋梁防風(fēng)柵的前后流場會發(fā)生變化，對防風(fēng)柵的防風(fēng)效果以及高速列車的安全運行造成一定影響。

為解決戈壁地區(qū)大風(fēng)災(zāi)害問題，鐵路工作者在蘭新高鐵沿線修建了防風(fēng)柵、擋風(fēng)墻、防風(fēng)明洞等防風(fēng)設(shè)施，對蘭新高鐵安全運行起到了一定的作用。國內(nèi)外學(xué)者也對大風(fēng)區(qū)鐵路沿線災(zāi)害特征進行了一些研究。辛國偉等基于數(shù)值模擬及風(fēng)洞實驗，對不同地表粗糙度下的風(fēng)沙流場進行數(shù)值分析，揭示地表粗糙度對流場表征量如風(fēng)速、積沙形態(tài)的影響規(guī)律。金阿芳等運用光滑粒子流體動力學(xué)(SPH)方法對不同路堤高度沙漠公路的沙埋現(xiàn)象進行二維數(shù)值模擬。JIN等研究了強風(fēng)沙環(huán)境下高速列車運行的安全性能和氣動性能。譚立海等對蘭新高鐵煙墩風(fēng)區(qū)戈壁近地表風(fēng)沙流躍移質(zhì)的垂直分布特性進行了觀測研究，結(jié)果表明：2 m高的阻沙柵欄不足以完全阻截戈壁風(fēng)沙流,這可能是造成蘭新高鐵煙墩風(fēng)區(qū)軌道積沙產(chǎn)生的重要原因之一。石龍等人基于Fluent歐拉雙流體模型,對路堤周圍風(fēng)沙兩相流運動特性進行數(shù)值模擬。劉永勝等認(rèn)為戈壁沙漠的風(fēng)沙運動是一種多尺度、多場耦合的非平衡態(tài)發(fā)展過程。王海龍等運用CFX多孔介質(zhì)模型對防風(fēng)沙柵的孔隙率優(yōu)化進行了研究。WANG等對一定孔隙率金屬板后的氣流速度進行研究，得出孔板式沙障可以有效減少多風(fēng)沙漠和戈壁地區(qū)的風(fēng)沙災(zāi)害。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者對于戈壁地區(qū)風(fēng)沙流、防風(fēng)設(shè)施的防風(fēng)效果以及對高速列車安全運行的研究較深入，但是對在強風(fēng)沙流作用下橋梁防風(fēng)柵后的流場環(huán)境變化研究較少。事實證明，防風(fēng)柵在為高速列車的穩(wěn)定運行提供安全保證的同時也會造成軌道上方流場的改變，甚至在橋梁軌面出現(xiàn)少量積沙，主要是懸浮沙物質(zhì)和強沙塵暴作用下的產(chǎn)物，會對列車運行造成隱患。因此，本文作者以蘭新二線新疆段中最具代表性的32 m跨度簡支橋梁為模型，對不同情況下的防風(fēng)柵軌道上方流場變化情況進行研究，為防風(fēng)柵的改進及車輛運行情況的改進提供參考。

1 模型參數(shù)設(shè)置

本文作者研究不同孔隙率的防風(fēng)柵在強風(fēng)沙環(huán)境下的防風(fēng)效果。基于工程背景，以蘭新高鐵在西北戈壁地區(qū)的32 m跨度簡支箱梁為研究對象，分為兩種配置方案：(1)橋梁；(2)橋梁加防風(fēng)柵。防風(fēng)柵的孔隙率從0到65%不等，防風(fēng)柵由開孔波形鋼板組成，所建模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。板厚0.004 m,高4 m,長2 m,孔徑0.01 m。

圖1 所建模型結(jié)構(gòu)示意

圖2(a)顯示了帶有防風(fēng)柵的橋面的1∶1的比例模型。箱梁模型的長寬高分別為2、12.2、2.868 m。

橋梁上其他細節(jié)，如道床、雙塊式枕軌、鋼軌如圖2(b)(c)所示。

圖2 所建32 m箱梁結(jié)構(gòu)示意

2 數(shù)值模擬方法

此次數(shù)值實驗采用歐拉兩相流瞬態(tài)模型，將空氣與運動沙粒均看作擬流體，認(rèn)為二者之間相互貫穿滲透，用體積分?jǐn)?shù)來描述每一相的占比，計算中將初始沙相體積分?jǐn)?shù)取為2%，風(fēng)沙流中沙粒粒徑一般在0.075～0.25 mm，文中取0.1 mm，沙粒密度取2 650 kg/m，沙相為稀相。計算邊界條件設(shè)置如圖3所示。從入口到模型的距離為60 m,壓力出口到模型距離為120 m,前后對稱邊界到模型的距離為60 m,上邊界到模型距離為60 m,地面到模型的距離(沙爾特大橋橋梁凈空)為24 m，模型計算的阻塞率為3.6%。

圖3 計算域和邊界條件

在橋梁防風(fēng)柵外流場數(shù)值模擬計算中，網(wǎng)格質(zhì)量對計算結(jié)果有著至關(guān)重要的影響，特別是用歐拉雙流體模型模擬風(fēng)沙流時，必須采用非常密的高質(zhì)量網(wǎng)格才能達到計算精度要求。網(wǎng)格質(zhì)量會影響計算的效率和結(jié)果。文中所建模型較為復(fù)雜，為節(jié)省計算機資源，采用Fluent Meshing中Poly-Hexcore方法對橋梁軌道以及防風(fēng)柵外表面進行多面體網(wǎng)格生成和填充。為捕捉壁面附件的速度梯度，在橋梁、防風(fēng)柵的表面各添加了5層邊界層，并在防風(fēng)柵區(qū)域、軌道上方等重點部位加密網(wǎng)格，網(wǎng)格整體數(shù)量超過3 500萬，如圖4所示。

圖4 計算域網(wǎng)格及加密區(qū)放大圖

3 數(shù)值模擬方案驗證

為保證計算的準(zhǔn)確性，選取初始速度為30 m/s的橫風(fēng)，沙粒體積分?jǐn)?shù)為2%，建立如文獻[7]中的數(shù)值模型。對比路堤周圍的空氣相速度與模擬結(jié)果，如表1所示。

表1 模擬結(jié)果與文獻[7]對比

由表1可知，模擬得到的風(fēng)速誤差都小于10%，可見模擬結(jié)果與文獻[7]中結(jié)果的誤差在合理范圍內(nèi),驗證了文中數(shù)值計算方案可以滿足風(fēng)沙流運動的研究需要。

4 結(jié)果與討論

在風(fēng)速為30 m/s條件下，對裸橋和有防風(fēng)柵梁的流場進行數(shù)值模擬。討論設(shè)置不同孔隙率防風(fēng)柵橋梁周圍的氣動力、風(fēng)壓分布和速度分布。分別對孔隙率為10%、20%、30%、40%、50%和65%的防風(fēng)柵周圍流場進行數(shù)值模擬，對橋梁軌道上方風(fēng)沙流場情況進行研究。

4.1 橋梁防風(fēng)柵周圍風(fēng)沙流場分布

圖5所示為不同孔隙率防風(fēng)柵下橋梁周圍的風(fēng)速分布云圖。對于裸橋，如圖5(a)所示，由于橋梁阻擋作用，橋梁迎風(fēng)側(cè)背部拐角附近的風(fēng)速減小，拐角處的風(fēng)速小于來流速度。在橋梁迎風(fēng)側(cè)翼緣處和迎風(fēng)側(cè)背部拐角處，風(fēng)流明顯加速，速度出現(xiàn)了明顯分區(qū)，最高風(fēng)速超過35 m/s。在橋梁迎風(fēng)側(cè)軌道處，由于軌道的阻擋，也產(chǎn)生了一個加速區(qū)，不利于列車在該區(qū)域運行。在橋梁的背風(fēng)側(cè)形成了一個尾流區(qū)域，其寬度大約為橋面高度。

當(dāng)防風(fēng)柵安裝在橋梁上時，橋梁周圍的流場發(fā)生了很大的變化，如圖5(b)-(g)所示。加速區(qū)域移動到防風(fēng)柵的頂部。防風(fēng)柵阻擋了傳入的風(fēng)流，降低了橋梁軌道上方區(qū)域的風(fēng)速，并顯著加寬了尾流寬度。對于不同孔隙率的防風(fēng)柵，防風(fēng)柵后面都形成了回流區(qū)。這些防風(fēng)柵有利于列車在橋梁上的運行安全。然而，防風(fēng)柵也會導(dǎo)致出現(xiàn)更寬的尾流，寬度幾乎是裸橋高度的兩倍。尾流越寬，拖曳力越大，降低了橋梁的安全性。此外，防風(fēng)柵還加強了翼緣處的風(fēng)速分離和橋梁底面迎風(fēng)側(cè)以下的氣流加速。

圖5 不同孔隙率下橋梁防風(fēng)柵周圍的速度云圖

不同孔隙率的防風(fēng)柵對橋梁周圍流場的影響不同。當(dāng)防風(fēng)柵的孔隙率較低(10%、20%和30%)時，防風(fēng)柵會阻擋大部分進入的氣流，并在兩個防風(fēng)柵之間形成一個逆流區(qū)，風(fēng)速低于24 m/s。當(dāng)防風(fēng)柵的孔隙率較高(40%)時，大量進入的空氣會穿過防風(fēng)柵之間的間隙，并在頂面上方向下游流動，從而減小尾流寬度，但不會顯著降低主梁頂面上方區(qū)域的平均速度，這種防風(fēng)柵不能保證列車的運行安全。因此，兩個防風(fēng)柵之間區(qū)域的風(fēng)速在接近20%孔隙率情況下較均勻。此外，孔隙率的增加減少了剪切分離和流動加速。

圖6所示為不同孔隙率防風(fēng)柵后5個位置的風(fēng)速度剖面。坐標(biāo)原點設(shè)置在橋面中心，迎風(fēng)和背風(fēng)列車分別位于約-2.5、2.5 m處。橫軸表示量綱為一速度，該速度通過除以輸入風(fēng)速進行歸一化，其本質(zhì)是大風(fēng)流經(jīng)防風(fēng)柵后所剩余的風(fēng)能，值越小說明防風(fēng)柵防風(fēng)效率越高?？v軸為距橋面的距離。結(jié)果表明，當(dāng)橋梁裝有防風(fēng)柵時，防風(fēng)柵后的低速氣流和防風(fēng)柵上的高速氣流之間的相互作用在橋梁軌道上方形成速度梯度。由于遮蔽效應(yīng)，防風(fēng)柵后的平均速度均減??；在同一位置，孔隙率較低的防風(fēng)柵總具有較強的屏蔽效果。在相同孔隙率下，當(dāng)距離防風(fēng)柵位置變遠時，防風(fēng)柵影響高度也上升了。此外，由于泄流和壁面邊界層之間的相互作用，當(dāng)孔隙率高于20%時，在橋表面上方觀察到明顯的速度梯度。

圖6 防風(fēng)柵后不同剖面位置X處的風(fēng)速剖面

對于低防風(fēng)柵孔隙率的情況(10%和20%)，所有位置的平均速度均較小且分布均勻，這有利于列車的運行安全。當(dāng)孔隙率大于30%時，具有30%孔隙率防風(fēng)柵情況下的平均速度分布與高孔隙率的情況下相似。對于高孔隙率的情況(40%、50%和65%)，平均速度也低于沒有防風(fēng)柵的情況，但是這種降低明顯小于低孔隙率情況下觀察到的。因此，考慮到屏蔽效率，當(dāng)設(shè)計防風(fēng)柵時，應(yīng)優(yōu)先選擇小于30%的孔隙率。

4.2 橋梁防風(fēng)柵周圍壓力場分布

圖7所示為裸橋和具有不同防風(fēng)柵孔隙率的橋梁的壓力云圖。對于裸橋，由于主梁、道床和鋼軌的阻礙，在橋面上方和迎風(fēng)側(cè)翼緣處風(fēng)壓出現(xiàn)分區(qū)，正風(fēng)壓區(qū)出現(xiàn)在主梁迎風(fēng)側(cè)背部拐角處，并且在橋梁底部和橋梁迎風(fēng)側(cè)軌道上方形成一個較小負(fù)壓區(qū)域。

圖7 不同孔隙率下橋梁防風(fēng)柵周圍的壓力云圖

與裸橋相比，防風(fēng)柵顯著改變了壓力分布。由于遮蔽效應(yīng)的存在，防風(fēng)柵后的壓力明顯降低，變得比無防風(fēng)柵時均勻。但是，由于防風(fēng)柵增大了與風(fēng)接觸面積，防風(fēng)柵前的正壓區(qū)增大并延伸到防風(fēng)柵前，這一地區(qū)風(fēng)壓明顯增大，并且大風(fēng)壓出現(xiàn)的位置有改變。在梁的下側(cè)，風(fēng)壓大小為負(fù)值，并明顯增大，這與防風(fēng)柵的孔隙率有關(guān)。孔隙率較低的防風(fēng)柵對壓力分布的影響較大，這與流場相吻合。

4.3 防風(fēng)柵對橋梁自身抗風(fēng)性能分析

圖8所示為橫風(fēng)作用下具有防風(fēng)柵的橋梁3個分力系數(shù)。當(dāng)在橋梁上安裝防風(fēng)柵時，防風(fēng)柵的氣動力被加到橋梁的氣動力中。100%孔隙率的防風(fēng)柵表示裸橋，其3個分量系數(shù)分別為0.79、0.34和0.02。

圖8 不同孔隙率防風(fēng)柵的橋梁氣動力系數(shù)

防風(fēng)柵的安裝明顯增加了阻力系數(shù)、負(fù)升力，但對傾覆力矩影響不大。另外，隨著風(fēng)屏障孔隙率的減小，阻力系數(shù)不斷增加，且增加趨勢越來越快。例如，當(dāng)孔隙率等于30%和10%時，阻力系數(shù)分別為1.05和1.43。

由于這座橋是為西北戈壁風(fēng)區(qū)高速列車運行修建的橋梁，對強風(fēng)很敏感，較高的阻力系數(shù)可能不利于該橋的穩(wěn)定。因此，從橋梁的安全性考慮，孔隙率大于20%的防風(fēng)柵是可取的。

5 結(jié)論

本文作者對橫風(fēng)作用下有無防風(fēng)柵的橋梁周圍的風(fēng)沙流場進行了數(shù)值模擬。通過橋梁氣動力系數(shù)、壓力云圖和速度云圖，研究了防風(fēng)柵孔隙率對橋系統(tǒng)氣動性能的影響。主要結(jié)論如下：

(1)防風(fēng)柵顯著降低了行駛區(qū)域的平均風(fēng)速，明顯提高了列車的運行安全性。當(dāng)防風(fēng)柵安裝在橋梁上時，橋梁周圍的流場發(fā)生了很大的變化，防風(fēng)柵阻擋了傳入的風(fēng)流，降低了橋梁軌道上方區(qū)域的風(fēng)速，并顯著加寬了尾流寬度。尾流越寬，拖曳力越大，橋梁的安全性越低。

(2)對于低防風(fēng)柵孔隙率的情況(10%和20%)，所有位置的平均速度均較小且分布均勻，這有利于列車的運行安全。當(dāng)設(shè)計防風(fēng)柵時，小于30%的孔隙率是優(yōu)選的。

(3)防風(fēng)柵可以阻擋部分來流風(fēng)，但會使橋梁上的阻力和力矩增加，降低橋梁的抗風(fēng)性能。防風(fēng)柵的孔隙率越低，對橋梁抗風(fēng)性能越不利。隨著風(fēng)屏障孔隙率的減小，阻力系數(shù)不斷增加，且增加趨勢越來越快。