戈壁强风区挡风构筑物限制下列车气动力学特性分析

程建军，庞巧东

(石河子大学水利建筑工程学院，新疆石河子 832003)

1 概述

新疆戈壁强风区的大风具活动频繁、风速高、风期长、季节性强、风向稳定、起风速度快等特点。对铁路有影响的典型风区诸如阿拉山口风区、百里风区、三十里风区，在百里风区瞬时最大风速可以达到64 m/s。强风地区的强风空气流运动对途经该区的列车产生两方面直接破坏作用，一方面强风携沙砾流击破车窗、损坏车身甚至吹翻列车，另一方面强风过境后，大量沙砾物质沉落掩埋轨道，致使列车被迫停驶。因此，戈壁强风地区区域内的铁路防风安全与线路维护问题十分突出。以兰新铁路为例，全线经过的强风区距离为525 km，占兰新线全长的54%。自通车以来，屡次发生列车被迫减速、停运，甚至发生整列列车被吹翻的交通事故。为了保障列车的安全运行，在大风区铁路沿线构筑了多种挡风墙。为了摸清既有挡风墙的防风效果，为后续的防风沙工程结构物优化设计提供设计依据与参考，本文首先对两种典型的挡风墙进行了墙后流场分析，进而对大风对列车形成的侧向压力及倾覆力矩进行定量分析，获取既有不同挡风构筑物结构形式后的流场特性以及列车气动力学特性规律。

2 数值模拟模型建立

2.1 控制方程

在模拟不同条件下列车气动性能时，由于铁路沿线挡风墙及路基的长度远远大于其横向尺寸，因此在计算大风压力时可视其为二维问题处理。由于戈壁铁路沿线所研究的横向风一般＜70 m/s，马赫数＜0.3，因此在模拟计算中可按不可压缩问题处理。另外，本模型不考虑热量的交换，是单纯流场问题，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连续方程、动量方程、和k-ε湍流模型方程等，具体方程如下。

(1)连续方程

(2)动量方程

(3)k方程

(4)ε方程

2.2 计算区域

模型中列车距地表高度为0.71 m，宽度为3.3 m。为了让气流的绕流和流场发展充分，尽可能地取较大的计算区域。

本模型计算区域的高度宽度分别为100、300 m。此时，挡风墙背风侧流场基本达到充分发展，计算区域更大时计算结果改变很小。

2.3 网格划分

对所建模型采用结构网格和非结构网格相结合的形式进行网格划分。由于本模型计算重点在列车两侧段，因此该部分网格划分较密集，而在进口和上边界等划分较稀疏。这样划分既考虑到模拟计算的收敛时间和计算机的计算能力，又充分考虑到了在重点部位划分密集以保证模拟准确性的原则，从而严格控制了网格的数量(本模型网格数约为100万)，提高了计算的精度和效率。

2.4 边界设置

本次计算流场边界条件设置如下。

(1)车体表面:黏性流体在固定边界上应满足无滑移边界条件，因此，在车体表面均按光滑壁面处理，给定无滑移边界条件

(2)入口:在入口截面处，首先指定流体流动状态为亚音速状态，X方向按均匀来流给定速度大小，本文中所有模型入口风速均设置为35.1 m/s(12级风速)，Y方向速度为零，即

(3)出口:采用自由出流;

(4)地面、挡风墙以及计算区域的顶部:均给定无滑移边界条件，同(1)式。

3 列车所受大风倾覆力矩计算(图1)

图1 车体受力图

通过数值模拟可以得到一定风速条件下列车表面气压p(z)，则列车所受风力F按下式计算

式中，F为列车所受风力，N;h为列车总高度，m，取h=4.0 m;l为所考虑车体长度，m，取单位长度，即l=1 m;z为列车高度，m;p(z)为高度为z处列车两侧的风压差，Pa。

单位长度列车倾覆力矩按下式计算

式中，M为列车所受倾覆力矩，N·m，H为列车所受风力作用点高度，m;其他符号意义同式(3)和(4)。

单位长度列车重力矩按下式计算

式中，Mc为单位长度列车重力矩，N·m;m为单位长度列车质量，kg;g为重力加速度，m/s2;ω为轨距，m;L为车体长度，m。

列车倾覆的临界条件:M=Mc。

4 计算结果与分析

4.1 平坦地表列车所受压力与倾覆力矩

计算分析揭示在平坦地表条件下(图2)，车辆的迎风面受到气流的直接冲击，而车体背风侧处于车体绕流尾流中，因此车辆迎风面所受压力较大，而车辆背风面分离较严重，负压较大，车辆两侧所受压差较大。由于车顶部和底部流速加快，在车体顶部形成一个顺时针的涡流，在车体背风侧形成两个涡流:①气流绕过列车顶部形成顺时涡流;②气流绕过列车底部形成逆时针涡流。车体背风侧风压为负，且沿高度方向分布较为均匀，因此，车体迎风侧与背风侧压力之差即可代表车体所受到的侧向气动力(计算时忽略车顶所受到的侧向力)(图3)。结合模拟结果计算分析得到单位长度车辆受到侧向力差最大，为3 645 N，倾覆力矩也最大，为7 900 N·m。

图2 平坦地表气流运动流线图

图3 平坦地表车体迎风侧和背风侧压力展开图

4.2 路基高度对风压的影响

以上数值分析结论揭示的是在平坦地表条件下，大风对列车的侧向压力差与倾覆力矩，但铁路经过的地区不少是高度不同的路基。通过对不同高度路基条件下列车气压与倾覆力矩的数值模拟，可以揭示其随着路基高度的变化规律。

当路基高度为4 m，边坡坡率为1∶1.5时，气流运动流线计算结果如图4所示，车体迎风侧仍受到气流的直接冲击，压力较大，最大压力出现在车体中心偏下部;背风侧位于车体尾流中，压力为负，沿高度方向变化较小。气流侧向力较大。由于路基的阻滞作用，气流流线与平坦地表时相比发生一些变化，车体背风侧上下部同平坦地表一样形成两个涡流，但车顶部涡流与车体背风侧上部涡流连成一块。由于车体迎风侧上部压力较大，因此侧向力作用点与平坦地表相比有上移趋势。

图4 路基高度为4 m时气流运动流线

根据数值模拟的结果可以得到(图5)，单位长度列车所受侧向压力差为7 978 N，倾覆力矩为17 820 N·m。与平坦地表相比，压力与倾覆力矩分别增加119%和126%。大风由于受到路基的阻滞作用，气流压力明显发生增大效应，且倾覆力矩增大量大于压力增大量。而当路基坡率不变，高度为2.0 m时，单位长度列车所受侧向压力为5 835 N，倾覆力矩为12 834 N·m。说明了路基高度越大，增大效应也越明显，列车所受到的侧向压力与倾覆力矩也越大。

图5 路基高度为4 m条件下车体迎风侧和背风侧压力展开图

4.3 不同挡风墙对列车的防护效果

4.3.1 土堤式挡风墙对列车的防护效果

土堤式挡风墙常用于路基较低或者平坦地表的条件下，主要影响其挡风效果的设计参数是挡风墙的高度。按照既有挡风墙的设计标准，经数值分析揭示(图6)，强风空气流经过土堤式挡风墙时，气流有一个上升、流速增加的过程，气流在背风侧产生一个较小的涡流，车辆的迎风面仍受到气流的直接冲击作用，车辆迎风面正压力较大，背风侧气流分离较为严重，基本处于尾流漩涡区，负压较大。通过车体两侧压力展开图(图7)可以看出，压力最大值出现在车体偏上位置，致使侧向力作用点处于车体中心位置偏上位置。经计算，单位长度列车所受侧向压力差为2 003 N，倾覆力矩为5 066 N·m。

与未设置挡风墙条件下相比，侧向压力减少了45%，倾覆力矩减小了36%。

图6 土堤式挡风墙条件下气流运动流线图

图7 土堤式挡风墙条件下车体迎风侧和背风侧压力展开图

4.3.2 对拉式挡风墙对列车的防护效果

对拉式挡风墙横截面为矩形，气流经过对拉式挡风墙时，墙体受到气流的直接冲击，气流被抬升，气流在挡风墙背风侧形成一个大的涡流，使得列车几乎完全处于涡流区内，产生这一规律的主要原因:气流遇到挡风墙受到挤压，在墙尖处产生流动分离，形成一个很薄的强剪切层;接近底部时，流体又返回分离体内，补偿了由于卷吸而除去的那部分流体，故在对拉式挡风墙背风侧形成一个较大的涡流区;接着气流又在车辆侧墙与顶部的过渡处产生分离，在车辆的背风面也产生旋涡。平坦地表对拉式条件下气流运动流线图见图8。

图8 平坦地表对拉式条件下气流运动流线图

挡风墙背风侧涡流区的存在，使车辆迎风面受到的压力降低，形成负压，沿高度方向先减小后增大，如图9所示。而车体背风侧压力变化较小。单位长度列车所受侧向压力差为-205 N，倾覆力矩为-342 N·m，即侧向压力与倾覆力矩变为反向作用。与未设置挡风墙条件下相比，气流侧向压力与倾覆力矩绝对值分别减少了96%和96%，其防护效果好于土堤式挡风墙。

对拉式挡风墙不仅适用于路基较低条件下，并且适用于路基较高条件下。在路基与挡风墙的共同作用下，在其背风侧形成一个大的涡流，如图10所示，列车几乎完全处于涡流区内，车体迎风侧压力先减小后增大，最后又减小，大部分处于负压区，而车体背风侧压力为正，变化不大。单位长度列车所受侧向压力差为-511 N，倾覆力矩为-1 124 N·m，即侧向压力与倾覆力矩变为反向作用。与未设置挡风墙条件相比，气流侧向力与倾覆力矩绝对值均减小86%，防护效果显著(图11)。

图9 平坦地表对拉式条件下车体迎风侧和背风侧压力展开图

图10 路基高度为4 m挡风墙防护条件下气流运动流线

图11 路基高度为4 m有挡风墙防护条件下车体迎风侧和背风侧压力展开图

5结论

列车在强横向风作用下的稳定性主要是由列车所受到的气流压力和倾覆力矩决定，对拉式挡风墙与土堤式挡风墙是目前新疆戈壁强风区所普遍采用的挡风构筑物，分析不仅表明在平坦地表上对拉式挡风墙的防护效果好于土堤式挡风墙，而且提供了各种既有挡风构筑物墙后列车的气动力学特性参数指标，为既有挡风构筑物的优化以及后建工程措施提供参考。

(1)在平坦地表上，当横向风速为35.1 m/s时，单位长度列车所受气流侧向力为3 645 N，倾覆力矩为7 901 N·m。

(2)当路基高度为4 m时，与平坦地表相比，单位长度列车所受气流侧向力增大116%，倾覆力矩增大126%，侧向力作用点向上移动，路基高度越高，气流的增大效应越明显。

(3)在平坦地表上，当高度相同时对拉式挡风墙的防护效果明显好于土堤式，高度为3.0 m时，在土堤式挡风墙作用下单位长度列车所受侧向力与倾覆力矩分布减小45%、36%。而在对拉式挡风墙作用下，气流侧向力与倾覆力矩均为反向作用，绝对值分别减小94%和96%。

(4)在路基较高时，对拉式挡风墙的防护效果同样较好，气流作用力与倾覆力矩均为反向作用，单位长度列车所受气流侧向力与倾覆力矩绝对值均减小84%。

［1］王厚雄，高注，王蜀东，等.挡风墙高度的研究［J］.中国铁道科学，1990，11(1):14-22.

［2］刘庆宽，杜彦良，乔富贵.日本列车横风和强风对策研究［J］.铁道学报，2008，30(1):88-92.

［3］高广军，段丽丽.单线路堤上挡风墙高度研究［J］.中南大学学报:自然科学版，2011，42(1):254-259.

［4］姜翠香，梁习峰.挡风墙高度和设置位置对车辆气动性能的影响［J］.中国铁道科学，2006，27(2):66-70.

［5］葛盛昌，蒋富强.兰新铁路强风地区风沙成因及挡风墙防风效果分析［J］.铁道工程学报，2009(5):1-4.

［6］杜广生.厢式货车表面气流流动特性的研究［J］.水动力学研究与进展，2000，15(3):390-398.

［7］高广军，田红旗.兰新线强横风对车辆倾覆稳定性的影响［J］.铁道学报，2004，26(4):36-40.

［8］梁习峰，田红旗.列车气动性能评估参数研究［J］.中国铁道科学，2003，24(1):38-41.

［9］庞巧东，程建军，蒋富强，李凯崇.戈壁铁路挡风墙背风侧流场特征与挡风功效研究［J］.铁道标准设计，2011(2):1-4.

［10］严耄耋.车辆工程［M］.北京:中国铁道出版社，1999.