风屏障透风率对车-桥系统气动特性影响的风洞试验研究

何　玮, 郭向荣, 邹云峰, 何旭辉

(1 中南大学 土木工程学院，长沙　410075；2 高速铁路建造技术国家工程实验室，长沙　410075)



风屏障透风率对车-桥系统气动特性影响的风洞试验研究

何玮1,2, 郭向荣1,2, 邹云峰1,2, 何旭辉1,2

(1 中南大学 土木工程学院，长沙410075；2 高速铁路建造技术国家工程实验室，长沙410075)

桥面相对于地面高度较大使得桥面处风速较大，且列车与桥梁间气动干扰往往会增加列车受到的风荷载，进一步增加桥上行车的安全风险。目前提高行车安全的措施主要包括:优化车辆断面形状，通过强风监测系统控制列车运行速度以及设置风屏障[1]。其中，优化车辆断面形状无法适用于已有车辆，列车的限速或停运则会影响运营效率，而设置风屏障可保证列车的全天候运行，相比前两种措施更高效可行。因此，研究风屏障的行车防风性能非常必要。

国内外学者经过对风屏障防风性的广泛研究后证明：风屏障由于能给列车提供一个相对较低风速的风环境，可以有效提高行车安全性[2-5]。葛盛昌等[6]通过现场实测验证了设置风屏障时列车在11级以上大风条件下的运行安全性；姜翠香等[7]通过数值模拟研究得出风屏障设置位置对车辆气动性能的影响较大；向活跃等[8-9]通过风洞试验和数值模拟两种方法研究得出风屏障高度及透风率对轨道上方的流场分布及车辆风荷载有较大影响；種本勝二等[10-11]研究表明，高度为3 m的风屏障防风效果较好。由于桥梁主梁高度大多在3 m左右，显然，桥上设置3 m高度的风屏障会大大增加桥梁所受风荷载。以往由于铁路桥梁跨度不大，且大多是刚度很大的简支梁桥，对风荷载不敏感，但随着铁路桥梁跨度增加，例如沪通大桥、芜湖长江二桥等最大跨度均已超过500 m，大跨度铁路桥梁对风荷载愈加敏感，因此必须要综合考虑风屏障对列车及桥梁气动特性的影响。本文基于某流线型钢箱主梁斜拉桥和轨道客运A型车，采用风洞试验的方法研究了风屏障透风率对车-桥系统气动特性的影响。

1风洞试验研究

列车和桥梁的风荷载受车体外形、主梁外形(包括风屏障)及列车行车线位置等诸多因素影响。对于桥梁主梁这种钝体断面的绕流，其流线的分离点不随流速的变化而移动，只要模型雷诺数与原形雷诺数相差在三个数量级之内，认为流场还是相似的，雷诺数效应可以忽略不计[13]。虽然列车断面周边圆滑，但在横风作用下，位于桥上的列车处于风屏障后分离流之中，分离流中的脉动成分会弱化圆滑表面附面层的粘性作用，从而减小雷诺数对列车定常气动力的影响。此外，列车和桥梁相距较近，且在风屏障的影响下，车体基本位于桥体的绕流之内，因此可将列车和主梁看作一个系统，雷诺数对该系统断面的整体定常气动力影响较小，从而可采用类似桥梁节段模型风洞试验的方法测试车-桥系统的气动特性。

1.1试验装置

节段模型测力试验在中南大学高速铁路风洞实验室的高速试验段进行，高速试验段长15.0 m、宽3.0 m、高3.0 m，试验风速在0~94 m/s范围内连续可调(本试验风速为10 m/s)，风场湍流度小于0.3%。

图1　车-桥系统气动力测试装置示意图 Fig.1 Sketch of aerodynamic force measuring device of train-bridge system

为同步测试不同工况下列车和桥梁各自的气动力，本试验开发的测力试验装置如图1和图2所示，列车和桥梁模型别分固定在可转动圆盘上以实现气动力分离；在列车和桥梁模型两端分别装有动态测力天平(共安装4个天平)以采集列车和桥梁的气动力；通过调整列车在滑杆上的位置以及滑杆在弧形滑槽上的位置，可实现列车与桥梁之间的位置变化；通过转动圆盘，车-桥系统可绕圆盘中心做同轴转动，实现风攻角的调节；测力装置由固定在风洞地板上的竖向支撑系统支撑。使用的动态测力天平为日本NITTA公司生产的IFS型六分量动态天平，测力分辨率为0.02 N。采用澳大利亚TFI公司的眼镜蛇探针采集尾流处三维风速及静态压力数据，采集点位于模型下游1.5 m处，高度与主梁顶面高度一致(距离地面约为1.0 m)。

图2　车-桥系统气动力测试装置照片Fig.2 Photograph of aerodynamic force measuring device of train-bridge system

1.2试验模型

图3　试验模型照片Fig.3 Photograph of test model

试验模型包括列车模型、桥梁主梁模型及风屏障模型，模型缩尺比为1/40，模型照片见图3所示。列车与桥梁模型长度均为2 m，为减少端部绕流的影响，在模型两端加装端板。列车模型采用轨道客运A型车，列车模型高度为110 mm、宽度为89 mm。列车模型为钢骨架塑料材质模型。桥梁主梁模型采用流线型钢箱梁外形，桥面加装两条宽度为70 mm、厚度为3 mm轨道板。桥梁模型为钢骨架木质模型。在车道两侧设置10%、20%、30%、40%透风率的风屏障，风屏障距主梁断面中心处距离为184 mm。根据以往研究成果可知，风屏障的高度、孔洞尺寸、开孔方式等都会影响风屏障的防风效果。因此，为保证试验的相似性、排除其他因素对试验结果的影响，4种不同透风率风屏障模型的高度统一为75 mm、开孔方式统一采用8×8 mm矩形孔洞且孔洞在风屏障上均匀分布，风屏障模型为5 mm厚塑料材质模型，不易变形。

1.3试验分组及数据处理

试验共分为8组，每组在0°、±3°风攻角下进行吹风测试，其中1~4组为迎风工况、5~8组为背风工况，试验流场为均匀流场，考虑U∞=10、15 m/s两种不同试验风速进行相互校核，试验组介绍见表1。由于采样点风速和静压随时间的分布具有随机性，在流动持续一段时间后，认为随机过程的随机特征不随时间变化，即过程是稳定的[14]。因此，各组试验均在风速达到稳定值并稳定5秒后开始采样，采样频率为1 250 Hz，采样时间20 s。

表1　试验分组

动态测力天平采集的数据经过处理得到列车和桥梁的气动三分力系数。风轴坐标系下的阻力系数、升力系数和扭矩系数计算公式[14]分别为：

风轴：

(1)

(2)

(3)

式中：U∞为试验参考风速；空气密度ρ=1.225 kg/m3；L为测力节段模型长度；阻力系数以模型高度H为参考长度；升力系数、绕形心的扭矩系数均以模型全宽B为参考长度。

通过三维风速测量仪采集的三维风速以及静态压力数据是按时域分布的，为在频域中对合成振动的简谐振动特征进行辨析，有必要进行相关的时频转换。本文采用功率谱密度的统计方法，对采样数据进行分析，得出车-桥系统尾迹区涡脱频率并进一步计算出斯特罗哈数。柱体旋涡的脱落与物面形状及流体粘性有关，在描述旋涡脱落时通常采用无量纲斯特罗哈数描述[15]：

(4)

式中：fv为旋涡脱落频率；D为结构横风向特征尺寸；U为来流风速。

2试验结果分析

2.1气动力系数

通过4个动态测力天平采集的数据经过整理得出侧风下列车及桥梁所受气动荷载，由于体轴与风轴坐标系下的气动力系数可以相互换算，因此本文仅给出风轴坐标系下各组试验的气动力系数。

图4　迎风工况气动力系数(0°风攻角)Fig.4 Aerodynamic force coefficients with windward condition (wind attack angle: 0°)

风攻角为0°情况下风屏障透风率由10%增大至40%，桥梁与列车气动力系数的变化趋势见图4、5所示。从阻力系数上看，随风屏障透风率增大，列车阻力系数增大而桥梁阻力系数减小，原因在于小透风率风屏障承受了较多侧向风荷载。从升力系数上看，随风屏障透风率增大，桥梁和列车升力系数的绝对值均增大，原因在于透风率越大，行车线上方区域负压的绝对值越小。从图4(a)和图5(a)可以看出，列车与桥梁阻力系数变化趋势相反，这表明小透风率风屏障虽然可以保证侧风下的行车安全，但给桥梁带来了较大的侧向力，因此图中给出了列车与桥梁作为一个整体系统时的气动力系数。由图4、5所示，当风屏障透风率为10%时，车-桥系统的阻力系数和升力系数均较小，这表明风屏障透风率越小，车-桥系统在侧风下受到的气动力越小。

图5　背风工况气动力系数(0°风攻角)Fig.5 Aerodynamic force coefficients with leeward condition (wind attack angle: 0°)

列车位置风攻角/(°)10%透风率20%透风率30%透风率40%透风率-30.5290.5720.6180.671迎风侧00.5940.6570.7060.772+30.6550.6930.7700.823-30.4970.5270.5570.589背风侧00.5500.5770.6010.661+30.5820.6260.6350.691

表3　车-桥系统升力系数

为进一步研究列车位置和风攻角的变化对试验结果的影响，表2、3分别给出了迎风与背风工况下风攻角为-3°、0°、+3°时车-桥系统的阻力和升力系数。当风屏障透风率由10%增大至40%时，迎风与背风工况下车-桥系统各风攻角气动力系数的绝对值均呈现增大趋势。综合考虑列车位置和风攻角等影响因素，风屏障透风率为10%时，列车及车-桥系统在侧风下受到的气动力均较小，有利于行车安全。

2.2涡脱频率和斯特罗哈数

本文采用功率谱密度的统计方法，得出迎风和背风工况下，风攻角分别为-3°、0°、+3°时，车-桥系统尾流区涡运动频率标准化功率谱。由图5所示，标准化功率谱中的峰值处对应的频率即为涡脱频率，迎风工况下各组数据峰值分布较为分散，而背风工况下的峰值分布较为集中，各组峰值对应的频率基本在12 Hz左右。

图6　车-桥系统尾流区涡运动频率标准化功率谱(0°风攻角)Fig.6 Normalized PSD of vortex flow frequency of wake region (wind attack angle: 0°)

列车位置风攻角/(°)10%透风率20%透风率30%透风率40%透风率-3°0.2490.2370.2090.195迎风侧0°0.2580.2440.2310.220+3°0.2500.2340.2230.210-3°0.2490.2430.2470.236背风侧0°0.2640.2640.2620.249+3°0.2690.2760.2720.252

由图6所示的涡脱频率和对应的来流风速均值，根据式(4)计算出各试验组的斯特罗哈数见表4。从表4可以看出，风屏障的透风率和列车的位置都会影响车-桥系统的斯特罗哈数，原因在于斯特罗哈数决定于物体几何形状和雷诺数，而风屏障透风率的变化和列车位置的改变都会对车-桥系统的几何外形产生影响。从计算结果上看，车-桥系统的斯特罗哈数随风屏障透风率增大而减小；当列车处于迎风位置时，风屏障的透风率对车-桥系统斯特罗哈数的影响较为明显。

3结论

本文以某流线型钢箱主梁斜拉桥和轨道客运A型车为背景，通过风洞试验研究了风屏障透风率对车-桥系统在不同风攻角的侧风环境中气动性能的影响，得出如下结论：

(1) 桥梁阻力系数随风屏障透风率的增大而减小，而列车阻力系数随风屏障透风率的增大而增大；随风屏障透风率增大，桥梁和列车升力系数的绝对值均增大。

(2) 与迎风工况比较，背风工况下桥梁承受了更多的侧风荷载。从气动力系数随风屏障透风率的变化趋势上看，背风工况与迎风工况基本保持一致。综合考虑列车位置和风攻角等影响因素，风屏障透风率为10%时，列车及车-桥系统在侧风下受到的气动力均较小，有利于行车安全。

(3) 当雷诺数相同时，风屏障的透风率和列车的位置都会影响车-桥系统的斯特罗哈数。车-桥系统的斯特罗哈数随风屏障透风率增大而减小；当列车处于迎风位置时，风屏障的透风率对车-桥系统斯特罗哈数的影响较为明显。

参 考 文 献

[1] Matschke G,Schulte-Werning B. Measures and strategies to minimize the effect of strong cross winds on high speed trains[C]// Proceedings of the WCRR World Congress of Railway Research, Florence, Italy, 1997.

[2] Raine J K, Stevenson D C. Wind protection by model fences in a simulated atmospheric boundary layer[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,1977,2:159-180.

[3] 张健. 铁路防风栅抗风性能风洞试验研究与分析[J].铁道科学与工程学报, 2007, 4(1): 13-17.

ZHANG Jian. Wind-tunnel test investigations and analysis on wind break performances of wind fences on railway[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2007, 4(1): 13-17.

[4] 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.

WANG Hou-xiong, GAO Zhu, WANG Shu-dong, et al. A study on height of wind break wall[J]. China Railway Science, 1990, 11(1): 14-22.

[5] 张田, 郭薇薇, 夏禾. 侧向风作用下车桥系统气动性能及风屏障的影响研究[J]. 铁道学报, 2013,35(7): 101-106.

ZHANG Tian, GUO Wei-wei, XIA He. Aerodynamic characteristics of vehicle-bridge system under crosswinds and effect of wind barriers[J]. Journal of the China Railway Society, 2013, 35(7): 101-106.

[6] 葛盛昌,尹永顺.新疆铁路风区列车安全运行标准现场试验研究[J].铁道技术监督, 2006, 34(4): 9-11.

GE Sheng-chang, YIN Yong-shun. Studying the field tests on the safety operation standards for trains running through the windy area in xinjiang[J]. Railway Quality Control, 2006,34 (4): 9-11.

[7] 姜翠香, 梁习锋. 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.

JIANG Cui-xiang, LIANG Xi-feng. Effect of the vehicle aerody-namic performance caused by the height and position of wind-break wall[J]. China Railway Science, 2006, 27(2): 66-70.

[8] 向活跃. 高速铁路风屏障防风效果及其自身风荷载研究[D]. 成都：西南交通大学, 2013.

[9] 向活跃, 李永乐, 胡喆. 铁路风屏障对轨道上方风压分布影响的风洞试验研究[J]. 实验流体力学, 2012, 26(6): 19-24.

XIANG Huo-yue, LI Yong-le, HU Zhe. Effects of wind screen on wind pressure distribution above railway tracks by wind tunnel test[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2012, 26(6): 19-24.

[10] 種本勝二, 铃木実, 前田逹夫. 横風に對する車輛の空氣力學的特性風洞試驗[R].日本鐡道綜研報告, 1999, 13(12): 47-52.

[11] 種本勝二, 铃木実, 斎藤寛之. 强風下での車輛に动く空氣力と低减對策に關する風洞試驗[R]. 日本鐡道綜研報告, 2004, 18(9): 17-22.

[12] Ostenfeld K H. Bridge engineering and aerodynamics, aerodynamics of large bridge[C]// Proceeding of the First International Symposium on Aerodynamics of Large Bridges, Larsen A, Rotterdam, 1992: 3-22.

[13] 李永乐, 廖海黎, 强士中. 车桥系统气动特性的节段模型风洞试验研究[J]. 铁道学报, 2004, 26(3): 71-74.

LI Yong-le, LIAO Hai-li, QIANG Shi-zhong. Study on aerody-namic characteristics of the vehicle-bridge system by the section model wind tunnel test[J]. Journal of the China Railway Society, 2004, 26(3): 71-74.

[14] 陈政清. 桥梁风工程[M]. 北京: 人民交通出版社, 2005.

[15] 金挺, 林志兴. 扁平箱形桥梁断面斯特罗哈数的雷诺数效应研究[J]. 工程力学, 2006, 23(10): 174-179.

JIN Ting, LIN Zhi-xing. Reynolds number effects on strouhal number of flat-box girder bridge decks[J]. Engineering Mechanics, 2006, 23(10): 174-179.

[16] Simiu E, Scanlan R H. Wind effects on structures[M]. New York; John Wiley&Sons, Inc, 1996.

[17] 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): 82-88.

LIU Qing-kuan, DU Yan-liang, QIAO Fu-gui. Train-crosswind and strong wind countermeasure research in Japan[J]. Journal ofthe China Railway Society, 2008, 30(1): 82-88.

[18] 何旭辉,邹云峰,杜风宇.风屏障对高架桥上列车气动特性影响机理分析[J].振动与冲击,2015,34(3):66-71.

HE Xu-hui, ZOU Yun-feng, DU Feng-yu. Mechanism analysis of wind barrier’s effects on aerodynamic characteristics of a train on viaduct[J].Journal of Vibration and Shock, 2015, 34(3): 66-71.

[19] He X H, Zou Y F, Wang H F, et al. Aerodynamic characteristics of a trailing rail vehicles on viaduct based on still wind tunnel experiments[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2014,135:22-33.

第一作者 何玮 男，博士生，1987年9月生

摘要：以某流线型钢箱主梁斜拉桥和轨道客运A型车为背景，通过风洞试验研究了风屏障透风率对车-桥系统气动性能的影响。分析试验数据得知：车-桥系统的斯特罗哈数随风屏障透风率增大而减小；当列车处于迎风位置时，风屏障的透风率对车-桥系统斯特罗哈数的影响较为明显；桥梁阻力系数随风屏障透风率的增大而减小，而列车阻力系数随风屏障透风率的增大而增大；随风屏障透风率增大，桥梁和列车升力系数的绝对值均增大；综合考虑列车位置和风攻角等影响因素，风屏障透风率为10%时，列车及车-桥系统在侧风下受到的气动力均较小，有利于行车安全。

关键词：风洞试验；车-桥系统；风屏障；气动特性

Wind tunnel test on the effect of wind barrier porosity on train-bridge system

HEWei1,2,GUOXiang-rong1,2,ZOUYun-feng1,2,HEXu-hui1,2(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction, Changsha 410075, China)

Abstract:With the background of a streamlined steel box girder cable-stayed bridge and a type of passenger trains, the effect of wind barrier porosity on the aerodynamic characteristics of train-bridge system was analysed by wind tunnel test. According to the theoretical and experimental analysis data, the Strouhal number of the train-bridge system deceases with the increase of wind barrier porosity. With the train located windward, the porosity of wind barrier affects the Strouhal number of train-bridge system obviously. With increasing porosity of wind barrier, the drag coefficient of bridge deceases, while the drag coefficient of train increases. The absolute values of lift coefficients of bridge and train both increase with increasing porosity of wind barrier. Taking into consideration the wind attack angle and the position of train, when the porosity of wind barrier is 10%, the aerodynamic forces on the train and the train-bridge system are both small, which is suitable for the operational safety of train and wind resistance of bridge structures.

Key words:wind tunnel test; train-bridge system; wind barrier; aerodynamic characteristic

中图分类号:V211.74

文献标志码：A DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.24.016

通信作者邹云峰 男，博士，讲师，1984年10月生

收稿日期：2014-11-19修改稿收到日期：2015-05-20

基金项目：国家自然科学基金面上资助项目(51178471)；国家优秀青年科学基金资助项目(51322808)； 教育部新世纪优秀人才支持计划(NCET-12-0550)；中国博士后科学基金资助项目(2014M562133)；长江学者和创新团队发展计划资助项目(IRT1296)