兰新高速铁路风区桥上挡风结构合理参数研究

王昌鹏

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

兰新既有普速铁路因大风造成的列车停运经常发生，且发生过列车被大风吹翻事故，严重影响铁路运行效率和安全[1]。日本新干线经验证明[2]，设置挡风屏，可减少停运次数，降低横风对列车的影响。

兰新高速铁路通过风区长度约540 km，为满足兰新高速铁路区运营安全，通过数值风洞模拟，研究不同高度、开孔率及车速下的列车气动性能，为桥梁挡风屏的设置提供理论依据。

1 单侧挡风屏二维CFD气动选型分析

1.1 数值分析方法

由于马赫数小于0.3，车辆的空气绕流是不可压缩流体流动问题[3]。流体流动是处于完全紊流状态，所用的数学模型是高雷诺数的全Navier-Stokes方程。有限体积采用SIMPLE方法计算。紊流模型采用k-ε两方程模型，采用壁面函数对k-ε模型在近壁区域进行修正。

1.2 计算内容

采用计算流体力学软件Fluent对桥梁挡风屏的风载参数进行计算分析[4-5]。考虑不同开孔率、不同高度挡风屏进行分析，桥梁为箱型截面梁，计算中考虑：

1)不同高度挡风屏的挡风效果(挡风屏设置高度2～5 m)；

2)不同开孔率条件下挡风屏的挡风效果(挡风屏开孔率30%，20%，0%)；

3)列车位于上风侧、下风侧及双线行车时列车气动力系数。

列车、主梁、挡风屏等的三分力分别为Fx,Fy,Mz，其计算式如下

ρV2HLCx

(1)

(2)

(3)

式中：ρ为空气密度；V为风速；当计算列车的静力系数时，H取列车的高度,L为列车的长度;当计算挡风屏和桥梁的系数时，H为桥梁中心线的高度，L为自然风作用在桥梁跨向的长度。Cx,Cy,CMz为相应的三分力系数，分别称为阻力系数、升力系数、力矩系数。

1.3 分析结果

1.3.1 挡风屏后风场变化

计算时横向风来流风速取为40 m/s。安置挡风屏之后，列车处的空间风场发生变化。设置高4 m、开孔率20%挡风屏后，风速等值线如图1所示。

图1 挡风屏后风速等值线

由图1可知，挡风屏阻挡部分横风，同时屏后形成空气紊流，列车所受的风速显著减少;接触网处风速有加强的趋势，当挡风屏高度为4 m时，接触网处风速的加强幅度平均有20%。

1.3.2 列车气动参数变化规律

列车处于挡风屏内侧时，列车的侧力系数及侧翻力矩系数随挡风屏高度的变化曲线见图2。

图2 列车倾覆系数随挡风屏高度的变化曲线

由图2可知：①挡风屏高度在3 m以上时，侧翻力矩系数变化较小。针对倾覆稳定性而言，挡风屏最小高度应大于3 m。②开孔率对倾覆稳定性有一定的影响，当开孔率增大时，列车的侧力系数和侧翻力矩系数有增大的趋势。低开孔率情况下，列车出现往挡风屏倾倒的趋势。

2 双侧挡风屏二维CFD分析

计算考虑了2种类型的挡风屏，一种是立柱骨架贯通，挡风板顶部开天窗的半封闭挡风屏方案，三分力系数计算结果见表1。另外一种是立柱骨架贯通，挡风板全封闭的挡风屏，三分力系数计算结果见表2。两种方案的开孔率均为20%，梁部均为箱型梁。

表1 半封闭结构三分力系数计算结果

表2 全封闭结构三分力系数计算结果

封闭挡风结构的挡风屏三分力系数以挡风屏的结构高度为特征尺寸。由表1、表2可知,挡风板全封闭时，列车的阻力系数及力矩系数要小于半封闭时，更为安全。

3 三维动车模型CFD分析

三维动车模型计算的目的是研究列车在高速运行情况下的气动力。分别计算了列车速度为0,150,200,250,300,350 km/h时列车受到的气动载荷。列车在全封闭和半封闭挡风屏中较为安全，本计算只考虑单侧挡风屏的情况。

3.1 计算模型及方法

高速列车速度350 km/h，自然风速达40 m/s以上，气体绕流速度大于0.3倍当地音速，需要考虑空气压缩性的影响。因此，高速列车周围的流场是完全的三维、黏性、可压缩、非稳态湍流流场。

本项目的研究采用有限容积法离散方程，压力与速度的耦合采用SIMPLE算法求解。

列车与挡风屏周围的网格划分见图3。整个计算域均为四面体非结构化网格，共计约600×104个单元。

图3 有挡风屏和有车时的计算网格(横截面放大)

为分析研究挡风屏对减缓列车气动作用的效果，对比计算无挡风屏和有挡风屏时，以及零开孔率和20%开孔率时列车的气动作用。

3.2 列车周围的流场分布

无挡风屏时列车头部表面静压分布见图4。

图4 无挡风屏时列车头部表面的静压分布

由图4可知，因侧风使车头的前导区中心朝迎风侧偏移，在车头表面形成了较大的局部正压，而车头的几何外形使得气流在翻越车头时流速增大，并在边界突变处气流发生分离，在车头被风侧区域造成局部的负压峰值。列车其它均匀截面处，同样存在迎风侧正压，被风侧负压的现象。

设置开孔率20%、高4 m挡风屏之后，列车头部表面静压分布见图5。可知，挡风屏后区域空气流速小，列车迎风侧表面压强较小，绕流负压区不明显，车头处的正压峰值区域基本位于车头正中心，表明侧风对列车的影响已经明显降低。

图5 设置开孔率20%、高4 m挡风屏后列车头部 表面的静压分布

3.3 列车受到的气动力

为了更直观反映在自然风速不变时列车受到的气动力随列车速度的变化情况，给出了2种开孔率的挡风屏侧翻力矩系数之间的对比，见图6。

图6 挡风屏列车侧翻力矩系数随车速的变化曲线

由图6可知，设置挡风屏后列车受到的气动作用显著减小，挡风屏防风作用明显。2种开孔率下，气动力随列车速度的变化规律相同，挡风屏开孔率为20%的列车高速运行时受到的气动力比挡风屏开孔率为0时要小。

4 结论

1)挡风屏阻挡部分横向风，同时屏后形成空气紊流，列车所受的风速显著减少。

2)挡风结构最佳高度为4 m，开孔率为20%；

3)挡风板全封闭时列车的阻力系数及力矩系数要小于半封闭时，更为安全。

以上研究为我国高速铁路强横向风作用下列车运营安全、桥梁挡风屏的使用场合及桥梁挡风屏的设计提供了理论依据。并可对其它受大风或台风影响地区相关工程建设提供参考。

[1]贾国裕.兰新铁路大风灾害及其对策[J].路基工程，2008，26(2):195-197.

[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):82-88.

[3]项海帆,葛耀君,朱乐东,等.现代桥梁抗风理论与实践[M].北京:人民交通出版社,2005.

[4]何涛,王昌鹏,马存明,等.新建铁路兰州至乌鲁木齐第二双线高速铁路桥梁防风技术研究成果报告[R].西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，2013.

[5]黄双林.新建铁路兰州至乌鲁木齐第二双线防风综合技术措施研究[R].西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，2015.