复杂环境下高铁防风过渡流场特性及工程对策

李鲲

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

高速铁路列车通过大风区时，在强侧风作用下，列车空气动力性能恶化，对高速列车运行安全造成严重影响，容易造成列车脱轨、倾覆等事故，并带来人员伤亡和财产损失[1-2]。已经建成通车的兰新高铁是世界上首条穿越大风区的高速铁路[3]。百里风区实测最大风速(瞬时)可达60 m/s，由此导致的问题给既有兰新铁路的运输带来了巨大的经济损失和严重的社会影响[4]。兰新高铁建设过程中，以防风技术研究为基础，进行科学、合理的防风工程设计，确保这条现代化高速铁路在其建设和运营中，彻底克服诸多重大风害难题[5]。兰新高铁在联调联试及大风专项试验期间，大风环境下列车高速通过大风区地形地貌变化地段、路堤路堑过渡段时出现车体晃动，但动车组的安全评判指标均在允许范围内。历次试验晃车地点印证表明，晃车主要发生在地形地貌变化地段，即不同防风结构的过渡段位置前后[6]。主要是因为高速列车通过不同防风工程过渡段时，防风工程遮蔽区内的流场结构、风速及风向受边界变化影响发生突变，引发列车气动性能产生急剧变化。如何增强列车在横风环境下的运行安全及稳定性，国内外众多学者以及工程人员进行了研究并提出了有效的应对措施，主要包括：1) 优化列车外形[7-8]；2)建立风区铁路大风预警系统[9-10]；3)以气动分析为基础修建或完善针对性的防风设施[11-13]。综合工程的可行性、可靠性、适用性等因素，并经实践研究证明[14]，路基(桥梁)防风工程对于保障列车运行平稳安全，提高运行效率效果明显，因此有效的防风工程修建与优化对策仍是解决上述问题最具针对性的措施。本文以兰新高铁K3030～K3031段这一较为典型的复杂环境下防风工程过渡区域为研究对象，探明不同防风设施过渡的突变边界引发的风切变机制及演化规律，进而针对复杂环境下过渡工程提出完善的、可实施的工程对策，并对工程实施后区域流场优化情况进行实测，进一步验证研究结论的可靠性。

1 过渡区域风流场分析

K3030～K3031 段路堑-路堤-路堑交错出现，属于较为典型的复杂环境地貌过渡。该区域有2个路堤路堑过渡段，在2 个过渡段中间又有2 道山梁，因此，这4处风流场易发生耦合突变，风速突变大，联调联试期间高速列车通过该段落时晃动较为严重。其所在地貌实景及地形模拟场景如图1和图2所示。

图1 K3030～K3031防风工程过渡段Fig.1 Transition section of windbreaks at K3030～K3031

图2 K3030～K3031模拟地形场景Fig.2 Visualized landform at K3030～K3031

为研究过渡区域的风场变化规律及其对列车气动性能的影响，主要从以下几方面进行数值计算分析：1)1 线(靠近挡风墙侧)和2 线(远离挡风墙侧)距离轨面2 m 和3 m 高处沿线路中心线的Y方向速度分量分布曲线；2) 距离轨面不同高度的水平面上的矢量分布图；3) 垂直线路方向的不同横截面处的矢量分布图。

根据工程需要，采用“SST”k-ω的“RANS”模型来模拟铁路沿线过渡区域周围的空气流场特性。计算中边界条件满足数学适应性和物理可靠性对计算结果的精度十分重要：入口边界为横风速度在不同风向角度下的速度入口边界，计算域的前部(迎风侧)设置成为速度入口，并给定风向角分别为90°，75°和105°，横风速度为35 m/s；出口采用压力出口边界条件，为保证计算域内后部的空气尾流充分发展，设置为压力出口边界，并设出口的静压为0；计算域中设置对称边界条件将镜像计算流场，计算域的顶部设置成对称边界，将计算区域虚拟扩大。

1.1 沿线路距轨面不同高度处的水平线上Y 方向速度分量分布

图3 和图4 分别为距轨面2 m 和3 m 高度处水平线上的Y方向速度分量分布曲线，其中坐标零点为1 号过渡段与路堤连接处，从左到右依次是1 号过渡段，2道山梁，2号过渡段处。从图中可知，1线和2线的变化趋势基本一致，差异主要体现在风速峰值上，2 线处的风速峰值较大。表明线路的薄弱环节主要存在于挡风墙过渡段和2道山梁处。其中1号过渡段附近最大突变风速达到了15.7 m/s，2道山梁处突变风速分别达到了29.8 m/s和16.5 m/s，2号过渡段附近突变风速为-9.5 m/s。

图3 距轨面2 m高度处水平线上Y方向速度分量分布Fig.3 Y-component of the velocity at 2 m above the top of rail

图4 距轨面3 m高度处的水平线上的Y方向速度分量分布Fig.4 Y-component of the velocity at 3 m above the top of rail

1.2 距离轨面不同高度处的水平面上的矢量分布

图5 为K3030～3031 地形距离轨面高度3 m 处的整体速度矢量分布图，图中从左至右依次是1号过渡段，2道山梁处和2号过渡段处。

进一步细化分析，图6 为1 号过渡段周围距轨面高3 m 的流场矢量图，如图中所示，1 号过渡段迎风侧高处来流受路堑阻挡反向向过渡段低处涌泄，这对过渡段周围的风场影响最大，此处正是Y方向风速分量速度峰值出现的地方。图7 为2 道山梁处距轨面高度3 m 处的流场矢量图，也是受左右2 个过渡段和路堑共同影响风场最为复杂的区域，图中从左至右的气流大致可分为5 个部分：第1 部分为1 号过渡段和山梁之间的气流；第2 部分为第1 道山梁与挡风墙形成的涡结构；第3 部分为2 道山梁之间形成的峡谷风；第4 部分为第2 道山梁与挡风墙形成的涡结构；第5 部分为山梁与2 号过渡段处形成的气流来流。其中第1 部分气流和第2 部分气流相遇的地方产生气流叠加，结合图5气流速度曲线图可以得知，此处形成了一处风速突变；第3 部分和第4 部分气流在相遇的地方也汇聚形成又一处风速增大的突变处，这在图5的气流速度曲线图上也得以体现。其中第1 处和第3 处气流的影响最大，主要是因为挡风墙外侧山梁过高，间接导致过渡段挡风墙防护高度不足，并因高处来流形成类似下坡风的效果，致使线路内风速突变加大。

图5 距离轨面3 m高处水平面上的速度矢量分布Fig.5 Distribution of velocity vector at the horizontal plane 3 m above the top of rail

图6 1号过渡段周围距离轨面3 m高处水平面上速度矢量分布Fig.6 Distribution of velocity vector at horizontal plane 3 m above the top of rail around the No.1 transition section

图7 2道山梁周围距轨面3 m高处水平面速度矢量分布Fig.7 Distribution of velocity vector at horizontal plane 3 m above the top of rail around two hill ridges

1.3 垂直线路方向的不同横断面处的横向平面上的矢量分布

图8～11 分别为过渡区域不同位置Y方向分量风速最大值位置处横断面上的矢量分布图。可以很明显地看到，在有效的防风设施段落，线路上方一定区域的气流基本为反向流动，即速度方向为负；而在防风设施能力不足的地方，明显看到较大的正向速度值(图9和图10)。

图8 1号过渡段处Y分量风速最大处横断面矢量分布Fig.8 Velocity vector recorded at the No.1 transition section where the maximum Y-component occurred

图9 第2道山梁处Y分量风速最大处横断面矢量分布Fig.9 Velocity vector recorded at the second hill ridge where the maximum Y-component occurred

图10 第1道山梁处Y分量风速最大处横断面矢量分布Fig.10 Velocity vector recorded at the first hill ridge where the maximum Y-component occurred

2 工程优化方案

根据以上K3030～3031 过渡区域风流场的变化规律，结合风速突变加大的位置及原因，以改善防风设施的薄弱环节为目标，从挡风墙防护高度的加强、高路堑消减(消除下坡风)这2 个方面着手，考虑工程实施难度、经济合理等因素，提出了综合工程优化方案：即加高薄弱段挡风墙+降低路堑挖方的工程方案。其具体设置如图12 及图13所示，其中挡风墙加高的位置范围根据流场分析得出的防风设施能力不足范围对应确定。图14 为加高挡风墙的工程实施后的照片。

图11 2号过渡段处Y分量风速最大处横断面矢量分布Fig.11 Velocity vector recorded at the No.2 transition section where the maximum Y-component occurred

图12 K3030～3031过渡区域加高挡风墙方案效果图Fig.12 Diagram of heightening the windbreak at the transition between K3030～K3031

图13 K3030～3031过渡区域降低路堑挖方改造方案效果图Fig.13 Diagram of excavating of the lower cutting at the transition between K3030～K3031

图14 过渡区域加高挡风墙工程实施图Fig.14 Engineering implementation of heightening the windbreaks at the transition region

3 工程实施后的过渡段区域风场实测及优化效果分析

在工程优化实施前后的过渡区域气动特性对比研究中，对工程优化实施前后的高速列车通过时的头、中、尾车的侧向力及倾覆力矩进行了数值计算及对比分析，可以得出列车气动性能的改善情况。就验证性实验而言，挡风墙遮蔽区内列车运行承受的横风其速度的优化结果更为直观有效[15]，且较易实现。为了验证工程优化效果，确保研究结论的可靠性，对K3030～K3031 过渡段区域开展了工程实施后的现场大风的流场实测，这里重点介绍现场实测结果，对数值计算不再赘述。

3.1 测试布置

本次测试测风杆共14 根。挡风墙内线路旁布设测风杆9 根，编号为1 号～9 号，其中6 号，8 号和9 号每根测风杆分别安装3 对风速、风向传感器，传感器距离轨面高度分别为2，3 和4 m；1号，2 号，3 号，4 号，5 号和7 号分别安装1 对风速、风向传感器，传感器距离轨面高度为2 m。挡风墙外迎风侧布设测风杆5 根，编号为10 号～14号，测风杆每根分别安装1 对风速、风向传感器，距离地面高4 m。风场测试布点如图15所示。

图15 风场测试布点示意图Fig.15 Monitoring tap layout at the field test

3.2 测试结果及分析

选取各测点在观测时间内的数据进行分析，得出各测点对应的最大风速、平均风速及风向。具体风速风向试验结果如表1和表2所示。

表1 挡风墙外各测点风速及风向测试结果Table 1 Test results of wind speed and direction outside the windbreaks

表2 挡风墙内各测点风速及风向测试结果(6号，8号和9号仅保留风速最大值)Table 2 Test results of wind speed and direction inside the windbreaks(No.6,No.8 and No.9 only recorded the maximum wind speed)

实测大风条件下挡风墙遮蔽区内外侧的风流场分布如图16 所示，图中箭头代表方向，长度代表风速大小。挡风墙外远方来流13 号和14 号测点最大风速分别为25.67 m/s和22.8 m/s，平均风速分别为20.15 m/s 和17.64 m/s，来流风向角主要集中在80°～90°之间。优化工程实施后，通过对比分析可以得出：1) 靠近挡风墙的外侧附近测点10 号，11号和12号其风速相较远方来流13号和14号测点的风速下降40%～50%；2)线路内各个测点风速很小，约为13 号和14 号测点风速的20%左右，且风速值在5～7 m/s 的稳定区间内，突变显著降低；3)2 号～7 号测点的风向角呈与线路平行方向变化(最小为1°，与线路基本平行)，对比原来流风向角主要集中在80°～90°之间，角度的变化对列车稳定安全性是更为有利的[11]。总体而言，列车的安全平稳性得到较大改善，工程效果明显，后期实车运行也印证了以上结论。

图16 挡风墙内外风场分布示意图Fig.16 Diagram of wind distribution around the windbreaks

4 结论

1) 高速列车通过大风区复杂环境下防风设施过渡区域时，主要是因为地形地貌及挡风墙的衔接及变化共同导致遮蔽区内流场结构发生突变及部分环节风速加大，体现为部分位置范围的挡风墙防护高度不足，致使列车气动特性出现较为明显的突变。

2) 结合高速列车通过复杂环境下防风设施过渡区域的流场及气动特性以及工程优化可行性、经济性等实际情况，工程优化提升的对策主要通过线路内和线路外2方面进行：线路内主要是通过工程优化改善防风工程遮蔽区的局部风场结构，无论线路外风场如何变化，重点在于保证线路内列车运行区域风场处于一个相对稳定的区间内；线路外重点则在于迎风侧切断直接进入线路遮蔽区的突变气流，背风侧需避免地形因素导致的气流回流(高路堑或者防风过渡段处)和气流泄流(路堑与对面连接处)；从而达到有效改善过渡区域内风流场结构并降低风速的目的。

3) 对于复杂环境下高速铁路防风设施过渡优化，需重视不同结构过渡边界引发的风突变机制及演化规律的研究，重点从改善突变流场结构、弥补工程薄弱环节入手，结合地形地貌及工程条件因地制宜地采取工程对策。