戈壁地区风沙环境下桥梁防风栅防风性能的研究

高卫强，金阿芳，赵鹏，谢繁荣

(新疆大学机械工程学院，新疆乌鲁木齐 830047)

0 前言

目前，随着兰新高铁和新的“丝绸之路经济带”的实施，戈壁地区的工程建设将不可避免地造成更多风沙危害，特别是铁路运输系统将面临更大的困难。兰新高铁是世界上经过风区最多、里程最长的戈壁铁路之一，随着列车运行速度的提高,列车的运行环境也越来越恶劣,列车受空气动力学的影响越来越突出,尤其是横风效应,直接关系运行安全,轻则影响列车乘坐的舒适性,造成列车横向失稳,严重的将导致列车的倾覆或者脱轨事故。大风会对高速列车的安全运行造成隐患，针对戈壁大风天气，铁路工程人员修建了125座桥梁，并在桥梁上安装防风栅。防风栅可以为高速列车创造一个相对低风速的环境，以保证高速列车的运行安全。但是，戈壁地区的真实环境除了有大风还有沙粒，具有很强的地域性。桥梁防风栅的设立只是为了降低风速，保证列车运营，不考虑其防沙效果，当风沙流经过桥梁及防风栅时，与纯风环境相比，风沙环境下桥梁防风栅的前后流场会发生变化，对防风栅的防风效果以及高速列车的安全运行造成一定影响。

为解决戈壁地区大风灾害问题，铁路工作者在兰新高铁沿线修建了防风栅、挡风墙、防风明洞等防风设施，对兰新高铁安全运行起到了一定的作用。国内外学者也对大风区铁路沿线灾害特征进行了一些研究。辛国伟等基于数值模拟及风洞实验，对不同地表粗糙度下的风沙流场进行数值分析，揭示地表粗糙度对流场表征量如风速、积沙形态的影响规律。金阿芳等运用光滑粒子流体动力学(SPH)方法对不同路堤高度沙漠公路的沙埋现象进行二维数值模拟。JIN等研究了强风沙环境下高速列车运行的安全性能和气动性能。谭立海等对兰新高铁烟墩风区戈壁近地表风沙流跃移质的垂直分布特性进行了观测研究，结果表明：2 m高的阻沙栅栏不足以完全阻截戈壁风沙流,这可能是造成兰新高铁烟墩风区轨道积沙产生的重要原因之一。石龙等人基于Fluent欧拉双流体模型,对路堤周围风沙两相流运动特性进行数值模拟。刘永胜等认为戈壁沙漠的风沙运动是一种多尺度、多场耦合的非平衡态发展过程。王海龙等运用CFX多孔介质模型对防风沙栅的孔隙率优化进行了研究。WANG等对一定孔隙率金属板后的气流速度进行研究，得出孔板式沙障可以有效减少多风沙漠和戈壁地区的风沙灾害。

综上所述，国内外学者对于戈壁地区风沙流、防风设施的防风效果以及对高速列车安全运行的研究较深入，但是对在强风沙流作用下桥梁防风栅后的流场环境变化研究较少。事实证明，防风栅在为高速列车的稳定运行提供安全保证的同时也会造成轨道上方流场的改变，甚至在桥梁轨面出现少量积沙，主要是悬浮沙物质和强沙尘暴作用下的产物，会对列车运行造成隐患。因此，本文作者以兰新二线新疆段中最具代表性的32 m跨度简支桥梁为模型，对不同情况下的防风栅轨道上方流场变化情况进行研究，为防风栅的改进及车辆运行情况的改进提供参考。

1 模型参数设置

本文作者研究不同孔隙率的防风栅在强风沙环境下的防风效果。基于工程背景，以兰新高铁在西北戈壁地区的32 m跨度简支箱梁为研究对象，分为两种配置方案：(1)桥梁；(2)桥梁加防风栅。防风栅的孔隙率从0到65%不等，防风栅由开孔波形钢板组成，所建模型结构如图1所示。板厚0.004 m,高4 m,长2 m,孔径0.01 m。

图1 所建模型结构示意

图2(a)显示了带有防风栅的桥面的1∶1的比例模型。箱梁模型的长宽高分别为2、12.2、2.868 m。

桥梁上其他细节，如道床、双块式枕轨、钢轨如图2(b)(c)所示。

图2 所建32 m箱梁结构示意

2 数值模拟方法

此次数值实验采用欧拉两相流瞬态模型，将空气与运动沙粒均看作拟流体，认为二者之间相互贯穿渗透，用体积分数来描述每一相的占比，计算中将初始沙相体积分数取为2%，风沙流中沙粒粒径一般在0.075～0.25 mm，文中取0.1 mm，沙粒密度取2 650 kg/m，沙相为稀相。计算边界条件设置如图3所示。从入口到模型的距离为60 m,压力出口到模型距离为120 m,前后对称边界到模型的距离为60 m,上边界到模型距离为60 m,地面到模型的距离(沙尔特大桥桥梁净空)为24 m，模型计算的阻塞率为3.6%。

图3 计算域和边界条件

在桥梁防风栅外流场数值模拟计算中，网格质量对计算结果有着至关重要的影响，特别是用欧拉双流体模型模拟风沙流时，必须采用非常密的高质量网格才能达到计算精度要求。网格质量会影响计算的效率和结果。文中所建模型较为复杂，为节省计算机资源，采用Fluent Meshing中Poly-Hexcore方法对桥梁轨道以及防风栅外表面进行多面体网格生成和填充。为捕捉壁面附件的速度梯度，在桥梁、防风栅的表面各添加了5层边界层，并在防风栅区域、轨道上方等重点部位加密网格，网格整体数量超过3 500万，如图4所示。

图4 计算域网格及加密区放大图

3 数值模拟方案验证

为保证计算的准确性，选取初始速度为30 m/s的横风，沙粒体积分数为2%，建立如文献[7]中的数值模型。对比路堤周围的空气相速度与模拟结果，如表1所示。

表1 模拟结果与文献[7]对比

由表1可知，模拟得到的风速误差都小于10%，可见模拟结果与文献[7]中结果的误差在合理范围内,验证了文中数值计算方案可以满足风沙流运动的研究需要。

4 结果与讨论

在风速为30 m/s条件下，对裸桥和有防风栅梁的流场进行数值模拟。讨论设置不同孔隙率防风栅桥梁周围的气动力、风压分布和速度分布。分别对孔隙率为10%、20%、30%、40%、50%和65%的防风栅周围流场进行数值模拟，对桥梁轨道上方风沙流场情况进行研究。

4.1 桥梁防风栅周围风沙流场分布

图5所示为不同孔隙率防风栅下桥梁周围的风速分布云图。对于裸桥，如图5(a)所示，由于桥梁阻挡作用，桥梁迎风侧背部拐角附近的风速减小，拐角处的风速小于来流速度。在桥梁迎风侧翼缘处和迎风侧背部拐角处，风流明显加速，速度出现了明显分区，最高风速超过35 m/s。在桥梁迎风侧轨道处，由于轨道的阻挡，也产生了一个加速区，不利于列车在该区域运行。在桥梁的背风侧形成了一个尾流区域，其宽度大约为桥面高度。

当防风栅安装在桥梁上时，桥梁周围的流场发生了很大的变化，如图5(b)-(g)所示。加速区域移动到防风栅的顶部。防风栅阻挡了传入的风流，降低了桥梁轨道上方区域的风速，并显著加宽了尾流宽度。对于不同孔隙率的防风栅，防风栅后面都形成了回流区。这些防风栅有利于列车在桥梁上的运行安全。然而，防风栅也会导致出现更宽的尾流，宽度几乎是裸桥高度的两倍。尾流越宽，拖曳力越大，降低了桥梁的安全性。此外，防风栅还加强了翼缘处的风速分离和桥梁底面迎风侧以下的气流加速。

图5 不同孔隙率下桥梁防风栅周围的速度云图

不同孔隙率的防风栅对桥梁周围流场的影响不同。当防风栅的孔隙率较低(10%、20%和30%)时，防风栅会阻挡大部分进入的气流，并在两个防风栅之间形成一个逆流区，风速低于24 m/s。当防风栅的孔隙率较高(40%)时，大量进入的空气会穿过防风栅之间的间隙，并在顶面上方向下游流动，从而减小尾流宽度，但不会显著降低主梁顶面上方区域的平均速度，这种防风栅不能保证列车的运行安全。因此，两个防风栅之间区域的风速在接近20%孔隙率情况下较均匀。此外，孔隙率的增加减少了剪切分离和流动加速。

图6所示为不同孔隙率防风栅后5个位置的风速度剖面。坐标原点设置在桥面中心，迎风和背风列车分别位于约-2.5、2.5 m处。横轴表示量纲为一速度，该速度通过除以输入风速进行归一化，其本质是大风流经防风栅后所剩余的风能，值越小说明防风栅防风效率越高。纵轴为距桥面的距离。结果表明，当桥梁装有防风栅时，防风栅后的低速气流和防风栅上的高速气流之间的相互作用在桥梁轨道上方形成速度梯度。由于遮蔽效应，防风栅后的平均速度均减小；在同一位置，孔隙率较低的防风栅总具有较强的屏蔽效果。在相同孔隙率下，当距离防风栅位置变远时，防风栅影响高度也上升了。此外，由于泄流和壁面边界层之间的相互作用，当孔隙率高于20%时，在桥表面上方观察到明显的速度梯度。

图6 防风栅后不同剖面位置X处的风速剖面

对于低防风栅孔隙率的情况(10%和20%)，所有位置的平均速度均较小且分布均匀，这有利于列车的运行安全。当孔隙率大于30%时，具有30%孔隙率防风栅情况下的平均速度分布与高孔隙率的情况下相似。对于高孔隙率的情况(40%、50%和65%)，平均速度也低于没有防风栅的情况，但是这种降低明显小于低孔隙率情况下观察到的。因此，考虑到屏蔽效率，当设计防风栅时，应优先选择小于30%的孔隙率。

4.2 桥梁防风栅周围压力场分布

图7所示为裸桥和具有不同防风栅孔隙率的桥梁的压力云图。对于裸桥，由于主梁、道床和钢轨的阻碍，在桥面上方和迎风侧翼缘处风压出现分区，正风压区出现在主梁迎风侧背部拐角处，并且在桥梁底部和桥梁迎风侧轨道上方形成一个较小负压区域。

图7 不同孔隙率下桥梁防风栅周围的压力云图

与裸桥相比，防风栅显著改变了压力分布。由于遮蔽效应的存在，防风栅后的压力明显降低，变得比无防风栅时均匀。但是，由于防风栅增大了与风接触面积，防风栅前的正压区增大并延伸到防风栅前，这一地区风压明显增大，并且大风压出现的位置有改变。在梁的下侧，风压大小为负值，并明显增大，这与防风栅的孔隙率有关。孔隙率较低的防风栅对压力分布的影响较大，这与流场相吻合。

4.3 防风栅对桥梁自身抗风性能分析

图8所示为横风作用下具有防风栅的桥梁3个分力系数。当在桥梁上安装防风栅时，防风栅的气动力被加到桥梁的气动力中。100%孔隙率的防风栅表示裸桥，其3个分量系数分别为0.79、0.34和0.02。

图8 不同孔隙率防风栅的桥梁气动力系数

防风栅的安装明显增加了阻力系数、负升力，但对倾覆力矩影响不大。另外，随着风屏障孔隙率的减小，阻力系数不断增加，且增加趋势越来越快。例如，当孔隙率等于30%和10%时，阻力系数分别为1.05和1.43。

由于这座桥是为西北戈壁风区高速列车运行修建的桥梁，对强风很敏感，较高的阻力系数可能不利于该桥的稳定。因此，从桥梁的安全性考虑，孔隙率大于20%的防风栅是可取的。

5 结论

本文作者对横风作用下有无防风栅的桥梁周围的风沙流场进行了数值模拟。通过桥梁气动力系数、压力云图和速度云图，研究了防风栅孔隙率对桥系统气动性能的影响。主要结论如下：

(1)防风栅显著降低了行驶区域的平均风速，明显提高了列车的运行安全性。当防风栅安装在桥梁上时，桥梁周围的流场发生了很大的变化，防风栅阻挡了传入的风流，降低了桥梁轨道上方区域的风速，并显著加宽了尾流宽度。尾流越宽，拖曳力越大，桥梁的安全性越低。

(2)对于低防风栅孔隙率的情况(10%和20%)，所有位置的平均速度均较小且分布均匀，这有利于列车的运行安全。当设计防风栅时，小于30%的孔隙率是优选的。

(3)防风栅可以阻挡部分来流风，但会使桥梁上的阻力和力矩增加，降低桥梁的抗风性能。防风栅的孔隙率越低，对桥梁抗风性能越不利。随着风屏障孔隙率的减小，阻力系数不断增加，且增加趋势越来越快。