基于气动效应的铁路桥梁风屏障设计与分析

武月恒

（铁道第三勘察设计院有限公司，天津 300142）

0 引言

强风对列车运行的安全影响极大，加强对大风天气的预测并采取合适的防护措施尤其重要［1-2］，目前主流的方法有3种：（1）改进车辆外形；（2）实时监测运行区段风况来控制车速；（3）在线路周围设置防风结构。目前列车外形经过多年改进其气动性能已无法再得到有效提高，实时监控需在全线另设置一整套先进设备，经济适用性差，这种实时控制引起的降速也会导致高铁无法准时，所以目前综合来看最优解是风区沿线建立风屏障。

我国对于列车气动效应的研究起步较晚，铁路抗风工程在20世纪90年代建立风洞后开始兴起，随后伴随着计算机的不断升级以及大量流体计算软件的开发，数值模拟越来越受到研究人员的关注。王厚雄等［3］通过风洞缩尺试验发现由于挡风墙的几何特点，空气通过挡风墙时被分离开，在靠近挡风墙尾迹区底部附近时，空气流回分离区来补充被卷吸走的部分空气，形成尾涡区，在车辆迎风面的尾涡区形成负压，向逆风侧吸引车体，提高了车辆抗倾覆的能力。高广军等［4］依据数值模拟结果，发现安装风屏障后车辆迎风面由大部分正压转为负压，挡风墙高度较低时，车辆受到随高度增加而减小的横向力，减小到一定高度后横向力变为负值，倾覆力矩变化情况与其正好相反。根据以上研究资料显示，加装风屏障会使列车与防风装置之间的空气流动发生变化、产生漩涡，导致高速列车受力情况发生变化，比如风屏障设置过低则无法挡风，设置过高又会给列车背风面施加力，使列车有倒向迎风侧的趋势。双线桥梁上高速列车的运行位置分为上风线和下风线，列车与风屏障相对位置的不同使得其间流动空腔不同，进而导致列车表面受力不同。这些变量的改变对列车运行的影响均值得重点讨论，因此重点分析风屏障高度变化对列车受力产生的影响，研究双线桥上列车位置不同对列车表面压力的影响。

1 车-桥-风屏障系统设计与气动仿真模型

高速列车速度为300 km/h，横风速度为15～30 m/s，马赫数未达到0.3，所以可以不考虑流体的可压缩性。

1.1 计算区域确定

高速列车在流场中运行时，车体附近的流场会因受力发生变化，而当距离列车足够远后这种变化会趋于稳定，在设置计算区域时，区域尺寸的选取会对计算结果造成影响。在计算区域内，流场需要能够充分发展，流场边界的设置不能距模型过近，否则会使多个面发生回流现象严重影响计算结果。

通常情况下，列车与流场边界的距离要大于5倍车宽，尾流区要大于20倍车宽以使流场充分发展，竖直方向只要边界设置不影响列车上部空气扰流即可。将流场顶面定义为SYMMETRY可进一步降低流场阻塞效应。

列车速度方向沿x轴，横风方向沿y轴，z轴为垂直地面方向。以此基准建立流场区域，x、y、z三个方向的长度分别为200、50、100 m。流场及车-桥-风屏障模型示意见图1。

图1 流场及车-桥-风屏障模型示意图

1.2 计算网格划分

网格划分的疏密程度直接影响结果精确度，但不能为了提高精确度将全流场区域都划分为尺寸很小的网格，因为流场变动在远离模型一定程度后就趋于稳定，网格细致程度对这一区域影响不大。为了尽可能不占用过多计算机资源，同时使数值计算能够有效进行，需要在贴近车体、桥和风屏障的表面划分细致的网格，而远离模型部分的网格则相对大些［5］。

Gambit中网格分为结构化网格和非结构化网格2种，结构化网格划分数量少、计算结果更精确，但考虑到车-桥-风屏障模型外形比较复杂，非结构化网格的四面体结构更能适应，所以该算例使用设置好的尺寸函数以非结构化网格对整个流场进行离散。网格绘制完成后显示网格数约为3×106个（见图2）。

图2 横截面网格质量

1.3 边界条件设定

数值计算时，首先定义一个有限区域，也被称作计算域，其边界由人为界定，该部分设定是计算的重要环节。在求解计算前需要设置合理的边界条件，边界条件要尽量接近现实情况。计算模型需要设置的边界条件包括入口、出口、壁面以及对称边界条件。

根据相对运动原理，假设列车不动，空气从列车正面迎来，速度与列车正常行驶速度相同。具体设定如下：

（1）入口边界条件：流场前面和右侧面定义为VELOCITY_INLET，该边界条件适合设置于不可压缩流体。在FLUENT中前面设定速度为83.3 m/s（模拟列车以83.3 m/s的速度行驶），右侧面设定速度为20 m/s（模拟横风速度20 m/s）。

（2）出口边界条件：流场后面和左侧面定义为PRESSURE_OUTLET，该处不用OUTFLOW作为出口条件，原因是其在有回流情况下不容易在计算中收敛。

（3）壁面边界条件：列车车体整体定义为TRAIN-WALL；桥-风屏障整体定义为QIAOFPZ-WALL，在FLUENT中设置为moving wall，速度设为83.3 m/s；流场底面定义为WALL。将模型设定为WALL以模拟真实情况下列车与桥梁、风屏障对气流的阻挡作用。

（4）对称边界条件：将流场顶面设置为SYMMETRY。

2 桥梁加装风屏障前后对列车周围流场的影响

以FLUENT中的车-桥-风屏障气动模型计算结果为依托，辅以Tecplot后处理软件输出的压力云图、速度流线图，讨论桥梁加装风屏障前后列车周围流场结构、列车表面所受气动力的变化。

2.1 上风线加装风屏障前后列车周围流场变化

2.1.1 桥梁加装风屏障后列车流场变化

运行在上风线的列车在横风速度为20 m/s下加装风屏障（风屏障高3 m）前后，列车中部周围流场分布变化见图3。未设立风屏障前，来流直接作用于车和桥的迎风侧，遇到的车桥阻碍被分流为三部分：一是向下绕过桥梁下表面；二是向上绕过车顶；三是从车和桥之间的空隙流出。由图3（a）可以看出，未设置风屏障时，列车迎风侧没有形成漩涡，背风侧由流经列车上表面和流经车桥空隙的气流形成2股气流漩涡。

图3 加装风屏障前后列车中部周围流场分布变化

由图3（b）可以看出，加装3 m风屏障后，空气流动具有明显改变：横风受到风屏障的阻挡作用，一部分被抬高后流经车顶，使车顶周围空气流速得到提升，一部分绕过风屏障在车迎风侧和风屏障之间形成漩涡，一部分流经列车顶部后在车背风侧和风屏障之间形成漩涡。气旋依次经过头车、车身、车尾向后流动，流场得到充分发展，所以漩涡有从前往后增大的趋势。与未安装风屏障时不同，列车两侧均有漩涡形成，且背风侧的气流漩涡明显大于迎风侧。列车背风侧的漩涡结构形式较未设置风屏障时简单，只有1个大的气流漩涡，这是由于安装风屏障后流经车底空隙的气流在背风侧未继续形成漩涡。风屏障使横风不能直接作用于车体表面，可以对列车所受到的横向气动力起到一定程度上的缓解作用。

2.1.2 列车周围气压分布

安装风屏障前后上风线列车中部周围压力云图见图4，结合图3可以看出风屏障的作用主要靠改变列车周围气流速度与气压影响列车的气动力，而气压变化与气流漩涡具有一定相关性。

图4 上风线列车中部周围压力云图

根据计算机仿真结果，在未安装风屏障时列车迎风侧所受空气压强为正，从车头到车尾正压逐渐减小，从车头所受压强7 000 Pa减小到车尾2 000 Pa左右；背风侧所受压强未见明显变化。在车头背风侧形成了负压区域，这与迎风侧的正压产生较大的压差使得车头部分在未安装风屏障时受到很大的横向力。根据负压形成位置，推测原因是气流经过车体上表面时被抬升，导致速度变快，使得背风面的气流被抽空，形成负压区，漩涡部分也是由于负压的吸引而生成。车头部分车顶与车底空气流速加快，各形成1个强负压区，但车底部负压小于车顶部，于是未安装风屏障时列车受到正升力的作用［6］。

2.1.3 列车表面压力变化

列车行驶在未安装风屏障的桥梁时，受到横风的影响，迎风侧显示大面积的正压，其最大值可以达到10 000 Pa，在背风侧受到近4 000 Pa负压。车尾迎风侧与背风侧表面压力大致相同。迎风侧无风屏障时车头表面压力分布云图见图5，由图5可知，车头鼻尖处正压最大，车头与车身的过渡区域以及列车顶部与侧面连接处负压最大，这可为空调装置的布置提供参考，即进风口设置在车体鼻尖区域，出风口设在车头顶部及车身侧面和顶面交界处。

图5 迎风侧无风屏障时车头表面压力分布云图

加装风屏障后，压强分布规律和未安装风屏障时类似，车头两侧压差相对于未安装时减小2 000 Pa左右。车头迎风侧的车身侧面压强分布较未安装风屏障时缓和，未出现大跨度的压强分布。针对以上现象可以预测：列车表面压力大小与气流在此处是否产生漩涡可能由气流速度决定。

2.2 下风线加装风屏障前后列车周围流场变化

根据计算机仿真结果，流场分布情况与列车在上风线时类似。安装3 m风屏障之后，迎风侧列车表面与风屏障之间形成较行驶在上风线时更大的漩涡。迎风侧车头部分周围压强比上风线时大，分析原因可能是气流翻过风屏障后与车体还有一段距离，于是产生一定程度的回落，造成对列车表面的冲击比上风线时大。

3 参数变化对列车所受气动力的影响

架设风屏障改变了列车周围流场的结构形式，使得列车表面压力改变，影响高速行驶的列车运行平稳性。分析设置不同高度风屏障或高度相同速度不同的条件下，列车所受阻力、升力以及侧向力的变化。选择3 m作为基础高度，通过改变风屏障的结构，观察列车气动力的变化。

3.1 风屏障高度对列车气动特性的影响

加装1.5 m风屏障后列车所受侧向力与升力明显降低，侧向力降低29.17%，升力降低65.8%，阻力上升10.88%，在风屏障高度增加到3.00～3.15 m时，升力与侧向力发生正负的变化，这与Coleman等［7］建立1∶50缩尺模型进行风洞试验的结果契合。列车倾覆主要是由升力与侧向力共同作用产生的倾覆力矩造成［8］，在风屏障高度为3.00～3.15 m时，升力与侧向力可以取到0，说明风屏障高度设置在3.00～3.15 m比较合适，这也符合原铁道部经济规划研究院发布的高架桥段标准高度和加高高度［9］。当风屏障高度继续加高后，升力与侧向力都转为负值且反向增大，说明此时风屏障已经处于过保护状态。列车受到的气动阻力基本不随风屏障高度的变化而变化。随着风屏障高度的增加，上下风线的阻力、升力、侧向力对比情况见图6。

图6 上下风线的阻力、升力、侧向力对比情况

由图6可以看出，对于升力：（1）下风线列车升力对风屏障高度变化更敏感；（2）上下风线升力的变化趋势并不完全相同；（3）下风线升力在连续减小到负值后，当风屏障高度增加到3 m后，下风线升力又有抬升趋势。对于侧向力：（1）风屏障高度增加到2 m前，上风线侧向力更大；（2）在风屏障高度为2 m时，上下风线的侧向力几乎相同；（3）在风屏障高度增加到2 m后，上下风线的侧向力变化趋势几乎一致；（4）在风屏障高度为4 m时，侧向力值由正转负，表明侧向力方向发生改变。

上下风线的侧向力与升力都有由正转负的情况，说明存在一个风屏障高度使得列车所受倾覆力矩为0。姜翠香等［10］为确定这个合理的高度，构造了一个函数：

式中：f1为列车行驶在一线时倾覆力矩随风屏障高度变化的拟合函数；f2为列车行驶在二线时倾覆力矩随风屏障高度变化的拟合函数；fx为列车分别行驶在一线、二线时倾覆力矩绝对值之和的最小值。最后得出风屏障设置位置变化时，其合理高度也会发生变化，两者之间近似成三次多项式关系［10］。这也印证：过高的风屏障会再次改变车体周围流场结构，流场的改变使压差发生正负变化，以及气动力方向发生改变。

3.2 横风速度对列车气动性的影响

为研究横风速度对风屏障防风效果的影响，取4个风速值分别为15、20、25、30 m/s，设置固定3 m风屏障，计算以速度300 km/h行驶的高速列车所受气动力，结果见图7。在横风速度较低时，升力向下为负值。

图7 列车气动力随横风速度的变化

横风速度每增加25%，根据3次仿真结果，阻力分别增加10.3%、9.3%、6.8%，侧向力分别增加18.1%、13.1%、11.3%；横风速度达到20 m/s之后，横风速度每增加25%，根据2次仿真结果，升力分别增加25.8%、109%。由此可见，升力受横风速度的影响最大。

3.3 列车速度对列车气动性的影响

为研究不同列车运行速度下风屏障的效果，将风屏障高度设为固定3 m，横风速度固定20 m/s，研究不同车速通过时列车所受气动力。

仿真结果显示，列车速度从225 km/h增加到300 km/h时，升力无明显变化，速度继续增加到375 km/h时，升力反而下降变为负值。阻力、侧向力均随车速增加逐渐增大，其中车速每增加25%，根据2次仿真结果，阻力分别增加57.6%、44.3%，侧向力分别增加48.9%、34.5%。可以推测：在只存在横风的条件下，车体所受气动阻力主要取决于列车自身运行速度，升力主要取决于横风速度而与列车运行速度关系较小。

3.4 风屏障形状对列车气动力的影响

根据上述对风屏障挡风效果的研究，以及对挡风机理的分析，提出对L内扣型风屏障、45°内扣型风屏障2种新型风屏障进行探究。2种风屏障以3 m高风屏障为标准建立模型，除形状以外，模型其余所有参数设置与3 m风屏障相同，模拟其在20 m/s横风时对以速度300 km/h行驶的列车的保护效果，计算结果见图8。

图8 不同形状风屏障对列车所受气动力的影响

由图8可以看出，与直板型相比，L内扣型风屏障升力下降55.6%、阻力下降1.8%、侧向力增加118.5%，该型风屏障虽然改善了列车升力、阻力的气动性能，但由于影响列车倾覆力矩的主要是侧向力，其侧向力激增1倍多，严重影响列车运行安全性；45°内扣型风屏障升力、侧向力均增大1倍至数倍，倾覆力矩也一定随之增大，因此该方案更不能运用到实际中。

安装2种异型风屏障的列车具有以下特点：一是其上部与背风侧面的压力相对更小，这导致列车产生更大的正升力与侧向力；二是其迎风侧均未出现空气漩涡，这是由于异型风屏障形状的阻碍作用使流场不能充分舒展所致。

4 结论

（1）安装风屏障后能明显改变列车周围气流的流动，但与未设置风屏障相比，列车迎风侧与风屏障之间会形成漩涡。列车两侧的空气漩涡会产生负压区，其压力差使列车受到侧向气动力，使列车有倾覆风险。在一定速度下，列车随着风屏障高度的变化，存在一个特定高度值（约3 m）使列车所受侧向力为0。

（2）风屏障高度的变化对列车侧向力的影响最大，随着风屏障高度的增加，升力与侧向力都出现方向改变的现象，这是由于风屏障高度对于列车两侧漩涡的影响，即风屏障高度过高，流体补偿由于卷吸作用带走的流体作用减弱，导致列车两侧的压差反向，使列车产生向迎风侧倾倒的趋势。升力方向改变则是由于风屏障对气流的抬升作用使流体经过列车上表面时速度较慢，产生的负压较小，由于压差的影响升力向下。

（3）通过对比列车运行在上下风线时风屏障对流场改变的差别，发现列车运行在下风线时迎风侧压力更大，这是因为下风线的列车与迎风侧风屏障有一段距离，气流绕过风屏障后产生一定回落，对列车迎风侧造成一定冲击作用。上下风线列车所受气动力变化趋势大体相同，总体而言，上风线防护效果更优。

（4）在安装同一高度风屏障时，随着横风速度增加或列车运行速度增加，会使列车的气动性能恶化。升力主要影响因素是横向风速，对于列车速度的变化并不敏感；阻力受列车速度的影响较大；侧向力对列车速度与横风速度的变化反应都较为敏感。

（5）风屏障结构影响列车所受气动力的大小，研究表明传统直板型风屏障防护效果更好。

（6）风屏障的高度设置对于风屏障表面压力影响很大，过高会使风屏障内外压差过大，增加损坏的可能。