兰新铁路第二双线挡风墙防风效果仿真分析

刘 磊，李红梅，侯福国，付连著

(中国铁道科学研究院 铁道科学技术研究发展中心，北京 100081)

兰新铁路第二双线挡风墙防风效果仿真分析

刘 磊，李红梅，侯福国，付连著

(中国铁道科学研究院 铁道科学技术研究发展中心，北京 100081)

利用CFD ICEM建立兰新铁路第二双线V区(大风频繁区)路堤、路堑地段4.0 m挡风墙和槽形梁两侧3.5 m高挡风墙计算模型，采用流体力学软件FLUENT对不同型式的防风结构的防风效果开展仿真分析。结果表明:环境风遭遇挡风墙阻挡，气流沿着挡风墙上部自由空间移动，形成加速效应，使得吹至挡风墙上部的环境风被加速放大;环境风吹过挡风墙后风速明显减小，挡风墙有效遮蔽了环境风，防风效果明显;路堤挡风墙后环境风速残余系数在0.3～0.6，路堑挡风墙后环境风速残余系数在0.25～0.50，桥梁两侧挡风墙后环境风速残余系数在0.3以下，桥梁两侧挡风墙防风效果优于路堤和路堑挡风墙。

兰新铁路第二双线 大风区 挡风墙 防风效果 环境风速残余系数

兰新铁路第二双线是我国《中长期铁路网规划》的重点项目之一，东起兰州，西至乌鲁木齐，横跨甘肃、青海、新疆维吾尔自治区三省区，线路全长1 776 km。该线所经地区属中温带干旱大陆性气候区，春、秋多大风，是世界上穿越风区最长的铁路。全线通过安西风区、烟墩风区、百里风区、三十里风区、达坂城风区五大风区，长度合计579.6 km，占线路全长的32.6%［1］。

由于特殊的地理环境，既有兰新铁路自建成通车起就饱受大风灾害的威胁，仅因风灾所造成的列车脱轨、倾覆事故就达数十起，其它因大风所造成的诸如列车停运、限速等问题更是十分普遍，每年因大风停运造成的直接经济损失达2亿多元［2］。为了提高兰新铁路第二双线的防风能力，保证线路开通后列车的安全运行，需要对其防风工程的防风效果进行研究。

本文以计算流体动力学为基础，利用 CFD ICEM建立兰新铁路第二双线V区(大风频繁区)路堤、路堑地段4.0 m挡风墙和槽形梁两侧3.5 m高挡风墙计算模型，采用流体力学软件FLUENT对不同型式的防风结构的防风效果开展仿真分析，为进一步优化防风工程和大风条件下铁路运营管理相关标准制定提供技术支持。

1 防风工程概述

兰新铁路第二双线风区受地形地貌引起的狭管效应、下坡风和局地大气对流的影响较大，具有风速高、风期长、季节性强、风向稳定、起风速度快等特点。风区最大瞬时风速达60 m/s，局部地段大于8级风的天数超过了200 d，风向稳定且主风向大约在 NW0°～20°。

根据大风观测报告，综合考虑瞬时风速、2 min平均最大风速、10 min平均最大风速，结合沿线地形地貌、植被情况，参考既有铁路、公路对应段落风害情况，分析沿线大气环流特征及风蚀影像(卫星、航片)特征，对大风区防风工程进行分区，分为I区(大风极少区)、Ⅱ区(大风低发区)、Ⅲ区(大风一般区)、Ⅳ区(大风易发区)、V区(大风频繁区)［3-6］。

防风工程的总体设计原则:以大风条件下列车基本不停运、尽量少限速为运营目标，在大风区已主动防风为主，通过合理的防风工程最大程度地减弱大风对列车运行的影响。

根据不同的大风设计分区采取相应的防风措施，Ⅰ区未设置防风工程，根据风力、风向、频率、地形及线路条件，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ区路基设置了不同型式及高度的挡风墙，桥梁设置了不同透风率及高度的挡风墙。

路基挡风墙采用钢筋混凝土结构，主要有悬臂式、扶臂式、柱板式3种类型，墙高有3.5，4.0 m两种，插板厚度有18，20，22 cm 3种。根据桥梁所处风区和桥面高度，挡风墙高有3.5，4.0 m两种，立柱及波形板钢材采用耐候钢，其中百里风区采用槽形梁，槽形梁两侧设3.5 m高挡风墙［7-10］。

2 模型的建立

本文利用CFD ICEM建立兰新铁路第二双线V区(大风频繁区)路堤、路堑地段4.0 m高挡风墙和槽形梁两侧3.5 m高挡风墙计算模型。为了考虑流场的充分发展，计算区域应远大于模型尺寸，所以计算中选取80 m×200 m为计算区域。由于风区风速一般＜60 m/s，马赫数＜0.3，空气流动按不可压缩流处理。以大风风速30 m/s作为入口速度边界条件，大风风速为定值，并假定挡风墙周围流场为定常流［11-13］。出口边界选择压力出口，出口压力为大气压。挡风墙、地面及计算区域顶面按光滑壁面处理，给定无滑移边界条件。

空间流场处于湍流状态，采用工程上应用较广的k－ε双方程模型进行计算。采用SIMPLE算法进行计算求解［14-15］。它是一种主要用于求解不可压缩流场的数值计算方法。其基本思想是:对给定的压力场求解离散形式的动量方程，得到速度场。由压力修正方程得出压力修正值，通过修正后的压力场得到新的速度值，然后检查是否收敛，若不收敛继续迭代计算，如此反复直到计算结果收敛为止。

3 挡风墙防风效果仿真分析

3.1 路堤挡风墙

仿真计算得到的路堤挡风墙周围流场分布如图1所示。外部吹来的环境风，行进至路堤迎风坡一侧后，遭遇路堤和挡风墙阻挡，气流沿着路堤迎风坡向挡风墙上部自由空间移动，形成了加速效应，使得吹至挡风墙上部的环境风遭遇阻挡后风速被加速放大。路堤挡风墙后轨道上方风速较小，表明路堤挡风墙有效遮蔽了环境风，防风效果明显。环境风绕流越过挡风墙后，在背风侧路堤坡面附近形成涡流，远离挡风墙一侧轨道外风速增大。

为了全面反映路堤挡风墙周围流场的分布，计算路堤挡风墙外迎风侧路肩l=1.5 m处(l为距挡风墙外侧面的距离，以挡风墙外侧面为基准，挡风墙外侧为正，内侧为负，以下同)、迎风侧坡脚l=7.2 m处和挡风墙内车辆限界外缘 l=－2.1，－8.2，－13.6 m处、背风侧坡脚l=－20.7 m，高度h=1，2，3，4，5，6 m处(以轨面为基准，以下同)的流场风速，结果如图2所示。环境风速30 m/s时仿真计算结果如表1所示，挡风墙的防风效果可以用环境风速残余系数(计算风速与环境风速之比)表示，环境风速残余系数越小，防风效果越好。由于环境风遭遇路堤和挡风墙阻挡产生加速效应，风速在挡风墙外上部增大，挡风墙外迎风侧路肩 l=1.5 m、高度 h=6 m处环境风速残余系数1.14。路堤挡风墙后轨道上方(l=－2.1～－13.6 m)风速较小，风速残余系数在0.3～0.6，环境风经过挡风墙后风速减小，挡风墙有效遮蔽了环境风，路堤挡风墙防风效果明显。

图1 路堤挡风墙周围流场分布

图2 环境风速30 m/s时路堤挡风墙不同位置计算风速

表1 环境风速30 m/s时路堤挡风墙周围流场风速和风速残余系数

3.2 路堑挡风墙

仿真计算得到的路堑挡风墙周围流场分布如图3所示。与路堤挡风墙类似，外部吹来的环境风，遭遇挡风墙阻挡，气流在挡风墙上部自由空间移动，形成了加速效应，使得吹至挡风墙上部的环境风遭遇阻挡后风速被加速放大。然而由于路堑具有天然防风效果，路堑挡风墙的遮蔽范围比路堤挡风墙大得多，防风效果也更加明显。环境风绕流越过路堑挡风墙之后，在路堑挡风墙一侧坡面附近形成涡流，沿着路堑坡面向下吹，在远离挡风墙一侧形成一个涡流风。

图3 路堑挡风墙周围流场分布

为了全面反映路堑挡风墙周围流场的分布，计算路堑挡风墙外迎风侧路肩 l=1.5 m处和挡风墙内右侧堑顶 l=－2.1 m处、车辆限界外缘 l=－12.4，－18.9，－25.4 m处、左侧堑顶l=－33.6 m，高度h= 1，2，3，4，5，6 m处的流场风速，结果如图4所示。环境风速30 m/s时仿真计算结果如表2所示。由于环境风遭遇挡风墙阻挡产生加速效应，风速在挡风墙外上部增大，挡风墙外迎风侧路肩 l=1.5 m、高度 h= 6 m处，环境风速残余系数1.05。路堑挡风墙后轨道上方(l=－12.4～－25.4 m)风速较小，风速残余系数在0.25～0.50，环境风经过挡风墙后风速减小，挡风墙有效遮蔽了环境风，路堑挡风墙防风效果明显。由于路堑具有天然防风作用，路堑挡风墙的遮蔽范围和防风效果要优于路堤挡风墙。

图4 环境风速30 m/s时路堑挡风墙不同位置计算风速

表2 环境风速30 m/s时路堑挡风墙周围流场风速和环境风速残余系数

3.3 桥梁两侧挡风墙

仿真计算得到的桥梁两侧挡风墙周围流场分布如图5所示。挡风墙顶部为充分自由空间，环境风吹来时大部分通过顶部自由空间绕流而过，而挡风墙中部为阻挡空间，环境风受到挡风墙的阻挡，除了小部分会透过挡风墙开孔耗散以外，大部分被挡风墙遮挡，使得桥梁两侧挡风墙的内部空间具有较好的防风效果。

图5 桥梁两侧挡风墙周围流场分布

为了全面反映桥梁两侧挡风墙周围流场的分布，计算挡风墙内车辆限界外缘l=－1.2，－6.1，－11.0 m，高度h=1，2，3，4，5，6 m处的流场风速，结果如图6所示。环境风速30 m/s时仿真计算结果如表3所示。桥梁两侧挡风墙内轨道上方(l=－1.2～－11.0 m)风速较小，风速残余系数在0.3以下，环境风经过挡风墙后风速减小，挡风墙有效遮蔽了环境风，桥梁两侧挡风墙防风效果明显。桥梁挡风墙的防风效果优于路堑挡风墙。

图6 环境风速30 m/s时桥梁两侧挡风墙不同位置计算风速

表3 环境风速30 m/s时桥梁两侧挡风墙周围流场风速和环境风速残余系数

4 结论

1)路堤挡风墙、路堑挡风墙和槽形梁两侧挡风墙3种防风结构的流场分布基本相同。环境风遭遇挡风墙阻挡，气流沿着挡风墙上部自由空间移动，形成加速效应，使得吹至挡风墙上部的环境风遭遇阻挡后加速放大;环境风吹过挡风墙后风速明显减小，挡风墙有效遮蔽了环境风，防风效果明显。

2)路堤挡风墙后环境风速残余系数在0.3～0.6，路堑挡风墙后环境风速残余系数在0.25～0.50，桥梁两侧挡风墙后环境风速残余系数在0.3以下，桥梁两侧挡风墙防风效果优于路堤和路堑挡风墙。

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(责任审编 葛全红)

U213.1;TU352.2

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.24

2015-08-10;

:2015-09-20

刘磊(1984— )，男，助理研究员，博士。

1003-1995(2015)11-0080-04