风屏障对高架桥上列车气动特性影响机理分析

第一作者何旭辉男，博士，教授,博士生导师，1975年12月生

通信作者邹云峰男，博士，讲师，1984年10月生

风屏障对高架桥上列车气动特性影响机理分析

何旭辉，邹云峰，杜风宇

(1.中南大学土木工程学院，长沙410075；2.高速铁路建造技术国家工程实验室，长沙410075)

摘要：基于同步测压技术，以京沪高速铁路典型高架桥和CRH2列车为背景，研究风屏障对典型车桥组合状态下列车的风压分布和各面气动力分布特征的影响，以分析风屏障的气动影响机理，并从流体力学角度进行解释。研究结果表明：风屏障对上游列车气动特性影响较大，下游列车由于处于尾流中，受之影响较小；设置风屏障后，上游列车由于迎风面风压由正变负，使得该面的侧力与背风面相反，故使总体侧力减小，车顶平均风压显著减小，使得车顶升力约增大50%，背风面和车底风压变化较小；风屏障透风率及高度取值需根据具体环境进行优化，并需注意防风效果并不与减小平均风速等同。

关键词：风屏障; 车桥组合; 气动特性; 风洞试验

收稿日期：2013-10-21修改稿收到日期：2013-12-31

中图分类号:U27191; U2169文献标志码：A

基金项目：国家自然科学

Mechanism analysis of wind barrier’s effects on aerodynamic characteristics of a train on viaduct

HEXu-hui,ZOUYun-feng,DUFeng-yu(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 2. National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction, Changsha 410075, China)

Abstract:Based on the simultaneous pressure measurement, models of a CRH2 type train and a 32m pre-stressed concrete simply supported box beam viaduct at Beijing-Shanghai high-speed rail line were manufactured with geometric scale of 1∶25, the influences of wind barrier on aerodynamic forces of each face and pressure distribution for vehicle under representative combination conditions of the model vehicle upon double tracks on the model viaduct were investigated to analyze the aerodynamic influence mechanism of wind barrier. The mechanism was interpreted from the perspective of hydrodynamics. Results showed that the influence of wind barrier on the aerodynamic characteristics of the upstream vehicle is significant, while the downstream vehicle is less affected because it is in the wake; after wind barriers are installed, the wind pressure on the windward side of the upstream vehicle changes from positive to negative, it causes that the direction of lateral force on the windward side is opposite to that on the leeward side, so the overall lateral force decreases; the lift on the vehicle roof increases about 50% because the mean wind pressure on the vehicle roof decreases significantly, while the wind pressure on both the leeward side and the vehicle bottom changes slightly; both porosity and height of wind barrier need to be optimized according to the specific environment, and people should pay attention to that anti-wind effect is not equal to reducing mean wind speed.

Key words:wind barrier; combination of vehicle and bridge; aerodynamic characteristic; wind tunnel test

随着高速铁路的迅速发展，高速列车在侧风作用下的行车安全受到人们的广泛关注[1-2]。提高行车安全的措施有软件措施(即运行管制)和硬件措施(如设置风屏障、优化车体外形及新建线路等)两类[3]，但通过列车限速慢行或停止运行的管制措施来提高行车安全会导致列车延误，影响运送效率，因此设置风屏障是提高既有线路列车行车安全的有效措施，且国内外均有成功实施的实例[4]。

近年来，国内外学者对风屏障的防风效果进行了广泛研究。研究表明[5-16]，设置风屏障能为列车创造一个风速相对较低的风环境，提高列车的行车防风能力；防风效果不仅与风屏障参数如高度、透风率等密切相关，还受线路下部结构形式及周围环境的影响。然而，这些研究大多考虑的线路下部结构为路基，通过测试线路上方流场或车辆整体平均气动力来考察风屏障的防风效果，缺乏对风屏障气动影响机理的系统认识。由于各种需要，高速铁路较普通铁路更多的采用高架线路，高架桥在高速铁路线路中的比重较大，例如，桥梁分别占武广客运专线、京沪高铁线路总长的50%和80%，有必要深入研究风屏障对高架桥上列车气动特性影响机理，以便指导高架桥上的风屏障设计。

本文以京沪高速铁路典型高架桥和CRH2列车为背景，通过同步测压技术对典型车桥组合状态下列车风压分布进行测试，分析风屏障对列车风压分布、各面气动力的影响，以探究风屏障对列车气动特性的影响机理，并尝试从流体力学角度进行解释。

1风洞试验概况

1.1试验模型

试验研究的列车、桥梁原型分别为CRH2型客车(2节车厢)和32 m简支梁桥(5跨)，为满足堵塞率要求，模型几何缩尺比为1∶25，试验模型与实物在外形上保持几何相似，并考虑了轨道、转向架及车轮等，以尽可能真实模拟实际气流的绕流特征。列车和主梁模型采用优质木材制作，桥墩及其它部件由钢材制作，保证模型具有足够的强度和刚度，在测压试验中模型不发生变形且不出现明显的振动现象以保证压力测量的精度。试验模型照片见图1。

图1　试验模型照片 Fig.1 Test model

图2　中车测点位置及编号 Fig.2 Pressure taps number on 2nd vehicle

在列车外表面共布置345个风压测点，其中，头车175个测点，由于头车断面沿车长变化，因此各截面测点数及位置不一致；中车170个测点，每个断面布置17个测点，且测点位置基本一致，测点编号及位置与来流方向见图2。鉴于头车和中车的测点分布特征，本文以中车为例分析风屏障对车辆气动特性的影响机理。

1.2试验工况

笔者在文献[17]对多种车桥组合状态下的列车气动特性进行了分析，本文仅以两车交会这一典型状态为例，分析风屏障对列车气动力的影响机理，工况编号及列车位置见表1。为研究风屏障高度、透风率对列车气动特性的影响，选取的实际风屏障高度为2.0、2.5、3.0 m，与列车高度之比分别约为0.57、0.71、0.86，每种高度的风屏障考虑0%、10%、20%、30%和40%五种透风率(表2)，其中开孔方式采用方孔阵列式，并在风屏障上均匀分布。

表1　测试工况

表2风屏障几何参数(模型)

Tab.2 Wind barrier geometric parameters

高度/m长度/m透风率/%0.080.105×1.280、10、20、30、400.12

1.3试验设备

风洞试验在中南大学“高速铁路建造技术国家工程实验室”的高速铁路风洞试验系统进行，该系统包括高速和低速两个试验段，其中，高速试验段长15.0 m，宽3.0 m，高3.0 m，试验风速在594 m/s范围内连续可调；低速试验段长18.0 m，宽12.0 m，高3.5 m，试验风速在220 m/s范围内连续可调。本次试验在低速试验段内的均匀流场中完成(试验风速为10 m/s)。

风压测量采用美国PSI公司的DTC net电子式压力扫描阀系统，每通道测试精度达到0.05%，是目前世界上精度最高的集成式压力测量系统之一，本次试验共使用6个模块，可进行384个测点的同步测压。参考点的风速则由皮托管测量。采样时长30 s，采样频率330 Hz。

2数据处理

测点i处的风压系数Cpi(t)定义如下：

(1)

其中：Pi(t)为风洞试验中压力扫描阀测得的i点处风压时程，以压力作用方向指向结构表面为正，离开为负；P0为无穷远处试验参考高度处的静压；ρ为空气密度，取ρ=1.225 kg/m3；UH为无穷远处参考点高度处的来流风速。

压力系数反映的是结构某一点的受力情况，为考察结构受到的整体气动力，可将压力系数对面积积分得到各种气动力系数，如侧力系数CY(t)、升力系数CZ(t)和倾覆力矩系数CMx(t)(气动力方向规定见图3)，其定义分别如下：

(2)

(3)

(4)

其中：H、B、L分别为模型的高、宽、长；FY、FZ、Mx分别为体轴系下模型受到的侧力、升力和倾覆力矩，当考虑的为列车某一表面的气动力时可得到这个面的气动力系数。

图3　体轴系下列车气动力 Fig.3 Aerodynamic force in body axis

3试验结果与分析

3.1风屏障透风率的影响

图4给出的是上游列车迎风面、车顶、背风面及车底各面气动力随透风率的变化情况(风屏障高2.5 m、Case1)。由图4(a)可知，设置风屏障后，迎风面侧力方向与无风屏障时相反，故使总体侧力减小，且随透风率的增加而增大；背风面的侧力系数基本不受透风率大小影响，且在总体侧力中占主导地位；车顶侧力方向与来流方向相反，并随透风率增加而略有增大，但大小有限；车底对侧力基本没有贡献，且不受透风率大小的影响。升力情况见图4(b)，可以看出，升力主要由车顶和车底贡献，设置风屏障后，车顶升力约增大50%，且受透风率大小影响较小；车底升力与车顶方向相反，并随透风率的增加而增大。图4(c)给出的是各面的倾覆力矩，可以看出，迎风面和车底产生的力矩方向一致，并与背风面和车顶相反；迎风面和背风面的力矩随透风率的变化情况与其侧力类似，对于车顶和车底而言，则与升力类似。

图5所示为下游列车在不同透风率风屏障影响下各面的气动力比较(风屏障高2.5m、Case2)。由图可知，相对上游列车而言，各面的气动力受透风率大小影响较小，且随透风率变化并无明显规律。

下面对列车表面的风压分布进行分析以进一步认识风屏障对列车气动力影响的微观机理。笔者前期研究表明[17]，中车风压沿列车长度方向基本不变，因此本文取各截面的风压平均值作为“代表性曲线”，分析各参数对“代表性曲线”的影响。图6所示为风屏障透风率对上游列车表面风压分布的影响情况(风屏障高2.5m、Case1)，可以看出，设置风屏障后，迎风面风压由正变负(透风率0%时，平均风压约为-1.0)，且沿高度分布基本不变，并随透风率的增加逐渐增大；车顶平均风压显著减小，且最小负压发生的位置向下游移动(由5#点移至6#点)，需要指出的是，在透风率0%40%范

图4　透风率对上游列车各面气动力的影响(Case1) Fig.4 Influence of porosity on aerodynamic characteristics of upstream train(Case1)

图5　风屏障透风率对下游列车各面气动力的影响(Case2) Fig.5 Influence of porosity on aerodynamic characteristics of downstream train(Case2)

围内，最小负压随透风率的增加而减小，但它的最大值出现在透风率100%(无风屏障)，表明透风率存在一个最优值，当透风率超过该值后，最小负压会随透风率的增加而增大，这一结果与文献[7]的结论一致；背风面风压受风屏障影响较小，这是因为该区域风压主要由列车自身产生的尾流决定；车底风压受风屏障影响相对较小，且随透风率增加而增大。

图7所示为风屏障透风率对下游列车风压分布的影响(风屏障高2.5 m、Case2)，由图可见，下游列车在各透风率下的风压分布基本一致，各面风压大小也相当，随透风率变化并无明显规律；相对上游列车而言，下游列车风压分布受透风率大小影响较小。

图6　透风率对上游列车风压分布的影响(Case1) Fig.6 Influence of porosity on pressure distribution of upstream train(Case1)

图7　透风率对下游列车风压分布的影响(Case2) Fig.7 Influence of porosity on pressure distribution of downstream train(Case2)

3.2风屏障高度的影响

图8、图9分别所示为风屏障高度对上、下游列车各面气动力的影响情况(透风率30%)。由图8可知，上游列车各面的侧力受风屏障高度影响较小，至于升力和倾覆力矩，除车顶气动力随风屏障高度增加略有减小外，其它各面受风屏障高度的影响较小。由图9可见，下游列车各面气动力基本不受风屏障高度影响。

图10所示为不同高度风屏障下列车表面的风压分布情况(透风率30%)。由图可知，风屏障高度对平均风压的影响与列车所处上下游位置有关，上游列车迎风面、背风面及车底的风压分布受风屏障高度影响较小，车顶风压则随风屏障高度的增加而增大；下游列车各面风压随风屏障高度变化较小。总的来说，风屏障高度对风压分布的影响较小。

图8　风屏障高度对上游列车各面气动力的影响(透风率30%、Case1) Fig.8 Influence of height on aerodynamic force of upstream train(Porosity30%、Case1)

图9　风屏障高度对下游列车各面气动力的影响(透风率30%、Case2) Fig.9 Influence of height on aerodynamic force of downstream train(Porosity30%、Case2)

图10　风屏障高度对风压分布的影响(透风率30%) Fig.10 Influence of height on pressure distribution(Porosity30%)

4气动机理解释

图11描述的是风屏障对车-桥系统表面气流绕流的影响。由该图可以看出，由于风屏障的阻挡效应，气流流至风屏障时受阻，当风屏障透风率较小时(透风率为0%)，一部分气流向下流动，并在桥面形成驻涡区，向上流动的气流则在风屏障顶部发生分离，上、下游列车便处于风屏障的尾流中，因此即使是上游列车的迎风面，其表面风压也表现为负压，同样是因为处于尾流中，两车各面风压分布基本一致，且均为负压(图6)。当风屏障透风率非零时，气流从风屏障的开孔处穿过，作用在上游列车的迎风面，一部分沿迎风面向上流动，并在列车顶部前缘分离，一部分则绕表面向下流动，并从车底穿过，绕流特征的改变对上游列车风压分布的影响在于，迎风面负压减小，甚至变为正压，车顶最小负压减小，车底风压略有增大，背风区则由于处于自身的尾流中，风压变化较小；下游列车则由处于风屏障的尾流中转变为上游列车与桥梁的尾流中，由于还是处于尾流中，下游列车的风压分布受透风率大小影响较小(图7)。至此，不难理解上游列车气动特性受风屏障参数变化影响较大，下游列车则受之影响较小。

需要指出的是，上述分析的前提是认为风屏障高度较高(本文风屏障最小高度为0.57倍车高)，由其顶端分离的气流不会再附着在列车上，可以想象，当风屏障高度较低时，可能会发生再附现象，影响上游列车的防风效果；此外，尽管较小透风率风屏障会使线路上方的平均风速减小，但它的防风效果并不一定好，这是因为较小透风率风屏障产生的紊流较大，可能会使列车受到的瞬时气动力增大，故需要对风屏障的透风率、高度等参数进行优化[18]。

图11　风屏障对车桥组合状态下气流绕流影响 Fig.11 Influence of wind barrier on flow field around train-bridge

5结论

本文以京沪高速铁路典型高架桥和CRH2列车为背景，基于同步测压技术探究风屏障对高架桥上列车气动特性影响机理，并尝试从流体力学角度进行解释，得到如下结论：

(1)风屏障对列车气动力的影响机理与列车所处上下游位置相关，上游列车气动力受风屏障参数变化影响较大，下游列车则由于处于上游列车与桥梁的尾流中，受风屏障影响较小。对于主导风向显著的地区，可只在上游侧设置风屏障便可达到良好的防风效果。

(2)侧力主要由迎风面和背风面贡献，升力主要由车顶和车底贡献，力矩则是四个面叠加的结果。对于上游列车而言，设置风屏障后，迎风面风压由正变负，使得该面的侧力与背风面相反，故使总体侧力减小；车顶平均风压显著减小，使得车顶升力约增大50%；背风面和车底风压分布变化较小，因此力矩的防风效果相对较差。

(3)风屏障的防风效果与具体环境有关，尽管透风率较小、高度较大的风屏障会使线路上方的平均风速减小，但它的防风效果并不一定好，需要对风屏障的透风率、高度等参数进行优化。

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