风区车站内现有挡风墙高度优化

牛纪强, 周 丹, 贾丽荣

(1.中南大学 交通运输工程学院,湖南 长沙 410075; 2.中南大学 轨道交通安全教育部重点实验室,湖南 长沙 410075)

风区车站内现有挡风墙高度优化

牛纪强1,2, 周 丹1,2, 贾丽荣1,2

(1.中南大学 交通运输工程学院,湖南 长沙 410075; 2.中南大学 轨道交通安全教育部重点实验室,湖南 长沙 410075)

文章采用三维定常不可压缩雷诺时均N-S方程和RNGκ-ε方程湍流模型,对3车编组高速列车在不同风速(0、10、20、30、40 m/s)下以不同车速(0、100、150、200、250 km/h)通过风区内设置4 m高挡风墙的车站进行模拟研究,并结合《京津城际铁路技术管理暂行办法》对风区车站内现有挡风墙高度进行了分析优化。数值算法经过试验验证,数值计算结果与试验的规律一致,幅值相差基本不超过10%。研究结果表明：列车位于第2线和第3线运行时受力存在显著差异,位于第3线时气动力及力矩变化较大;随着风速和车速增加,列车气动力及力矩变化不尽相同,这种现象在头车上反映更加明显。通过对列车在10～40 m/s横风环境中以100～250 km/h车速运行的模拟可知,车站内挡风墙在3.5～4.5 m可以有效降低列车气动力及力矩。

高速列车;挡风墙高度;风区车站

高速铁路在我国幅员辽阔的土地上大规模建设,铁路沿线多变的气候、特殊的地形地貌、强风等环境特性对高速列车运行安全的影响日益突出。比如京沪高铁、温福高铁等主要受台风影响,季节性明显[1];随着兰新铁路第2双线的建设,其所处的兰新地区具有的风力强劲、大风频繁的风环境和特殊的地形特征对兰新二线安全运行产生严重威胁[2]。

风灾害是影响铁路运行安全的主要因素之一[3]。目前,国内外普遍采取在风区铁路沿线修建挡风墙来预防大风导致的铁路事故,并且实践证明挡风墙能确实有效地预防风致铁路事故,达到了预期要求[4-6]。文献[7-14]研究了不同类型挡风墙对列车气动性能的影响,并对铁路沿线挡风墙位置高度进行了优化设计。由于兰新地区特殊的风环境,兰新二线全线设置挡风墙,其类型主要有土堤式、加筋土式、混凝土插板式、直插混凝土枕和钢板式(桥上使用)等,L形柱挡风板式墙主要用于车站防风地段,连接车站迎风侧与站房,且墙高3.5 m[15]。为保证列车长时间高速运行,缩短运行时间,高速铁路中经常出现高速越站情况。风区车站内现有挡风墙的高度将会成为制约列车安全、高速越站的因素。

本文采用数值模拟计算手段对高速列车通过设置挡风墙的风区车站进行模拟,优化了风区车站内挡风墙高度,对保障风区车站高速列车安全、高速通过有一定的工程实际意义。

1 数学模型

本次模拟高速列车通过风区车站时,车速不高于250 km/h,风速不高于60 m/s,最大合成风速度不超过100 m/s,即马赫数小于0.3,因此,不需要考虑空气的可压缩性。以车高H即车顶距轨面高3.7 m为特征长度,可知列车周围流场雷诺数一般大于4×103,列车周围流场处于湍流状态。国内外通常采用合成风方法来研究列车横风气动性能[16-17]，因此,整个流场采用定常、黏性、不可压缩流的N-S方程和RNGκ-ε方程湍流模型描述。目前,κ-ε方程湍流模型广泛运用于车辆空气动力学模拟中[18-22]。

本次计算软件采用Fluent商业软件,其中速度、压力耦合方式采用SIMPLEC算法,为保证计算精度要求,对流项采用高阶精度的QUICK格式离散,扩散项采用二阶精度的中心格式离散。

2 计算模型、区域及边界条件

2.1 计算模型

计算采用头车(3.212 5 m)+中间车(3.125 0 m)+尾车(3.212 5 m)3车编组、1∶8缩比的高速列车作为计算模型,如图1所示。本文研究挡风墙高度对列车气动力的影响,研究对象为列车和挡风墙。为节约计算资源,在不影响挡风墙和列车周围流场的前提下,对挡风墙模型、车辆模型表面做合理简化,省略车体表面的扶手、受电弓等一些细小部件。由于需要准确模拟车体附面层流场和挡风墙处发生气流分离而形成的涡结构,在保证第1层网格满足κ-ε方程湍流模型对30

图1 高速列车计算模型

图2 列车及挡风墙剖面网格

2.2 计算区域与边界条件

为保证流场的充分发展,避免边界对列车周围流场结构的影响,计算域X方向长度为88H,Y方向宽度为57H,Z方向高度为27H,为避免入口边界的影响,列车头部鼻尖点距入口边界为20H,为了避免出口边界条件对列车流场及尾涡变化的影响,尾涡区域为47.5H,H为车高。

为了获得物理问题的唯一解,必须对计算域边界进行设置。列车给定无滑移壁面边界条件;流域一侧面和一端面设置速度入口边界条件,X方向速度分量大小为列车运行速度vtrain,Y方向速度分量大小为横风速度uwind、Z方向速度分量大小为0;顶面及流域另外端面和侧面均设置为压力出口边界条件,相对压强pout=0 Pa,地面、路堤和挡风墙给定滑移边界条件,X方向速度分量大小为列车运行速度vtrain,Y、Z方向速度分量大小为0。车体、地面和挡风墙壁面区域流场采用标准壁面函数控制。

2.3 气动力系数定义

为便于分析,定义各气动力系数如下:

(1)

(2)

(3)

其中,ρ为空气密度,取1.225 kg/m3;v为来流速度大小;S为参考面积,此处为试验中模型列车中部横截面,取S=0.175 m2;Fy为侧向力;Fz为升力;M为倾覆力矩,取矩点为距轨距中心0.075 m处;b为横向参考长度,取0.188 m;Cy为侧向力系数;Cz为升力系数;CM为倾覆力矩系数。

3 算法验证

为验证所采用计算方法的正确性,保证计算结果的可靠性与准确度,在中国空气动力研究与发展中心低速所8 m×6 m大型低速风洞进行风洞试验,试验列车为缩比1∶8的3车编组钢骨架木质动车组模型,如图3所示。试验中来流风速v=60 m/s,侧滑角β分别为0°、5.15°、10.22°、15.14°、19.72°,侧滑角定义如图4所示。

图3 动车组模型

图4 侧滑角定义

为便于与风洞试验做对比,建立与风洞试验相同的1∶8缩比的列车模型及风洞流域尺寸。保证边界条件中来流风速与风洞试验中一致,即数值计算与风洞试验中的马赫数、雷诺数等参数一致;对于数值计算中来流湍流参数,原则上应该给定,而利用κ和ε来模拟入口湍流时,这2个参数一般情形下采用(4)～(7)式来计算获得。

(4)

I=0.16Re-0.25

(5)

(6)

(7)

其中,I为来流湍流度;Re为相应工况雷诺数;L为湍流特征长度,取为列车的特征长度,即车高H;μ为空气黏性系数,取1.8×10-5Pa/s;v为来流速度大小,为60 m/s;Cμ为试验常数,取0.09。

动车组数值计算所得结果与风洞试验数据随侧滑角变化曲线对比如图5所示。

图5 实验结果与计算结果比较

从图5可以看出,侧向力系数及升力系数均随侧滑角的增加而增加;计算所得列车气动力系数与风洞试验结果规律一致,吻合较好,最大偏差均不超过10%,满足工程应用要求。

4 计算结果及分析

4.1 现有挡风墙防风效果分析

为表述方便,将头车、中间车和尾车分别用其英文单词的首字母H、M和T来代替。挡风墙高度为4.0 m时,于第2线和第3线运行的列车分别以100、150、200、250 km/h车速通过风速为30 m/s的风区车站时,列车气动力系数及力矩系数随车速变化曲线如图6所示,于第2线和第3线以250 km/h车速运行的列车通过风速分别为10、20、30、40 m/s的风区车站时,列车气动力及力矩系数随风速变化曲线如图7所示。

图6 气动力及力矩系数随车速变化曲线

图7 气动力及力矩系数随风速变化曲线

由图6可知，位于不同线路上列车各节车气动力及力矩随车速变化规律明显存在差异,尤其是头车。由图7可知，列车位于第2线和第3线运行时的受力存在显著差异;随着风速增加,列车气动力及力矩变化也不尽相同,这种现象在头车上反映得更加明显。

4.2 列车气动力矩系数随挡风墙高度变化

列车分别以100、150、200、250 km/h车速,于第3线通过风速为30 m/s风区车站时,列车倾覆力矩系数随挡风墙高度变化曲线如图8所示。

图8 不同车速下倾覆力矩随挡风墙高度变化曲线

由图8可知，不同车速下,列车各节车倾覆力矩系数随挡风墙高度变化规律基本一致,均随挡风墙高度增加而先减小,倾覆力矩方向改变后又增大。不同车速下,头车倾覆力矩系数差距显著,中间车次之,尾车差距最小,挡风墙高度增加到3.0 m后,尾车倾覆力矩系数差距明显增大。随挡风墙高度增加,尾车倾覆力矩系数最先为0,其次是中间车,头车最后。100～250 km/h速度下,随挡风墙高度增加,均为头车倾覆力矩最大,中间车次之,尾车最小;当挡风墙增加到3.0 m高度以后,各节车倾覆力矩系数分布无明显规律。

列车以250 km/h车速,于第3线通过风速分别为10、20、30、40 m/s的风区车站时,列车倾覆力矩系数随挡风墙高度变化曲线如图9所示。低于10 m/s的横风环境中,挡风墙对以250 km/h车速于第3线通过风区车站的列车气动力矩系数影响很小,环境风大于20 m/s后,挡风墙对改变列车倾覆力矩有显著效果。

图9 不同风速下倾覆力矩随挡风墙高度变化曲线

随着横风速度增加,列车倾覆力矩系数变化显著,风速对头车影响尤为明显。随挡风墙高度增加,从尾车到头车,倾覆力矩依次发生变向。

4.3 挡风墙最优高度

挡风墙高度分别为0、1.0、2.0、3.5、4.0、4.5、5.0 m时,列车分别以100、150、200、250 km/h车速,于第3线通过风速30 m/s的风区车站时列车倾覆力矩系数随车速变化曲线如图10所示。

图10 不同挡风墙高度下倾覆力矩随车速变化曲线

由图10可知，挡风墙高度变化显著改变了列车各节车倾覆力矩系数随车速变化规律。挡风墙高度在3.5～5.0 m,头车倾覆力矩系数较小;挡风墙高度在2.0～4.5 m,中间车倾覆力矩系数较小;挡风墙高度在1.0～4.5 m,尾车倾覆力矩系数较小。综合考虑可知,在100～250 km/h车速内,确定风区车站内挡风墙高度在3.5～4.5 m。

挡风墙高度分别为0、1.0、2.0、3.5、4.0、4.5、5.0 m时,列车以250 km/h车速,于第3线通过风速分别为10、20、30、40 m/s的风区车站时,列车倾覆力矩系数随风速变化曲线如图11所示。

图11 不同挡风墙高度下倾覆力矩随风速变化曲线

由图11可知，挡风墙高度变化显著改变了列车各节车倾覆力矩系数随风速变化规律。挡风墙高度在3.5～5.0 m,头车倾覆力矩系数较小;挡风墙高度在2.0～4.5 m,中间车倾覆力矩系数较小;挡风墙高度在0～5.0 m,尾车倾覆力矩系数均相对较小。综合考虑可知,在10～40 m/s风速内,风区车站内挡风墙高度确定在3.5～4.5 m。

通过对列车在10～40 m/s横风环境中以100～250 km/h车速通过风区车站的模拟可知,挡风墙高度在3.5～4.5 m可以有效降低列车气动力及力矩,确保列车高速、安全通过风区车站。

5 结 论

本文对风速分别为10、20、30、40 m/s下,高速列车分别以100、150、200、250 km/h车速通过设置挡风墙的风区车站进行数值模拟,并研究了挡风墙高度的影响,得到以下结论:

(1) 不同风速下,列车以不同车速于第2线和第3线通过风区车站时,位于第2线和第3线运行的列车所受气动力及力矩存在显著差异,且位于第3线运行的列车气动力及力矩变化较大;随着风速和车速增加,列车气动力及力矩变化也不尽相同,这种现象在头车上反映得更加明显。

(2) 风速为30 m/s时,列车以100～250 km/h车速于第3线通过风区车站时,随挡风墙高度增加,均为头车倾覆力矩最大,中间车次之,尾车最小;当挡风墙增加到3.0 m高度以后,各节车倾覆力矩系数分布无明显规律。

(3) 列车以250 km/h车速,于第3线通过不同风速的风区车站时,当风速大于20 m/s后,挡风墙对改变列车倾覆力矩有显著效果。随着横风速度增加,列车倾覆力矩系数变化显著,头车倾覆力矩对风速最敏感。随挡风墙高度增加,从尾车到头车,倾覆力矩依次发生变向。

(4) 车站内挡风墙高度在3.5～4.5 m可以有效降低列车气动力及力矩,确保列车高速、安全通过风区车站。

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(责任编辑 张淑艳)

Optimization of the height of wind-break wall in wind zone station

NIU Jiqiang1,2， ZHOU Dan1,2， JIA Lirong1,2

(1.School of Traffic and Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 2.Key Laboratory of Traffic Safety on Track of Ministry of Education, Central South University, Changsha 410075, China)

Three-dimensional steady uncompressible Reynolds-averaged N-S equation and RNGκ-εequation turbulence model were used to simulate the three-carriage high-speed train running through the station with 4 m high wind-break wall in wind zone at different speeds(0, 100, 150, 200 and 250 km/h) and different wind speeds(0, 10, 20, 30 and 40 m/s). According to the Interim Measures for the Management of Beijing-Tianjin Intercity Railway, the height of wind-break wall in the wind zone station was analyzed and optimized. The numerical algorithm was verified by test, and the numerical results were in agreement with the experimental data, the deviation between them was below 10%. The results indicated that there was significant difference between the aerodynamic force of train located in the second railway line and that of train located in the third railway line. Aerodynamic force and moment changes of train located in the third railway line were larger than those of train located in the second railway line. With the increase of wind speed and train speed, the aerodynamic force and moment changes of train located in the third railway line were different from those of train located in the second railway line, especially the head car. The simulation on the train running at a speed of 100-250 km/h with a cross wind speed of 10-40 m/s was conducted and it was shown that the train aerodynamic force and moment significantly decreased when the height of wind-break wall in the station was 3.5-4.5 m.

high-speed train； height of wind-break wall； station in wind zone

2015-06-15；

2016-10-12

高铁联合基金重点资助项目(U1134203;U1334205);湖南省自然科学基金资助项目(14JJ3028)和湖南省研究生科研创新资助项目(CX2015B046)

牛纪强(1988-),男,山东临沂人,中南大学博士生.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.02.019

U266.2;TU248.1

A

1003-5060(2017)02-0236-07