兰新二线防风明洞风载荷特性数值模拟

霍 卿,梅元贵



兰新二线防风明洞风载荷特性数值模拟

霍 卿,梅元贵*

兰州交通大学甘肃省轨道交通力学应用工程实验室, 甘肃 兰州 730070

本文应用SST-湍流模型模拟兰新二线防风明洞气动载荷特性，讨论了防风明洞毗邻建筑结构和远场地貌以及大风风向对气动载荷的影响。结果表明：明洞附近的类路堑地貌结构增强了明洞迎风侧和背风侧载荷分布的不均匀性；明洞承受最大风载荷位置均出现在以明洞中轴线和水平线为直角约60°~75°范围的迎风侧拱顶；75°风向角时升力、倾侧和扭转力矩最大；60°时明洞的仰俯效应最明显。研究结果能够真实反映防风明洞气动载荷特征。

防风明洞; 风载荷; 数值模拟

兰新第二双线铁路东起甘肃省兰州市，西至新疆乌鲁木齐市。全线经过的百里风区段全年8级以上大风天数均超过100 d，盛行风向主要集中在NNE（东北东）至NNW（北西北）[1,2]。为了保证列车的安全运行，在百里风区沿线设置了国内外首例防风明洞。既有国内对防风明洞的气动载荷研究仅以单一洞体为研究对象，没有考虑毗邻结构及地形地貌的影响[1,3]。国外方面，尚未见对类似防风明洞等建筑结构进行研究[4-6]。

本文通过三维数值模拟方法，考虑明洞本体及周边地形地貌及相邻挡风设施，对40 m/s盛行风速、15°~90°不同风向角下，百里风区防风明洞的表面风载荷及力学特性进行研究。分析结果能够为防风明洞强度校核和安全运营分析提供真实的参考依据。

1 防风明洞结构及计算模型

防风明洞全长1149 m，高10 m。近兰州端与吾普尔大桥相连，桥上设置挡风屏，桥梁另一侧与挡风墙和路基相连。近乌鲁木齐端设有柱板式挡风墙，挡风墙下设置路基结构，为减少网格量，本文采用防风明洞1:10计算模型。并以防风明洞缩尺高度（1 m）作为特征尺度H，整个计算域长200 H、宽40 H、高40 H。计算域保证了明洞附近的流动对边界无影响。如图1所示。模型中具体细节如图2所示，其中图（a）中表示风向角，U表示来流风向。

①:滑移壁面（横风） Sliding wall (crosswind)，入流边界（其余风向）Inflow boundary ( other wind directions); ②:滑移壁面（横风） Sliding wall (crosswind)，压力出口（其余风向） Pressure exit (other wind directions); ③:入流边界 Inflow boundary; ④:压力出口 Pressure exit

图 2 模型端口细节及风向角示意

2 数值计算方法及定解条件

2.1 控制方程及求解条件

本文中防风明洞内外部的空气按有粘气体处理，采用SST湍流模型数值求解防风明洞内外部的三维定常不可压缩湍流流动，壁面采用高+壁面处理。求解连续性方程、动量方程和SST湍流模型方程。

式中，上标“—、~”分别表示物理量的时均、质量加权平均和脉动量，、、U分别为空气的密度、压力（表压）、速度为平均运动的应力张量。

湍流的模拟采用SST模型，其控制方程为：

本文用SIMPLE算法求解压力速度耦合问题，各方程用中心差分格式离散扩散项，用MARS格式离散对流项；用代数多重网格法（AMG）求解离散的代数方程组。

2.2 边界条件与网格划分

本文模型中防风明洞、挡风墙和地面等为无滑移静止壁面。挡风屏按照多孔介质处理[7]。洞外开阔空间在横风条件下设置滑移静置壁面、速度入口和压力出口。其余风向角工况为速度入口和压力出口，如图1所示。本文缩比模型的计算网格采用非结构混合网格，其中外流场主要采用六面体核心网格（Trim网格），在明洞本体、挡风墙、桥梁、挡风屏等部件均采用棱柱网格（Prism网格），这样可以更好地模拟粘性占主导区域的流动[8]。为了保证棱柱网格和六面体核心网格间的良好过渡，在明洞模型表面的棱柱网格设置为6层，网格增长比为1.2，总体计算网格量达到5200万左右。

2.3 气动力系数与数值方法验证

风载荷作用于明洞结构时，明洞会受到来流气动力的作用。式（5）中C、C、C、C、C、C分别为阻力系数、侧向力系数、升力系数、倾侧力矩系数、俯仰力矩系数和扭转力矩系数；V为风速；和分别为明洞对应的固体壁面上各个网格单元所受到的合外力和力矩，下标，，表示气动力在笛卡尔坐标系各方向的分量；为参考半径，取明洞宽度；为明洞侧面积。

从大长细比的几何外形上比较，防风明洞与高速列车结构周围的流动相似，本文应用的模拟方法和网格布局与CRH380A高速列车1:8缩尺的风洞模型试验的结果进行对比，进而间接验证方法的合理性。数据来源于文献[9][10]。

表 1 试验值与计算值对比

表1给出了不同风向角下整车气动力学系数本文数值模拟结果与风洞试验结果的比较。从以上的数据对比结果可以看出，不同风向角下整车的阻力、侧向力和升力的数值模拟结果与试验结果吻合良好。证明本文网格布局及计算方法的可靠性。

3 防风明洞风载荷数值模拟

3.1 横风下防风明洞横向压力特征

图 3 明洞表面压力云图

图3（a）、（b）给出横风工况下防风明洞迎风侧与背风侧的压力分布云图，迎风侧通体呈正压特征，且由底部向拱顶处逐渐过渡成负压，负压极值出现在拱顶处。背风侧通体呈负压特征。观察明洞兰州端，由于洞体与周围的山丘地貌结构形成“路堑”结构，使得迎风侧正压区分布不均匀，且正压度较洞体中段略有减弱，背风侧的负压度增强。明洞中段路基两侧地势平缓，其正压和负压的分布均匀。

3.2 防风明洞周向压力分布特征

图 4 不同断面内外表面周向压力系数

对比三个断面内表面周向压力系数可知，在15°、30°两种小角度风向下，流体从明洞乌鲁木齐端流入并沿洞体向兰州端运动，使得明洞乌鲁木齐端内表面呈正压分布，且风向角越小正压度越大。但这种正压的趋势随着流体的运动逐渐减弱，并在兰州端恢复负压。其余风向角下明洞内表面均呈均匀负压分布，幅值随着风向角增大而增大。

3.3 风向角对防风明洞风载荷影响特性

防风明洞为预制拼接结构，拼接位置存在接缝。研究表明：拼接叠合的混凝土梁结构在发生疲劳破坏时，其拼接面以及附近位置的裂缝集中，说明拼接面的承载能力相对较为薄弱[11]。鉴于以上研究结果和3.2节分析结论，本节在三个断面明洞内外表面的迎风侧最大正压区（位置2）、拱顶最大负压区（位置4）、迎风、背风侧拱腰接缝处（位置3、5）和墙角接缝处取典型位置（位置1、6），如图5所示。在各种风向角下，对比三个断面各典型位置的内外表面载荷差值，即总载荷值，得出最不利位置。

图 5 断面测点位置

表 2 不同风向下明洞最可能出现疲劳破坏接缝的位置

表2给出了通过数值模拟得到的不同风向下，最容易出现疲劳的接缝位置。通过表的数据显示，在15°和30°小风向角时，最容易出现气动疲劳的接缝位置分别出现在在背风侧拱腰和迎风侧拱腰接缝处，而当风向大于等于45°时疲劳位置均出现在迎风墙角接缝处。

3.4 风向角对防风明洞气动力影响特性

不同风向影响下，风载荷对明洞本体的阻力、侧向力、和升力作用不同，同时对明洞产生的倾覆、仰俯和扭转效应影响也很大。图6（a）、（b）给出不同风向下明洞本体的阻力（方向）、侧向力（方向）、升力（方向）特性和倾覆力矩、仰俯力矩和扭转力矩特性。随着风向角的增大，明洞受到的阻力成线性减小，但减小的梯度不大。升力和侧向力随着风向角的增大呈增大趋势。当风向角75°时，升力为最大。横风时，侧向力达到最大。对于风向角对明洞气动力矩的影响，当风向角为60°时明洞的仰俯力矩为最大。风向角75°时倾侧和扭转效应最明显。

图 6 不同风向角明洞空气动力学系数

4 结语

关于兰新二线防风明洞的研究多是基于明洞单一本体进行的。本文在考虑毗邻结构和地形地貌、风向等因素的影响下，对防风明洞的风载荷特性进行了研究，研究表明，受到地貌及毗邻结构的影响，明洞不同位置受到的气动力特性也不同，地貌形成的路堑结构使明洞兰州端口正压减弱、负压增强且分布的不均匀性增强。风向的变化对于明洞端口的表面压力分布特性的影响更为明显，15°和30°风向改变了乌鲁木齐端口内表面的正压特性。在风向15°时和30°时最容易出现气动疲劳的接缝位置分别出现在在背风侧拱腰和迎风侧拱腰接缝处，风向大于等于45°时疲劳位置均出现在迎风墙角接缝处；当风向角为60°时明洞的仰效应最明显，风向角为75°时倾侧和扭转效应最明显。本文得到较真实防风明洞的风载荷特性，能够为明洞的抗风补强设计及安全运营提供依据。

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Numerical Simulation for Wind Load Characteristics of Anti-wind Tunnel on Round-trip Railways of Lanzhou-Xinjiang

HUO Qing, MEI Yuan-gui*

730070,

The aerodynamic characteristics of the anti-wind tunnel on Lanzhou-Xinjiang high-speedrailway under constant-velocity cross-wind was studied using SST-turbulence model with considering of the effect of the adjacent buildings and far field effect of landform and different directions. Research shows that the landformwhich similar to the road cut structure enhanced the uneven distribution of the load on the upwind side and the leeward side of anti-wind tunnel. The maximum wind load location is on the top of the upwind side between the axis and the horizontal line in about 60°~75°range under all wind directions. It is pointed The lift, overturning moment and torsion effect of the anti-wind tunnel is maximum at 75°wind angle. The pitching effect is obvious at 60°wind angle. The results can reflect the reality aerodynamic load characteristics of the anti-wind tunnel.

Anti-wind tunnel; wind load; numerical simulation

U270.1

A

1000-2324(2018)05-0800-05

10.3969/j.issn.1000-2324.2018.05.015

2017-06-10

2017-08-23

中国铁路总公司兰新铁路第二双线大风条件下行车安全专项试验(Z2014-034)

霍卿(1984-),男,博士研究生,主要从事高速列车空气动力学研究. E-mail:813956241@qq.com

通讯作者:Author for correspondence. E-mail:meiyuangui@163.com