曲线式挡风墙对桥上CRH1 型高速列车 横风气动特性的影响

黄莎，李志伟，车正鑫，黄殿浪，易小霞

（五邑大学轨道交通学院，广东江门529020）

我国铁路沿线气候环境复杂多变，当列车快速穿越风区时，其气动性能显著恶化，产生较大的倾覆力矩，容易导致脱轨或倾覆，威胁旅客乘车安全. 尤其随着我国城际铁路建设的迅猛发展，大量桥梁工程必然随之出现，当高架上运行列车遭遇恶劣风环境时，周围扰流流场更加剧烈，横向稳定性急剧恶化，失稳脱轨概率大大增加，英国铁路空气动力学专家Baker 对不同承载结构上列车气动性能进行比较分析，发现列车在桥梁上受到的气动力大于平地上的[1-4]，列车吹落桥下带来的二次冲击伤害，将造成更加严重的伤亡事故. 为了保证列车在大风环境下安全运行，常采用减速运行或者停车的方案，但这极大地降低了高速铁路的运输效率. 另外一种解决方案是在轨道沿线建设挡风墙，该方案可以有效保证列车的运行效率. 中南大学牛继强等[5]采用数值模拟的方法对风区车站内现有挡风墙高度进行了优化，得到了最佳防风效果的挡风墙高度；中国铁道科学研究院何德华等[6]研究了路堤和梁桥两种线路条件下挡风墙结构对列车气动性能的影响，提出开孔式挡风墙能够有效改善列车气动性能；西南交通大学杨斌等[7]对铁路沿线直立式挡风墙的合理位置和合理高度进行了研究，对于环境风较大的区段提出了设置防风走廊或防风明洞等其他防风设施的建议. 然而，现有研究大多以直立式挡风墙为主[8]，曲线式挡风墙的研究鲜有记载. 为了探索曲线式挡风墙的防风效果，本文采用数值模拟的方法，对不同高度和不同弯曲程度曲线式挡风墙作用下桥上运行高速列车的横风气动特性开展研究，旨在得到曲线式挡风墙设计参数匹配曲线，以期为高架桥上防风设施的设计提供理论依据.

1 数值计算模型

1.1 几何模型

选择三车编组CRH1 高速列车为研究对象，对模型中转向架、受电弓、车体表面部件进行了简化. 高架桥采用双线桥梁，距离地面10 m，CRH1 型高速列车位于高架桥迎风侧，列车与桥梁模型见图1-a. 设计如图1-b 所示的曲线式挡风墙， H 表示挡风墙高度，则曲线式挡风墙半径为 /2H ；定义参数α 为曲线式挡风墙的弯曲程度，且

图1 挡风墙截面图

1.2 计算区域及边界条件

车外流场的数值模拟中，常需要将实际问题的无限空间转化为具有一定大小的有限计算区域. 为了保证列车周围流场的充分发展、避免尾流对边界的影响，计算区域的尾部端面应尽可能远离列车尾部. 如图2 所示，高架桥顶面距离地面的高度为10 m，车体底面与桥面相距0.2 m，速度入口 1-（面ABCD）距离列车车头100 m，压力出口 1- （面EFGH）距离列车尾端223 m；横向方向上，速度入口2- （面BFGC）距离列车迎风侧100 m，压力出口2- （面AEHD）距离列车背风侧200 m；计算区域高90 m，使流场在有限的计算空间内充分发展. 因此，本文数值计算区域的长、宽、高分别为400 m、300 m、90 m.

图2 计算区域及边界条件

1.3 计算网格

采用结构化网格对计算区域进行离散，车体附近采用密网格，远离车体的网格比较稀疏，疏密网格间采用适当的增长因子均匀过渡. 列车表面附面层内流速梯度大，需对边界层区域内的网格进行特殊处理. 为了能够更加精确地模拟附面层内空气流动，在列车表面建立30层附面层网格，第一层网格厚度设置为0.001 m，通过试算的y+平均值为40左右，满足湍流模型y+数值控制在30 ～300 之间的要求，计算网格如图3所示。

图3 计算网格

2 无挡风墙时列车周围流场分布特性

图4 给出了无挡风墙时，中间车长度中心横截面压力、速度云图以及流线图. 从图中可知：横风直接作用在车体和高架桥的迎风面上，在车体和高架桥的迎风侧形成正压，来流风受高架桥的阻碍后发生分离，一部分气流直接向上游发展，使得车体迎风侧较低处没有直接受到横风的作用，气体被吸走，在此处形成一个较小的漩涡；从速度矢量图中可以看到，有漩涡的地方，气体的流动是不定向的；气流越过列车顶面和桥梁底部发生分离，在车体背风侧靠近车体底部的位置形成一个较小的漩涡，在高架桥的背风侧高、低两处各形成一个较大的漩涡. 车体的背风侧受漩涡的影响形成负压区，车体迎风侧和背风侧存在压差，使得车体受到较大横向力作用，这是致使列车发生倾覆的一个关键因素；此外，车体顶部和车体底部的气流速度加快，分别在车体顶部和底部形成一个负压区，但是车体顶部的气流速度比车体底部的气流速度快得多，使得车体顶部的负压比车体底部的负压大，因此车体受到较大的正升力，这是造成车体发生倾覆的另一个关键因素.

图4 无挡风墙时，列车周围的流场结构

无挡风墙时，三车编组CRH1 型城际列车以200 km/h 速度在50 m/s 横风作用下运行时，其受到的横向力为181kN、升力为795 kN、倾覆力矩为 - 8 50 kN ⋅ m.

3 曲线式挡风墙对列车横风气动特性的影响

为了便于分析，将列车横截面划分为如图5 所示的4 段，其中A—B 段为迎风段，B—C 段为顶段，C—D段为背风段，D—A 为底段.

3.1 列车周围流场分布特性

图6 和图7 给出了设置不同高度和不同弯曲程度曲线式挡风墙时，列车长度中心横截面的压力云图分布与流线图；图8 为列车长度中心横截面的表面压力展开图.

图5 列车长度中心横截面线分段示意图

图6 不同高度和不同弯曲程度曲线式挡风墙下，列车中心横截面压力云图

图7 不同高度和不同弯曲程度曲线式挡风墙下，列车中心横截面流线图

图8 不同高度和不同弯曲程度曲线式挡风墙下，列车中心横截面表面压力展开图

从以上3 图可以看出：当挡风墙高度H 为2 m 和3 m 时，随着弯曲程度α 的增大，列车迎风侧以及背风侧的涡旋减弱，A—B 段和C—D 段所受负压值逐渐减小，但是迎风侧减小的幅度较大，导致中车受到逐渐减小的反方向的侧向力；但当挡风墙高度H 为4 m 和4.5 m 时，随着弯曲程度α 的增大，列车迎风侧A—B 段负压值逐渐增大，背风侧C—D 段负压值逐渐减小，导致中车受到的反正侧向力逐渐增大；当挡风墙高度增大到5 m 时，迎风侧和背风侧的负压值亦随弯曲程度α 的增大而减小，且迎风侧和背风侧的负压减小程度相近，因此侧向力随弯曲程度α 变化较小.

当挡风墙高度为2 m 和3 m 时，随着弯曲程度α 的增大，列车顶面B—C 段负压值逐渐增大，底面D—A 段负压值逐渐减小，因此列车受到逐渐增大的向上的正升力；但当挡风墙高度H 为4 m 和4.5 m 时，随着弯曲程度α 的增大，列车顶面B—C 段负压值逐渐减小，底面负压值逐渐增大，因此列车受到逐渐增大的向下的负升力；当挡风墙高度增大到5 m 时，列车顶面 B—C 段和底面 D—A段的负压值均随弯曲程度α 的增大而减小，且顶面和底面负压减小程度相近，因此升力随弯曲程度α 的变化较小.

3.2 列车气动载荷分析

图9 给出了设置不同高度曲线式挡风墙后，横风作用下列车所受到的侧向力、升力和倾覆力矩随弯曲程度α 的变化规律：

1）就侧向力而言，设置0＜ α＜ 1、3 m＜ H＜5.5 m 挡风墙时，列车整车侧向力均为负值，即列车受反向侧向力影响；挡风墙高度大于4 m 后，列车所受到的侧向力绝对值随挡风墙弯曲程度α 的增加而增大，随挡风墙高度H 增加而减小；设置弯曲程度0＜ α＜2/3的3 m 高挡风墙侧向力值最大，防风性能最差；而对于H=2 m的挡风墙，弯曲程度α 较小时，侧向力为负值，随着α 的增大，侧向力绝对值逐渐减小，当α 增大到2/3 ～1之间时，侧向力趋近于0 后开始增大为正向侧向力. 若仅考虑侧向力，设置弯曲程度2/3＜ α＜ 1的2 m 挡风墙，或设置弯曲程度0＜ α＜2/3的5.5 m 挡风墙最佳.

2）就升力而言，设置H=2 m挡风墙，列车升力为正值，且随着弯曲程度α 的增加而增大；挡风墙高度大于2 m 后，升力均为负值，除3 m 挡风墙外，升力绝对值均随弯曲程度α 的增加而增大，其中5.5 m 挡风墙升力绝对值最小. 若仅考虑升力特性，设置弯曲程度0＜ α＜2/3的5.5 m 挡风墙最佳.

图9 不同挡风墙高度，列车所受气 动载荷随弯曲程度α 的变化规律

3）就倾覆力矩而言，当挡风墙高度大于3 m 时，列车所受到的倾覆力矩为正值，即逆风倾覆；当挡风墙高度H =3 m ，弯曲程度0＜ α＜1/3时，列车倾覆力矩随弯曲程度α 的增加而增大，弯曲程度1/3＜ α＜ 1时，倾覆力矩逐渐减小；当挡风墙高度大于3 m 时，列车倾覆力矩随弯曲程度α 的增加而增大，随挡风墙高度的增加而减小；当挡风墙高度H=2 m，弯曲程度0＜ α＜1/3时，列车倾覆力矩由正值逐渐减小到0，随后反向增加，并随着弯曲程度的增加而增大. 若仅考虑列车倾覆力矩，设置弯曲程度α 接近1/3 的2 m 挡风墙，或设置弯曲程度0＜ α＜2/3的5.5 m 挡风墙最佳.

3.3 最优的曲线式挡风墙参数

影响列车横风运行安全性最关键的参数是倾覆力矩，表1 给出了不同高度和不同弯曲程度曲线式挡风墙作用下，CRH1 型列车整车受到的倾覆力矩.

表1 不同高度和弯曲程度曲线式挡风墙作用下，CRH1 型列车的倾覆力矩kN m⋅

根据表1 得到横风环境下，不同高度和不同弯曲程度曲线式挡风墙作用下CRH1 型列车受到的倾覆力矩随挡风墙高度H 和弯曲程度α变化三维曲面，如图10 所示. 当倾覆力矩趋近0 时，列车横风安全性越好，图中标示出整车受到的倾覆力矩等于0 时的等值线，并将其投影至H-α平面，得到图11 中所示H-α匹配曲线，该曲线可为桥上曲线式挡风墙的设计提供理论依据.

图10 曲线式挡风墙下，列车所受倾覆力矩随 挡风墙高度H 和弯曲程度α 变化的三维曲面

图11 列车所受倾覆力矩三维曲面H α- 投影图

4 结论

围绕铁路行车安全主题，本项目提出了一种新型桥上曲线式挡风墙，采用数值模拟的方法研究了曲线式挡风墙高度H 和弯曲程度α 对列车横风气动特性的影响规律，并得到H α- 匹配曲线，为桥上曲线式挡风墙的设计提供理论依据. 该曲线表明设计具有一定弧度的高度低于2.5 m 的矮挡风墙亦可具有良好的防风效果，从而降低防风设施建设成本，对提高高速铁路运输安全性和经济性具有重要的工程意义.