风屏障对平层公铁桥上列车气动特性影响的风洞试验研究

刘叶　韩艳　胡朋　李凯　蔡春声　 何旭辉

摘要： 基于列车测压试验，以平层公铁桥梁和CRH2列车为背景，分析了风屏障对平层公铁桥上列车表面风压分布的影响，研究了有无风屏障时列车表面压力以及气动力的跨向相关性的变化规律。研究结果表明：设置风屏障后，列车迎风面与背风面、顶面和底面风压差随风屏障透风率的减小而减小，使得列车总体侧力和升力减小，风屏障透风率为20%时，列车表面脉动压力分布较均匀，有利于桥上列车运行时的安全与舒适。风屏障的防风效果不会随着风屏障高度的增加一直变好，透风率为40%时，风屏障存在一个最优高度3.5 m。风屏障透风率对列车迎风面以及顶面圆弧过渡段表面风压的影响明显大于高度。设置风屏障后，列车底面和背风面测点压力跨向相关性更好，风屏障的挡风效应增强了这两部分展向流场的一致性，使流体的脱落点更一致。随着跨向间距的增大，气动力的相关性越来越差，风屏障对气动力的跨向相关性较无风屏障时弱，设置风屏障时跨向间距超过5倍列车高，气动力完全不相关。

关键词： 风屏障; 风洞试验; 平均风压; 脉动风压; 跨向相关性

中图分类号： U448.12; TU317.1    文献标志码： A    文章编号： 1004-4523（2022）02-0284-13

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2022.02.004

引  言

随着列车轻质量、高速度的发展，使得其对横风的作用更加敏感。已有研究表明，横风下列车在桥上行驶所受风荷载要大于列车单独存在时的风荷载，列车在桥上行驶相对较危险，需引起重视。在桥面两侧设置风屏障能有效改善列车在桥上行驶时的风环境，提高列车的临界风速，是解决桥面行车安全和舒适性问题的主要手段。为提高桥梁通行能力，缓解交通压力，大跨度跨江、跨海大桥通常采用公铁两用的结构形式，常见的公铁两用大桥主要为分层或分离式结构，针对公铁平层大跨度桥梁的研究还很缺乏。

目前，国内外研究者通过风洞试验和数值模拟方法对风屏障的防风效果进行了大量的研究。董香婷等利用数值模拟方法，对列车在侧风下的三维绕流情况进行了分析，研究了有无风屏障时列车表面的压力分布、流线以及气动力。Telenta等通过CFD数值模拟，分析了风屏障的障条倾斜角度对车辆气动特性的影响情况，并以车辆所受最小侧向力为目标，对障条间距及倾斜角度进行了优化。王玉晶等采用节段模型风洞试验，分析了不同行车工况、不同线路构造形式，设置了单、双侧风屏障后车辆和桥梁的三分力系数，解释了风屏障⁃车⁃桥系统气动绕流机理。项超群等利用流体计算软件FLUENT计算了不同风屏障高度下桥上列车的气动力系数，研究了列车周围流场静压和速度分布。何旭辉等基于风洞测压试验与流体力学理论，分析了风屏障对车桥系统下列车的风压分布情况以及气动力分布特征，并解释了风屏障的气动效应机理。Zhang等利用CFD数值模拟方法对风屏障的选型进行了研究，分析了简支箱梁桥桥面以上高度的风速分布规律，在此基础上给出了评价风屏障防风效果的建议指标以及风屏障的合理高度和孔隙率。向活跃等利用风洞试验和数值模拟两种方法，对风屏障作用下桥梁和列车的气动特性进行了系統分析，研究了不同风屏障高度和透风率下轨道上方的流场分布和车辆风荷载，并通过移动列车风洞试验，对装有风屏障的桥上列车气动性能进行了研究，分析了不同风屏障高度和风向角对列车风荷载的影响，并对风屏障的防风性能进行了评估。Hrvoje Kozmar等为确定高架桥道路防风屏障的最佳气动设计，在边界层风洞中研究了风屏障的挡风效率，分析了风攻角对风屏障后流场特性的影响，采用粒子成像技术（PIV）研究了风屏障的高度和透风率。这些研究仅针对线路下部结构为路基或典型高铁高架桥断面，主要通过车辆整体平均气动力或测试线路上方流场来评估风屏障的防风效果，对于平层公铁桥梁这种特殊线路构造形式下的列车表面风压分布研究鲜有报道。

徐志豪通过风洞测压试验，研究了双主梁断面形式的Stonectters大桥抖振力的展向相关性，分析了开槽间距以及紊流度对抖振力跨向相关性的影响规律。Nagao等通过测量两个不同形状平板的表面压力，研究了气动力空间相关性与来流空间相关性的关系。廖海黎等通过对流线箱型桥梁断面进行风洞测压试验，研究了紊流积分尺度对桥梁断面抖振力相关性的影响，得到了紊流积分尺度与桥梁断面的三维气动导纳以及跨向相干函数的经验公式。Miyata等通过现场实测，对明石海峡大桥风场及响应进行了研究，并将脉动风的相关性与抖振力的空间相关性进行了对比分析，得出了低频区抖振力的空间相关性逐渐变差的结论。马存明等利用风洞试验，研究了两种大气紊流场下桥上列车的气动力，考虑紊流度、攻角以及列车位置等因素，对列车抖振力的跨向相关性进行了分析。大量针对空间相关性的研究主要集中在桥梁等相关结构，关于列车断面气动力的跨向相关性研究非常少，进而考虑风屏障的影响研究更加缺乏。

因此，本文以平层公铁桥梁和CRH2列车为背景，对风屏障作用下某公铁平层大跨度斜拉桥上列车表面平均压力、脉动压力分布以及气动力跨向相关性进行研究，探究风屏障对列车气动特性的影响机理。