单线路堤上挡风墙高度研究

高广军，段丽丽

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

摘  要：采用数值模拟计算的方法，对单线路堤上不同高度单、双侧挡风墙对列车气动性能的影响进行研究。研究结果表明：安装挡风墙后，车辆的气动力系数远远小于无挡风墙时的气动力系数，车辆的迎风面受到的压力由大部分正压转变为大部分负压，车辆顶部受到的负压明显减小；挡风墙的不同高度对车辆的气动性能有明显影响，挡风墙高度较低时，横向力系数为正值，随挡风墙高度的增加而减小，达到一定高度后，由正值变为负值，而倾覆力矩系数则正好相反；对于单侧挡风墙，在挡风墙高度为1.85 m时，车体的倾覆力矩系数为0，其合理高度应为1.85 m；对于双侧挡风墙，当挡风墙高度为2.00 m时，倾覆力矩系数为0，因此，挡风墙合理高度为2.00 m。

关键词：挡风墙；路堤；气动性能；数值模拟

中图分类号：U270.1          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2011)01-0254-06

Height of wind barrier on embankment of single railway line

GAO Guang-jun, DUAN Li-li

(Key Laboratory of Traffic Safety on Track of Ministry of Education, School of Traffic & Transportation Engineering,

 Central South University, Changsha 410075, China)

Abstract: The effect of different heights of wind barrier on double-side or single side of embankment to train aerodynamics performance was researched by numerical simulation. The results show that when wind barrier is installed, train aerodynamic coefficients are much less than those without wind barrier and that the pressure on windward surface of train changes from positive to negative, and negative pressure on roof of train decreases obviously. Different heights of wind barrier have great effect on train aerodynamic performance, the side force coefficient of train is positive when wind barrier is lower and its value decreases with the increase of height of wind barrier and it changes to negative when the height reaches certain height, while it is directly opposite to the overturning moment coefficient of train. To the single wind barrier, when its height is 1.85 m, train’s overturning moment coefficient is almost equal to 0, so its reasonable height should be 1.85 m, while to the double-side wind barrier, when its height is 2.0 m, train’s overturning moment coefficient is almost equal to 0, so its reasonable height should be 1.85 m.

Key words: wind barrier; embankment; aerodynamic performance; numerical simulation

在风区地段，大风受到路堤的阻滞，在路堤上会发生明显增速效应^[1]，且路堤越高，增速效应越明显。根据对兰新线上历年来的事故调查分析，事故均发生在路堤地段^[2]，事故车辆甚至包括1节50 t重棚车。为了预防事故的发生，文献[3-4]采用车辆一线和二线上车辆的倾覆力矩系数之和为最小的方法研究了兰新线上挡风墙合理高度；文献[5]介绍了兰新线上土堤式、加筋土式、砼枕直插式和砼板式挡风墙的防风性能；文献[6]采用风洞试验和数值模拟计算的方法研究了南疆线(乌鲁木齐—喀什)桥梁上透风式挡风墙的气动性能。实际上，兰新线(兰州—乌鲁木齐)风区位于戈壁滩地段，大风经常卷起地面的沙子，会击碎车窗玻璃，为此，兰新线挡风墙的实际高度设定为3.0 m^[7]，正好位于客车车窗玻璃上方。同时，兰新线上的风为季风，风向较为稳定，因此，兰新线修建的是单侧挡风墙。而实际上我国地域广阔，气象条件各异，如青藏线沿线年大风日为115~160 d，最大风速达20~28 m/s^[8]，历史上极端最大风速在31 m/s 以上, 安多地区达38 m/s^[9]。为了防止大风引起的事故发生，许多国家都在大风地区修建了挡风墙^[10-12]，但国外线路主要是针对客车，而非针对货车。我国的线路多为客货混跑线路，且棚车的临界倾覆风速较低，因此，对风速较大而沙害较小的地区，可以针对棚车设计挡风墙。在此，本文作者针对单线路堤上的单侧和双侧挡风墙的合理高度进行研究。

1  计算模型与边界条件

1.1  计算模型

由于棚车的临界倾覆风速最低，只有30 m/s^[13]，因此，应当以棚车是否会倾覆为标准来设计挡风墙。本文采用二维模型研究路堤上挡风墙高度对气动力系数的影响。若取车体的宽度l=2.8 m，横风风速采用标准风速u₁₀(即参考高度Z₁₀=10 m处的风速)^[14]，u₁₀=35 m/s，空气在20 ℃时的运动黏度ν=15.08×10^-6 m²/s，则雷诺数Re=u₁₀l/ν=6.50×10^-6，列车周围的流场呈湍流状态。湍流模型采用κ-ε双方程，控制方程组见文献[15]。

本文研究了车体在不同高度挡风墙下的横向力系数、升力系数和倾覆力矩系数，其系数表示为：

               (1)

其中：C_S为气动横向力系数；C_L为气动升力系数；C_M为倾覆力矩系数；F_S为气动横向力；F_L为气动升力；F_M为倾覆力矩，原点位于轨道中心线处；ρ为空气密度，ρ=1.225 kg/m³；A为车辆单位长度侧向投影面积，A=4.063 m²；H为挡风墙参考高度，H=1.0 m。

1.2  计算区域及边界条件

车体底面距轨面的距离为1.3 m。为便于设定入口以及出口边界条件，计算区域上游入口处和下游出口处都尽量远离车体，避免受来流或尾流的影响，计算区设定为150 m×100 m(长×高)，见图1，车体距入口50 m。入口采用标准风速，即u=(Z/Z₁₀)^αu₁₀(式    中：u为高度Z处的风速；u₁₀=35 m/s；α为速度型指数，选取B型地面类型(田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区)，则α=0.16^[14])。出口设为压力出口，静压为0 Pa；车体、地面以及计算区域上边界均设为无滑移的光滑壁面边界条件。采用三角形单元进行离散，考虑到车体表面的黏滞气流，在车体表面加了附面层，同时，对车体表面进行加密处理，以增加计算的准确度。车体表面附近网格示意图见图2。

图1  计算区域

Fig.1  Calculation region

图2  车体表面附近网格

Fig.2  Mesh near train surface

2  计算工况

在既有线路下研究挡风墙的设置。既有线路堤顶面最大宽度为7.1 m。为了避免挡风墙侵入车辆限界，挡风墙设置在距轨道中心3.2 m处。挡风墙的形式包括土堤式、加筋土式、砼枕直插式和砼板式挡风墙。其中，砼枕直插式为卸风式挡风墙，在大风情况下，该挡风墙背后有可能集沙，为此，乌鲁木齐局对砼枕直插式挡风墙进行了改造，对缝隙进行了填充。本文仅以挡风式挡风墙为基础来研究挡风墙的优化。对于风向变化不大的地方可以采用单侧挡风墙，而对于风向变化较大的地方可以设置双侧挡风墙。文中单侧挡风墙高度H分别选取1.5，1.9，2.1和2.3 m，双侧挡风墙高度H分别选取1.9，2.1，2.3，2.5和2.7 m。路堤上单侧、双侧挡风墙模型及坐标定义分别见图3和图4。为了对比挡风墙的挡风效果，同时计算了没有挡风墙时的气动力系数。

图3  路堤上单侧挡风墙设置及坐标定义

Fig.3  Single-sided wind barrier on embankment and its coordinate definition

图4  路堤上双侧挡风墙设置及坐标定义

Fig.4  Double-sided wind barrier on embankment and its coordinate definition

3  计算结果

3.1  气动力系数计算结果

根据式(1)计算车辆的气动力系数。在无挡风墙时，气动横向力系数C_S为2.13，升力系数C_L为1.76，倾覆力矩系数C_M为-5.03。单侧挡风墙时车辆的气动力系数与挡风墙高度关系见图5，双侧挡风墙时车辆的气动力系数与挡风墙高度关系见图6。

图5  单侧挡风墙时气动力系数与挡风墙高度的关系

Fig.5  Relationship between train aerodynamic coefficients and height of single-sided wind barrier

图6  双侧挡风墙时气动力系数与挡风墙高度的关系

Fig.6  Relationship between train aerodynamic coefficients and height of double-sided wind barrier

从图5可以看出：当采用单侧挡风墙时，随着挡风墙高度的增加，气动横向力系数迅速降低；当挡风墙的高度约为1.65 m时，车体的横向力系数变为0，之后方向发生改变，其值又迅速增加；升力系数随挡风墙高度的变化不敏感；在挡风墙高度为1.50 m时，车辆的倾覆力矩系数为负值(向挡风墙倾覆)；随着挡风墙高度的增加，倾覆力矩系数单调增加，在高度为1.85 m，倾覆力矩系数变为0，之后变为正值(背离挡风墙倾覆)。由于车体的倾覆主要是由倾覆力矩引  起，因此，当采用单侧挡风墙时，挡风墙的合理高度为1.85 m。从图6可以看出：当采用双侧挡风墙    时，横向力系数随着挡风墙高度的增加迅速降低，在高度为1.80 m时横向力系数几乎为0，之后方向发生改变并迅速增加；升力系数随挡风墙高度的变化不明显；倾覆力矩系数随挡风墙高度的增加迅速降低，当挡风墙高度为2.00 m时，倾覆力矩系数几乎为0。因此，当采用双侧挡风墙时，合理高度为2.00 m。

从图5和图6可以看出：与无挡风墙相比，安装合适高度的挡风墙后，车辆的气动横向力系数和倾覆力矩系数几乎都可以降低到0。可见：挡风墙具有优越的防风性能；当挡风墙高度较低时，在同样高度挡风墙的情况下，单侧挡风墙时车辆的横向力系数和倾覆力矩系数均比双侧挡风墙时的低，同时，安装双侧挡风墙后车辆的升力系数明显减小，这说明背风侧挡风墙对车辆周围的流场结构影响较大。

3.2  车体表面压力分布

由于车辆受到的气动力和力矩均是由车辆表面的分布压力经积分合成得到的，因此，车体表面压力分布不同是造成气动力变化的主要原因。为了对比分析，本文仅给出了当单侧和双侧挡风墙高度H＝1.90 m和没有挡风墙时车体的周围流场和车体表面的压力分布，周围流场分布见图7~9，车体表面压力分布见图10~12。

图7  无挡风墙时流场结构

Fig.7  Fluent structure without wind barrier

图8  单侧挡风墙时流场结构

Fig.8  Fluent structure with single-sided wind barrier

图9  双侧挡风墙时流场结构

Fig.9  Fluent structure with double-sided wind barrier

图10  无挡风墙时压力分布

Fig.10  Pressure distribution without wind barrier

图11  单侧挡风墙时压力分布

Fig.11  Pressure distribution with single-sided wind barrier

从图7可以看出：没有挡风墙时，在车体的迎风面基本为正压，在车体的背风面有1个较大的漩涡，车体顶部和底部空气流速加快，在车体的顶部还形成1个漩涡。从图8可以看出：在迎风侧安装挡风墙后，在挡风墙后产生较强的漩涡，形成负压区；在背风面产生了2个漩涡，也产生负压区；此外，由于受到挡风墙的阻滞，车体顶部的漩涡要比无挡风墙时的漩涡小。从图9可以看出：在两侧装挡风墙后，车体迎风面、车顶和车底处的流场与单侧挡风墙时的流场基本一致；但在背风侧，底部的空气受到下游挡风墙的影响，气流流向上方并产生了1个较弱的漩涡，车体底部上升的气流和顶部的气流最终在下游挡风墙的外侧形成1个较强的漩涡，因此，安装挡风墙后车体周围的流场发生了明显的改变。

图12  双侧挡风墙时压力分布

Fig.12  Pressure distribution with double-sided wind barrier

从图10可看出：在无挡风墙时，车体的迎风面是正压力，但压力较小；背风面承受的是负压且压力较大，因此，车体受到的横向力主要是由迎风面的正压力和背风面的负压产生的；此外，车体的顶部迎风侧有较大的负压，而底部也是负压但压力较小，因此，车体受到较大的正升力的作用。从图11可以看出：安装单侧挡风墙后，虽然挡风墙以上小部分为正压区，但车体的迎风面挡风墙高度以下变为较强的负压区，因此，车体受到的横向力相对于无挡风墙时明显减小；同时，在安装挡风墙后，车辆顶部的负压降低，而车辆底部的负压升高，车辆受到的升力减小。从图12可以看出：安装双侧挡风墙后，由于受背风侧挡风墙的影响，车辆迎风侧挡风墙高度以下车体表面的负压降低，而背风侧受挡风墙的影响负压升高，因此，车辆受到的横向力与单侧挡风墙相比增大，同时，车辆底部的高负压区的面积增大，车辆受到的总升力降低。

4  结论

(1) 安装挡风墙后，车辆的气动力系数远远小于无挡风墙时的气动力系数。

(2) 安装挡风墙后，车辆的迎风面受到的压力由大部分正压转变为大部分负压，车辆顶部受到的负压明显减小。

(3) 当安装挡风墙后车辆受到的横向力系数有明显改变，挡风墙高度较低时横向力系数为正值，其值随挡风墙高度的增加而减小，达到一定高度后由正值变为负值。

(4) 在风速一定时，对于同样高度的单侧挡风墙和双侧挡风墙，其迎风面、车顶和车底的压力分布基本相同，但对于双侧挡风墙由于受背风侧挡风墙的影响，车体迎风面及背风面负压力明显小于单侧挡风墙时车体表面压力，因此，车体的横向力系数和倾覆力矩系数增大；同时，车体顶部底部的负压升高，车辆的气动升力系数减小。

(5) 对于单侧挡风墙，其合理高度为1.85 m；对于双侧挡风墙，其合理高度为2.00 m。

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(编辑 陈灿华)

收稿日期：2009-10-12；修回日期：2010-01-15

基金项目：国家支撑计划项目(2006BAC07B03)

通信作者：高广军(1973-)，男，河南安阳人，副教授，从事列车空气动力学研究；电话：0731-82655294；E-mail: gjgao@mail.csu.edu.cn