DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2018.05.034

高速铁路挡风墙防风特性风洞试验及优化比选

李鲲，梁习锋，杨明智

(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：基于列车穿越大风区时其气动力显著增大，可能导致列车脱轨及倾覆等事故，采用风洞试验方法研究不同高度挡风墙下动车组气动特性和触网处风速，分析大风环境下高速铁路挡风墙的防风效果进而比选确定挡风墙结构主要参数。研究结果表明：动车组在平地情况下的升力系数、侧力系数和倾覆力矩系数随侧滑角的增大而增大；当设置2.5 m高挡风墙时，动车组的升力系数、侧力系数和倾覆力矩系数的绝对值均大幅度降低；当挡风墙增高至5.0 m时，对动车组有一定的防护作用，但其防护性能比2.5 m高挡风墙的防护效果差；设置2.5 m高挡风墙对接触线有一定防护效果，5.0 m高挡风墙使得接触线和承力索处的风速均大幅度下降，最小降幅达到55%，说明5.0 m高挡风墙对接触网有更好的防护作用。综合考虑挡风墙对动车组倾覆的安全防护、接触网的防护及其自身加强措施、结构的经济合理性，建议大风区高速铁路挡风墙的合理高度为轨面以上2.5 m。

关键词：大风；风洞试验；挡风墙；气动力系数；接触网

中图分类号：U216.41⁺3        文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2018)05-1297-09

Anti-wind aerodynamic performance of high-speed train and wind-break wall optimization

LI Kun, LIANG Xifeng, YANG Mingzhi

(Key Laboratory of Traffic Safety on Track, Ministry of Education, School of Traffic & Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Abstract: When a train runs in strong wind area, the flow field around the train changes dramatically and accidents including derailment and overturning may happen. In order to study the coupling aerodynamic performance between the train model and the wind-break wall, and determine the optimized design parameters of the wind-break wall, wind tunnel tests were carried out to analyze the aerodynamic performance of train and velocity distribution around contact wire in this study. The results show that the lift coefficient, lateral force coefficient and moment coefficients increase with the increase of yaw angle, and the absolute values of them are greatly reduced when the wind-break wall with height of 2.5 m is built. When the wind-break wall height reaches 5.0 m, the protective effect is obvious but weaker than that of the 2.5 m windbreak wall. The dimensionless velocity of the contact wire at height of 5.0 m from the top of rail (TOR) significantly reduces when the wind break wall with height of 2.5 m is built. When the height of the wind-break wall increases to 5.0 m, the dimensionless velocities of both contact wire and messenger wire reduce significantly with the minimum decreasing amplitude of 55%.Therefore, the 5.0 m wind-break wall has better protective effect on the catenary. Considering the safety of the high-speed train and the catenary, and combining the wind-break wall self-strengthening and construction cost, the reasonable height of the wind-break wall is suggested to be 2.5 m high from the TOR.

Key words: strong wind; wind tunnel test; wind-break wall; aerodynamic force coefficient; contact wire

列车在大风区运行时，其绕流流场明显改变，使得气动力显著增大，易导致列车脱轨及倾覆等事故发生，并经常造成列车停运或限速运行^[1-2]。随着列车提速和高速客运专线的建设，强风作用下列车的运行安全问题日益突出。在强风作用下，列车空气动力性能恶化^[3]。我国青藏、新疆铁路处于极端恶劣风环境下，常常发生突发性大风自然灾害，由于特殊的地形、地貌环境，形成了约 150 km 兰新(兰州—新疆乌鲁木 齐)铁路百里风区、南疆铁路前 100 km 风区、青藏铁路 900 余 km 长距风区^[4]。2007-02-27，由新疆乌鲁木齐开往阿克苏的列车行至“三十里风区”时遭遇13级大风，第9至第19节车厢脱轨并瞬间倾覆，造成4名旅客死亡，30名旅客受伤，1 000余名旅客被困在车内，南疆铁路被迫中断^[5]。兰新线百里风区几乎每年会出现速度超过40 m/s的大风，实测最大风速(瞬时)可达64 m/s，由此导致的问题给铁路运输带来了巨大的经济损失和严重的社会影响^[6]。对防风结构进行针对性研究以解决防风技术难题，这对大风区高速铁路的运输安全有极其重大的意义。国内外学者对车-防风系统气动特性进行了大量研究。 BAKER等^[7]采用全尺寸试验和风洞试验方法对横风作用下列车上的气动特性进行了研究，并指出在风洞试验中需要模拟表面粗糙度的影响；BROCKIE等^[8]阐释了列车表面摩擦阻力及总气动阻力对雷诺数的依赖性，但在全尺寸下列车复杂的流场会影响对其量化的准确性；AVILA-SANCHEZ等^[9]在风洞中，利用PIV技术，分析了横风作用下，带挡风墙的铁路桥梁周围的流场特性；MARIJO等^[10]用数值方法精确地模拟了三维挡风墙风动特性，运用试验与数值计算方法研究了挡风墙后紊流的特性；田红旗等^[11]根据试验结果，对我国高速列车的气动特性进行了分析，研究了各种外形与其阻力、横向力和升力的关系；刘凤华^[12]在确保路堤高度、横风风速、挡风墙设置相同的前提下，对加筋对拉式、“L”型、薄型和土堤式这4种类型挡风墙背风侧列车的气动力进行了数值模拟研究；许志峰^[13]通过流体力学软件，对来风侧挡风墙的疏透度进行了研究，并提出了防护列车安全运行最佳的挡风墙方案，为挡风墙设计的优化提供了理论根据；钱征宇等^[14] 针对兰新线大风分布和特点，提出采取有效防风工程措施建立可靠的防风安全体系。上述研究对列车-防风系统气动特性以及防风设施进行了研究，但并未基于高速铁路的挡风墙空气动力特性进行系统试验研究进而提出针对性优化方案。为此，本文作者在中国气动研究与发展中心低速所8 m×6 m(横截面长×高)风洞进行路基挡风墙风洞试验，通过测力、测压、速度场测试，对动车组在平地、路堤、挡风墙下的气动特性以及接触网处风速进行系统研究，比选合理的挡风墙高度，以便为高速铁路防风工程的设计提供可靠依据。

1  动车组过挡风墙气动特性风洞试验

目前，国内外研究车-防风系统气动特性的方法主要有3种：理论分析、试验研究^[15]及数值模拟。理论分析与数值模拟均基于一定的假设，不能真实地反映现场工况。风洞试验是国内外研究车-桥系统气动特性的主要试验方法，是空气动力学研究不可替代的重要手段^[16]。对列车在空气中的等速直线运动，按照运动的相对性原理，在空气动力特性研究中可以认为列车静止不动，与列车同速的空气流过列车；将列车和线路等物体按几何相似制作成缩比模型，在满足必要的相似条件下，列车上承受的空气动力与列车运动在静止的空气中承受的空气动力完全相同^[17]。

1.1  试验模型

对于列车这种长大物体，风洞试验需采用缩比模型来模拟列车在空气中的运动，要使空气绕模型流动和绕实物流动符合一定的相似准则，首要条件是必须保证缩比模型与实物几何相似。

本次试验以在兰新高铁运行的CRH2型高速列车为研究对象，采用头车＋中间车+尾车3车编组，设计的列车风洞模型缩比为1:15。考虑路堤、挡风墙影响，本次试验模型的阻塞比约为0.6%，小于5.0%，因此，试验结果不需要修正。根据风洞试验段尺寸，试验需将测力天平等安置在车内，因此，动车组车体内部设计成空心结构。图1和图2所示为试验的部分模型图。

1.2  试验方案及内容

1.2.1  试验方案

风洞试验必须满足重复性和雷诺数自模拟要求，具体试验方案如下：

1) 重复性试验考察风洞测试系统、天平、模型车之间安装、数据采集系统的稳定性和可靠性。

2) 变风速试验考察雷诺数Re是否超过临界值，确定测力和测压试验的试验风速。

3) 动车组模型以3车编组形式进行偏角度的测试试验和接触网处速度测试试验，以研究动车组在横风情况下挡风墙后的气动特性以及挡风墙对接触网处风速度的影响。

图1  动车组与路堤模型

Fig. 1  Model of EMU and embankment

图2  动车组、路堤与挡风墙模型

Fig. 2  Model of EMU,embankment and wind-break wall

1.2.2  试验工况

兰新高铁沿线实测最大风速(瞬时)可达64 m/s，为使试验结果更能反映不利状况，本次试验的风速取60 m/s；先期对不同高度的挡风墙进行数值计算，优选拟定线路轨道顶面以上2.5 m和5.0 m高挡风墙作为试验工况(文中，挡风墙高度均指轨面以上高度)，并与未设挡风墙的工况作为对比组；路况选择3.0 m高路堤；侧滑角以10°为梯度，从0°设置到90°。综合本次风洞试验组合挡风墙类型、Ⅰ线、Ⅱ线以及侧滑角等参数，共计工况60种。具体工况见表1。

表1  试验工况

Table 1  Experimental conditions

2  重复性试验和变风速试验结果分析

2.1  重复性试验

试验前，对每台天平重新进行校准。在每次模型进行试验之前，对每台天平的各个分量进行砝码加载试验，加载试验的误差在0.2%之内，完全满足试验精度要求。当动车组在平地上风速为60 m/s，侧滑角为0°时，动车组头车、中车和尾车5次测量所得到的气动力和力矩系数见表2及图3~5。从图3~5可以看出5次测量的结果基本相同，即使有偏差，也很小，完全在天平允许的精度范围之内。

表2  车辆气动力系数

Table 2  Aerodynamic force coefficients of car

图3  头车气动力系数

Fig. 3  Aerodynamic force coefficients of head car

图4  中车气动力系数

Fig. 4  Aerodynamic force coefficients of middle car

图5  尾车气动力系数

Fig. 5  Aerodynamic force coefficients of tail car

重复进行动车组变角度测力试验，当采集数据时间由3 s延长到10 s时，2种采集数据时间差别很小，可以认为不存在脱体涡的稳定迟滞等非定常问题。这是因为侧滑角不大，非定常效应不明显，因此，数据采集数据时间可采用3 s。当有挡风墙时，由于挡风墙后存在涡的脱落，因此，采集数据时间可采用10 s。

另外，头车升力为负，尾车升力为正，这与以往试验结果一致；另外，头车的阻力系数为0.140左右，尾车的阻力系数为0.169左右，中车的阻力系数为0.110左右，阻力系数与风洞试验结果一致；测力系数、倾覆力矩系数、俯仰力矩系数和偏航力矩系数都较小，也间接说明测量的天平和测试过程是准确的，测试结果可信。

2.2  变风速试验

因列车的速度远小于声速，故雷诺数Re是影响试验结果的主要参数。由于列车模型的比例为1:15，要完全模拟动车组实际运行的雷诺数Re，只有将风洞中的吹风速度定为动车组实际运行的15倍，而以这样的速度和模型的比例进行试验代价昂贵，因此，只能利用模型试验的自模性，使试验雷诺数大于临界雷诺数3.6×10^5[17]。而试验雷诺数是否超过临界雷诺数，这需要进行变风速试验验证。对动车组进行变风速试验，风速v分别为25，30，35，40，45，50，55和60 m/s。动车组气动力系数随来流风速的变化见图6。从图6可知：当来流速度增大到40 m/s后，气动力系数基本不再变化，可以认为与来流风速无关，试验雷诺数大于临界雷诺数，达到自模区。

图6  气动力系数与来流速度的关系(侧滑角为0°)

Fig. 6  Relationship between aerodynamic force coefficients and flow velocity for sideslip angle 0°

由于来流速度增大到40 m/s后，气动力系数、力矩系数都不再随来流速度变化而变化，即不随试验雷诺数变化而变化，达到雷诺数的自模区域，所以，试验的来流速度取60 m/s满足雷诺数的要求。

3  基于列车气动安全特性的挡风墙高度比选

3.1  无挡风墙时动车组气动特性试验结果与分析

通过风洞试验，分别测试动车组在一线和二线时头车、中车及尾车的升力系数、侧力系数和倾覆力矩系数，由于头车、中车以及尾车的参数变化规律相同且数值接近，故本文仅列出头车的相关参数。表3所示为动车组在一线和二线时头车的升力系数、侧力系数和倾覆力矩系数比较结果。

从表3可以看出：动车组在平地时一线和二线的气动力差别较小，且较大的侧滑角对应的各系数的绝对值较大。

表3  无挡风墙条件下，列车头车气动力系数

Table 3  Aerodynamic characteristics of head train without wind-break wall

动车组在一线和二线时头车、中车及尾车的升力系数、侧力系数和倾覆力矩系数变化规律见图7。

从图7可以看出：一线和二线中相对应的升力系数、侧力系数和倾覆力矩系数均非常接近；动车组头车的升力系数、测力系数和倾覆力矩系数绝对值随侧滑角的增大而迅速增大，但在50°出现拐点，随后，各系数的绝对值开始减小；中车和尾车的升力系数、测力系数和倾覆力矩系数也随侧滑角的增大而迅速增大，但未出现拐点。

图7  无挡风墙时列车各节车气动力系数随侧滑角变化曲线

Fig. 7  Aerodynamic force coefficients of each coach of train change with yaw angle without wind break wall

3.2  2.5 m高挡风墙动车组气动特性试验结果与分析

将2.5 m高挡风墙动车组的升力系数、侧力系数和倾覆力矩系数与未设挡风墙时的结果进行比较，发现在这2种工况下，一线和二线各系数变化规律相同，为此，仅分析动车组在一线时的各系数变化规律。动车组在一线时头车、中车及尾车的升力系数、侧力系数和倾覆力矩系数随侧滑角的变化规律见图8。

图8  挡风墙高度2.5 m时列车各节车气动力系数随侧滑角变化曲线

Fig. 8  Aerodynamic force coefficients of train tail change with yaw angle when wind break wall is 2.5 m in height

从图8可以看出：设置2.5 m高挡风墙后，动车组头车、中车和尾车的升力系数、侧力系数和倾覆力矩系数的绝对值与未设置挡风墙时相比均大幅度降低。对各气动力学系数进行分析可知：

1) 头车的升力系数在前、后2次工况的变化最大，当侧滑角为0°~40°之间时，降幅从40%迅速增加到94%；当侧滑角为50°~90°之间时，降幅均保持在95%以上；中车和尾车的升力系数降幅亦从0增到97%以上；且动车组部分升力开始由正变负，而这也进一步增强了动车组的倾覆稳定性。

2) 整个动车组的侧力系数也大幅度下降，绝对值最大降幅达到83%，且随着侧滑角增大，侧力系数降幅普遍增大。除了头车10°和20°侧滑角外，整个动车组的侧力均改变方向，使动车组由顺风倾覆变为逆向倾覆，有利于列车运行安全。

3) 对于倾覆力矩，除了头车10°和20°侧滑角外，整个动车组的倾覆力矩也均改变方向，最大降幅(与侧滑角相关)也达到90%以上，有力地保证了列车运行 安全。

综上所述，轨面以上2.5 m高挡风墙明显改善了列车气动特性，能很好地保证列车运行安全。

3.3  5.0 m高挡风墙动车组气动特性试验结果比较与分析

为进一步验证不同高度挡风墙防护效果，将2.5 m和5.0 m挡风墙与未设挡风墙时的动车组的升力系数、侧力系数和倾覆力矩系数进行比较，发现头车、中车和尾车在一、二线运行时各系数变化规律相同，故对动车组头车在一线运行时的各系数变化规律进行分析。

动车组头车在一线运行时的升力系数、侧力系数和倾覆力矩系数随侧滑角的变化规律见图9。

从图9可以看出：与2.5 m高挡风墙的防护效果相比较，设置5.0 m高挡风墙后的各气动系数具有相同的变化规律，且其绝对值与未设置挡风墙的相比均有较大幅度下降。

1) 对于升力系数，5.0 m挡风墙相对未设置挡风墙有较大幅度下降，降幅最高达到97%以上，与2.5 m挡风墙防护效果类似；但当侧滑角为30°~50°时，降幅仅达37%，防护效果与2.5 m高挡风墙相比下降明显。

2) 除侧滑角为30°~50°外，侧力系数均大幅度下降，绝对值最大降幅达80%以上；而当侧滑角为30°~50°时，绝对值降幅最小仅为10%，防护效果比2.5 m高挡风墙的差。

图9  不同挡风墙高度下头车气动力系数随侧滑角变化曲线

Fig. 9  Curves of aerodynamic force coefficients change with yaw angel under different wind break wall heights

3) 对于倾覆力矩，设置5.0 m挡风墙后最高绝对值降幅可达90%以上；但当侧滑角为30°~50°时，倾覆力矩系数远大于0，这说明与2.5 m高挡风墙相比，防护效果有所下降。

综上所述，5.0 m高挡风墙对动车组有一定的防护作用，动车组的升力系数、侧力系数和倾覆力矩系数的绝对值都有一定程度降低，但与2.5 m高挡风墙相比，防护效果有所下降，尤其是当侧滑角在30°~50°时，防护效果明显比2.5 m高防风墙的差。

4  基于接触网处风速的挡风墙高度比选研究

在挡风墙能对动车组安全进行有效防护的前提下，对大风条件下挡风墙设置后接触网的响应及其安全性能进行进一步分析研究。

接触网的风偏量是衡量受电弓和接触网接触安全的最重要指标，但风洞中准确模拟和测量接触网的运动非常困难。首先，接触网的运动本身非常复杂，它包含各种运动形式；其次，为满足流场相似，接触网必须与列车、挡风墙采用相同的缩尺比，缩比后的接触网运动很难反映真实接触网的运动^[18]。接触网处的风速决定了其运动状态，可以通过测试研究挡风墙设置后接触网处的风速，来评估挡风墙对接触网安全的防护效果。

当挡风墙高度为2.5 m和5.0 m时，对接触网的接触线(距离轨面5.5 m)和承力索(距离轨面6.9 m)处的风速进行测量。测试结果表明：在相同工况下，无论是接触线还是承力索，其在一线、二线时的风速均非常接近，故重点分析动车组在一线时所测结果。表4所示为动车组在一线时部分侧滑角对应的接触网处的量纲一风速。

分别用v_x，v_y和v_z表示风速在x, y和 z这3方向的分量。从表4可知：当侧滑角为0°时，沿接触网长度方向的风速v_x在接触线(距轨面5.5 m)和承力索(距轨面6.9 m)处均最大；当侧滑角逐渐增大至90°时，量纲一风速v_x减小至0附近；但当侧滑角为50°~70°时，有挡风墙时所对应的风速v_x随侧滑角增大以更快的速度减小至0。故对于沿接触网长度方向的风速v_x，挡风墙在侧滑角较大时会有部分防护作用，但防护作用总体较小，且该方向风速对接触网本身安全影响不大。

对于垂直于接触网的风速v_z，在接触线(距轨面 5.5 m)和承力索(距轨面6.9 m)处，风速v_z随着侧滑角增大而缓慢增大，但与未设置挡风墙相比，设置挡风墙后对风速v_z影响很小，且由于风速v_z自身非常小，对接触网安全性能的影响可以忽略。

接触网横向偏移影响最大的是横向速度v_y。在未设挡风墙时，v_y随着侧滑角的增大而迅速增大。在设置2.5 m高挡风墙的工况下，在接触线处，对应的v_y随着侧滑角的增大而减小，且侧滑角越大，其v_y越小，即挡风墙的防护效果越好；但在承力索处，对应的v_y与未设挡风墙时v_y接近，说明2.5 m高的挡风墙对承力索的防护效果有限。而对于5.0 m高挡风墙的工况，在接触线处，对应的v_y均随着侧滑角的增大而迅速减小，且v_y明显比2.5 m高挡风墙的小；在承力索处，对应的v_y均随着侧滑角的增大而迅速减小，且最小的降幅亦可达到55%。可见：2.5 m高挡风墙能有效降低接触线处接触网横向量纲一风速v_y，但对承力索处的v_y影响不大。而5.0 m高挡风墙对接触线和承力索处的v_y均大幅度降低。总体而言，2.5 m高挡风墙对接触网的防护作用比5.0 m高挡风墙的小。但需指出的是：对接触网而言，横风状态下接触线处的安全防护要比承力索处的安全防护能力强。

表4  不同侧滑角对应的接触网风速

Table 4  Wind speed of catenary under different yaw angles

综合而言，5.0 m高挡风墙可以更有效地减小接触网(特别是承力索)处的风速，但此时动车组的倾覆力矩随之增大。就防风结构本身的修建成本而言，5.0 m高挡风墙要远高于2.5 m高挡风墙。防风工程解决的主要矛盾仍是动车组的安全问题，接触网可采取减小接触网立柱之间的距离，增强承力索拉力等措施来增强接触网自身的抗摆动能力。综合考虑动车组的倾覆安全要求以及结构的经济合理性，轨面以上2.5 m为更加合理的挡风墙高度。

5  结论

1) 未设挡风结构时，动车组在平地时一线和二线的气动力差别较小。动车组头车的升力系数、测力系数和倾覆力矩系数随侧滑角的增大而迅速增大，但在50°出现拐点，以后开始减小；中车和尾车的升力系数、测力系数和倾覆力矩系数也随侧滑角的增大而迅速增大，没有出现拐点。

2) 2.5 m高挡风墙对动车组有很好的防护作用，动车组的升力系数、侧力系数和倾覆力矩系数的绝对值都大幅度降低；5.0 m高挡风墙对动车组有一定的防护作用，动车组的升力系数、侧力系数和倾覆力矩系数的绝对值都有一定程度降低；但与2.5 m高挡风墙相比，防护性能较低，尤其是当侧滑角为30°~50°时，向挡风墙方向倾覆的力矩系数较大。

3) 2.5 m高挡风墙对于一线和二线接触线有一定防护效果，但对承力索处量纲一速度v_y影响不大。5.0 m高挡风墙对接触网有很好的防护作用，接触线和承力索处的量纲一速度v_y大幅度下降，最大降幅达55%。

4) 综合考虑动车组的倾覆安全、接触网的防护及其自身加强措施、结构经济合理性，对于高速铁路，轨面以上2.5 m为合理的挡风墙设置高度。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2017-06-10；修回日期：2017-08-10

基金项目(Foundation item)：铁道部科技研究开发计划项目(2015T002-A)；国家自然科学基金资助项目(11372360) (Project(2015T002-A) supported by the Science and Technology Research and Development Funds of Ministry of Railway Station; Project(11372360) supported by the National Natural Science Foundation of China)

通信作者：李鲲，高级工程师，从事铁路道路与列车空气空力学研究；E-mail: 171765744@qq.com