大风区高速铁路新型防风设施研究
李鲲
(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安，710043)
摘 要：
—新疆乌鲁木齐)第二双线是世界上1条已建成的最长高速铁路，也是世界首条穿越大风区的高速铁路，线路穿越大风区最大瞬时风速达64 m/s，严重威胁列车运行安全，针对既有防风设施(主要为挡风墙)难以满足大风条件下防止列车倾覆、保护受电弓和接触网安全及防沙等要求，提出一种新型防风设施即防风走廊，并通过数值计算、风洞试验、动模型试验等方法进行系统研究。研究结果表明：在防风走廊的防护下，动车组的倾覆力矩是无防风设施时的1%~2%，是有挡风墙时的4%左右；接触网处的风速度仅为环境风速的6%左右；半封闭防风走廊开口处的最大速度仅为6.08 m/s；而走廊内部和动车组表面的压力变化表明半封闭走廊更具优势，不会附带产生隧道空气动力效应等不利影响。这说明防风走廊既能实现对列车和接触网综合防护，兼具防沙功能，同时也不会产生隧道空气动力效应等不利影响，作为一种新型高等级铁路防风设施具有应用推广价值。
关键词：
中图分类号：U216.41+3 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2012)02-756-07
Research on new anti-wind facility of high-speed train in strong wind area
LI Kun
(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd., Xi’an 710043, China)
Abstract: The second double line of Lanzhou—Xinjiang railway is not only the longest high-speed railway line in the world but also the first one crossing strong wind area, where the highest instantaneous wind speed across strong wind area is 60 m/s, which is a serious threat to train running safety, considering the existing anti-wind facility (mainly wind break wall) is difficult to meet the demands of train overturning prevention, pantograph-catenary system protection and sand prevention, a new anti-wind facility called anti-wind corridor through numerical simulation, wind tunnel test and dynamic model test was proposed and researched. The results show that electric multiple unit(EMU)’s overturning momentum with the protection of anti-wind corridor is 1%-2% of that without the protection of wind break wall, and account for 4% when it is with the protection of wind break wall. The wind velocity of catenary takes only 6% or so of wind speed and the highest velocity is 6.08 m/s on the opening side of semi-closed anti-wind corridor. Considering the research on pressure change inside corridor and on EMU surface, the semi-closed corridor is much better without harmful effects such as tunnel aerodynamic effect. As a new high level railway anti-wind facility, anti-wind corridor can not only protect the pantograph-catenary system comprehensively but also has sand prevention function without any harmful effects like tunnel aerodynamic effect, and it is worth to be applied and spread.
Key words: anti-wind corridor; numerical simulation; tunnel test; dynamic model test; overturning; catenary
新建兰州至乌鲁木齐第二通道(简称兰新第2双线)为客运专线铁路，全长1 776.9 km，是世界上1条已建成的最长高速铁路，也是世界首条穿越大风区的高速铁路。线路在甘肃和新疆境内穿越五大风区总长超过500 km，其中举世闻名的百里风区、15 km风区是世界内陆风力最为强劲的地区之一，区内自然条件恶劣，风速高，风期长，起风速度快，最大瞬时风速达64 m/s，大风曾多次造成既有兰新铁路翻车、停轮事故，给铁路运输带来了巨大的经济损失和严重的社会影响[1]。兰新第2双线计划运营速度高达350 km/h，通过大风频繁、风力强劲的风区。通过防风结构研究解决大风区高速铁路防风技术难题，对兰新第二双线的顺利建成、建成铁路的运输安全乃至今后西部内陆地区的高速铁路建设均有极其重大的意义。防风工程的首要任务是防止列车被大风吹翻[2-8]。既有兰新、南疆铁路均曾经发生过因大风吹翻列车，造成人员伤亡的重大事故，因此，既有兰新铁路在线路迎风侧修建挡风墙，有效防止了列车因大风倾覆[9-12]。但是，既有兰新线运行普速内燃机车，兰新第2双线运行高速动车组，这就引起2个问题：首先是动车组运行速度远远大于普通内燃列车速度，在同样横风条件下，动车组所受到的气动升力和倾覆力矩要大很多，并且动车组质量比较小，抗倾覆的能力更弱，因此，挡风墙结构对动车组的防护效果需要进一步研究；其次，防风工程的另一要务是防止受电弓和接触网脱离，既有兰新铁路没有接触网的问题，而高速铁路动车组运行中如果接触网在大风中偏移太大，将使受电弓和接触网脱离，突然的电力中断将导致一系列问题甚至是灾难性后果。防风工程还必须兼顾防沙的功能。兰新第2双线所经过的几大风区特别是烟墩风区和百里风区存在极为特殊的次生灾害，即大风往往伴随着风沙甚至吹起沙砾，严重时击碎列车的车窗玻璃，损坏车体结构，侵蚀和掩埋轨道，给行车安全带来严重后果。因此，新型防风工程还必须考虑列车高速通过时的防沙功能。目前，世界各国的防风设施主要是挡风墙、防风栅栏等风障结构，根据目前的研究和既有线上的运营经验，这些设施无法同时满足以上要求。为此，本文设计一种新型防风结构即防风走廊，通过数值计算、结合风洞试验，研究防风走廊内动车组的倾覆安全特性、接触网的流场特性以及其背风区开口流场特性，验证其对动车组、受电弓和接触网的综合防护能力以及防沙能力；通过动模型试验，研究防风走廊的隧道空气动力效应。
1 动车组倾覆稳定性研究
1.1 试验模型
风洞试验在中国空气动力研究与发展中心8 m×6 m(宽×高)风洞中进行。该风洞为直流式、闭口、串列双试验段大型低速风洞，本次试验在第2试验段进行。第2试验段截面高×宽为8 m×6 m，长15 m，稳定风速范围为20~70 m/s。
动车组试验模型如图1所示，模型的比例为1:15。本次试验以将在兰新2线运行CRH2型列车为研究对象，采用三车编组即头车＋中间车+尾车，防风走廊全长6 m。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；模型外部采用红松木，内撑角钢焊接的骨架；每辆模型车的顶部、底部和两侧都设计成可拆卸的方式，以方便天平的安装和调试，模型的大风挡、转向架也均可拆卸。
图2和图3所示为防风走廊结构的模型外形。防风走廊其内部受力主体为超静定网架结构，外部覆盖抗大风耐久性复合材料(屋面结构)，材料的抗大风及耐久性经严格的试验测试，屋面结构按照内部网架结构的接点分为若干块固接，网架结构下部为2 m左右高的挡墙基础。图2所示为半封闭防风走廊结构，背风侧挡墙的顶部至顶棚底面为开口；图3所示为全封闭防风走廊结构，挡墙基础之上全封闭。
1.2 测试方法
测力试验采用一组六分量盒式天平同时测量各辆模型车所受到的气动力和力矩。为避免风洞壁面附面层的影响，在试验段内安装列车试验地板装置，该地板由5块独立地板拼接而成，中间地板有一直径为7 m、可旋转360°的转盘，其他为固定部分。地板前、后缘加工成流线型，以减少对气流的干扰，地板之间有倾斜的缝隙；各块地板后缘下面，有一角度可调的斜板伸出下表面，通过该斜板可以产生低压涡区，能够被动地吸除附面层，以降低地板附面层的影响。
图1 CRH2(型)高速动车组计算模型
Fig.1 Calculated model of engine and passenger train
图2 半封闭走廊模型外型
Fig.2 Shape of semi-closed corridor model
图3 全封闭走廊模型外型
Fig.3 Shape of full-closed corridor model
1.3 动车组倾覆稳定性研究
由于大风环境下，升力、侧向力和倾覆力矩对列车的安全有重要影响，因此，要考察防风走廊防止列车倾覆的效果，应分析列车所受到的升力、侧向力和倾覆力矩的特性。在风洞试验中，在环境风速度为50 m/s、动车组静止在平地一线上，没有防风设施、有2.5 m高挡风墙和有半封闭防风走廊3种情况下，动车组头、中、尾各车的升力系数、侧向力系数和倾覆力矩系数如表1所示。从表1可以看出：无防风设施时，动车组受到的气动力比较大。这是因为气流在动车组的迎风面滞止，迎风面为正压，而背风面为涡流区，正压和负压方向一致，产生比较大的侧向力；设置挡风墙后，动车组受到的气动力下降非常明显，升力变为负升力，增强了抗倾覆的能力；同时，由于挡风墙的存在，动车组周围的流场发生巨大变化，在挡风墙和动车组之间形成一涡流区，动车组的背风面也存在一涡流区，动车组的侧向力取决于这2个涡流区的压差，由于涡流区域上方主要流区气流经过加速后速度比较大，涡流区压强为负压，两负压方向相反，抵消后表现的侧向力比较小。倾覆力矩主要由升力和侧向力提供，因此，倾覆力矩减小60%左右。当动车组处于半封闭防风走廊内部时，只有背风区涡流区域有气流通过开口进入，但涡流区的气流速度比较小，对动车组的影响也就更小，因此，动车组各节车的气动力也就非常小。设置半封闭防风走廊时列车倾覆力矩是无防风设施时的1%~2%，是有挡风墙时的4%左右。可见：挡风墙有一定的防止列车倾覆的能力，防风走廊有相当强的防止列车倾覆的能力。
2 接触网处风速研究
挡风墙和防风走廊都能对列车进行有效地防护，但挡风墙无法保证大风情况下受电弓和接触网的接触安全。需指出的是：由于挡风墙的存在，不但无法对接触网进行有效防护，且气流经过挡风墙顶部分离，接触网附近的流场具有明显的非定常特性，这导致接触网的摆动频率增加，不利于正常接触。因此，现有挡风墙难以对受电弓和接触网进行安全防护，有效防止受电弓和接触网脱离是防风走廊的另一重要特点。
受电弓安装在列车的对称轴上，接触网离开轨道顶部5.5 m和6.9 m，实验依然在8 m×6 m风洞中进行，测试主要采用2排七孔探针进行测量，测量结果见表2。从表2可见：受挡风墙和动车组的影响，2个接触网处风速有所差异，特别是影响接触网横向片偏移的横向速度差异稍大。总体而言，挡风墙对接触网的保护作用基本没有，甚至在6.9 m处还有加速效应；而半封闭防风走廊只有背风面有开口，背风面涡流区的风速比较小，进入走廊内部的气流速度就更小。在风洞试验中，动车组静止在平地一线上，没有防风设施、有2.5 m高挡风墙和有半封闭防风走廊3种情况下，不同接触网位置处风速的无量纲速度(数值计算结果与风洞试验结果相差不大，规律一致)如表2所示。从表2可见：在半封闭走廊的防护下，接触网处的风速度仅为环境风速的6%左右。可见：挡风墙对接触网的防护能力比较差，而防风走廊能够有效地防止接触网因环境风导致的大幅摆动，从而保证大风环境下受电弓和接触网的正常接触。
表1 动车组各车气动力系数比较
Table 1 Comparison of EMU aerodynamic coefficients
表2 接触网处无量纲速度比较
Table 2 Comparison of dimensionless velocity in catenary
3 防风走廊隧道空气动力效应研究
防风走廊对列车和接触网具有较强的综合防护能力，但其外形类似于隧道，动车组高速进入隧道时产生的系列压缩波和膨胀波，会引起系列隧道空气动力效应：过大的压力变化不但直接影响动车组车体和隧道内附属结构的疲劳寿命，而且传播到车厢内部将危害旅客乘坐的舒适性；另外，隧道出口微气压波甚至会产生噪声并影响周围环境。因此，防风走廊是否也会带来类似的问题，需要进行研究和评估。
3.1 试验装置与模型
模型试验在中南大学轨道交通安全教育部重点实验室的高速列车模型实验台上进行。该模型发射装置根据流动相似原理，将列车、隧道和线路等物体按几何相似制作成缩比模型，通过弹射使模型列车在模型线路上无动力高速运行，模拟列车与地面、列车与隧道、列车与空气之间的相对运动，真实再现高速列车交会、过隧道等三维非定常可压缩流动过程，获得压力、速度等流场参数。具有模拟速度高(试验最高速度500 km/h)、模型比例大(1:16.0~1:25.2)、实验精度高等优点。
高速列车模型由铝合金材料加工，以减小模型的质量，并确保模型有足够大的强度，使模型承受较大压力变化时，模型车表面的变形不会影响测试的精度。此次试验模型比例为1:20。
防风走廊模型采用硬质聚乙烯管材。同样必须确保模型的强度，使模型承受较大压力变化时，模型表面的变形不会影响测试的精度。
根据相似理论分析,只要保证几何相似(包含阻塞比一致)、马赫相似，试验雷诺数达到自模拟区的雷诺数，则在模型实验得到的压力参数与实际列车运行时得到的压力参数是一致的。
3.2 走廊表面压力变化分析
动车组车头和车尾部进、出隧道瞬间，绕动车组运动的气流受到隧道壁面的制约而形成压缩波、膨胀波，这2种波在隧道内以音速传播，并且会在隧道入口和出口、隧道壁面、车头和车尾进行反射，从而导致隧道内空气压力发生剧烈变化。而这种压力变化的大小和频率会直接影响隧道内的照明、行车等装备的疲劳寿命。
由于2车交会走廊内部的压力剧烈变化程度远比单列车辆在走廊内运行时的大，因此，本文主要分析2列动车组以350 km/h的速度在走廊内交会情况。图4所示为动模型试验所得半封闭防风走廊内部测点压力随时间的变化历程；图5所示为外形相同、背风面完全封闭的全防风走廊内部在相同测点压力随时间的变化历程。从图4和图5可见：半封闭防风走廊交会，由于背风区开口，气流的扰动很快传播出去，动车组车头和车尾进入时产生的压缩波和膨胀波没有传播到测点位置就已经消散，只有动车组在测点交会产生的交会压力波；而防风走廊全封闭时，列车头部将要进入隧道时，在列车和隧道壁面共同挤压下，压力迅速上升形成压缩波并以音速向前传播，到达测点位置时，测点的压力上升(见图5中①)；当列车尾部进入防风走廊内，尾部负压形成的膨胀波也以音速向前传播，受其影响，测点的压力转为下降(见图5中②)；2车交会时也会产生交会压力波(见图5中③)，而压缩波和膨胀波又会在防风走廊入口和出口、壁面、车头和车尾进行反射，各种波相互干扰，使得防风走廊内空气压力发生剧烈变化。
图4 半封闭防风走廊表面压力变化
Fig.4 Pressure change of semi-closed corridor surface
图5 全封闭防风走廊表面压力变化
Fig.5 Pressure change of full-closed corridor surface
因此，全封闭走廊内部的压力变化要剧烈得多，而半封闭走廊内部只有交会产生的交会压力波，压力变化幅值小，波动平缓。
3.3 动车组表面压力变化分析
对于车体，车体表面频繁或过大的压力变化会增大车体的疲劳强度，并且传入车厢内部，对旅客乘坐的舒适性产生影响。与防风走廊表面的压力变化一致，车体表面的压力也是压缩播和膨胀波在走廊内部传播、反射和干扰所致，只是动车组自身高速运行，一方面表面各点初始压力不同，另一方面到达车体表面的压缩波和膨胀形的时间也不一致，因此，车体表面的压力和防风走廊表面的压力变化在波形和幅值上有显著差异。
图6所示为动模型试验所得2动车组以350 km/h的速度在半封闭防风走廊内交会时车体表面测点压力随时间的变化历程；图7所示为外形相同、背风面完全封闭的全防风走廊内部，在同样工况下，相同测点压力随时间的变化历程。从图6和图7可以看出：半封闭防风走廊交会，由于背风区开口，气流的扰动很快传播出去，动车组车头和车尾进入时产生的压缩波和膨胀波由于离测点的距离比较小，仍然对车体测点有所影响，但影响比较小，测点的压力变化主要来自于动车组交会产生的交会压力波；而防风走廊全封闭时，车体表面压力受到压缩波和膨胀波的显著影响，再加上交会压力波，测点的空气压力发生剧烈变化。
图6 半封闭防风走廊车体表面压力变化
Fig.6 Pressure change of train surface in semi-closed corridor
图7 全封闭防风走廊车体表面压力变化
Fig.7 Pressure change of train surface in full-closed corridor
因此，全封闭走廊内的动车组表面压力变化要剧烈得多，而半封闭走廊内部车体表面压力变化主要由交会压力波引起，压力变化幅值小，变化平缓，有利于延长车体结构的疲劳使用寿命，改善车厢内部旅客乘座的舒适性。
综合防风走廊内部表面和动车组表面的压力变化，半封闭走廊压力变化幅值小，波动平缓，既有利于提高车体结构、走廊自身、走廊内部附属结构的疲劳寿命，又有利于改善车厢内部旅客乘座的舒适性。可见，半封闭走廊更具有优势。
4 防风走廊防沙能力研究
如前所述，对兰新第2双线，大风区除了大风强劲频繁以外，沙害也是一个需要高度重视并解决的问题。半封闭防风走廊其迎风侧是封闭的，有效地阻挡了迎风侧的风沙、沙砾；其背风侧的敞开结构，有利于改善隧道空气动力效应，方便旅客欣赏铁路沿线的自然风光，提高旅客乘座的舒适性，也有利于发生灾害时的救援，但背风侧的开口是否会给走廊内部带来沙砾，这是半封闭走廊防沙功能的研究重点。
图8所示为经过数值求解N-S方程后得到的半防风走廊内部及周围速度矢量图。从图8可见：背风侧开口下部的挡墙基础一方面阻挡了背风区的涡流流入走廊内部，另一方面，挡墙使回绕的横向气流变为纵向气流，改变了气流的方向。在气流开口处的风速最大值为6.08 m/s，这不可能卷起沙砾进入走廊内部。
图8 风速为60 m/s时速度矢量图
Fig.8 Figure of cross-section velocity vector at wind speed of 60 m/s
根据风洞试验的烟流试验，大风自迎风侧而来，首先在迎风面的底部会形成1个小涡，气流沿着涡的外围到达顶部，经过顶部加速，气流顺着走廊的顶部流过。由于半封闭走廊具有流线的外形，大风气流流向更远方，在背风侧开口处形成一遮蔽区，回绕卷入沙砾的可能性基本没有，因此，半封闭防风走廊具有良好的防沙功能。
5 结论
(1) 半封闭防风走廊有相当强的防止列车倾覆的能力。在其防护下，动车组的倾覆力矩是无防风设施时的1%~2%，是有挡风墙时的4%左右。
(2) 半封闭防风走廊有相当强的保护供电设施以及保证大风环境下弓网正常接触的能力。在其防护下，接触网处的风速度仅为环境风速的6%左右，在保护受电弓网安全的同时，完全能够保证大风环境下受电弓和接触网的正常接触。
(3) 半封闭防风走廊具有良好的防沙功能。其开口处于背风面的涡流区，结构下部的挡墙基础有效阻止了涡流区的气流流入走廊内部，在开口处气流的速率最大值为6.08 m/s，不可能卷起沙砾进入走廊内部。
(4) 半封闭防风走廊类似于隧道，但不会产生强烈的隧道空气动力效应。动车组在其内部高速运行和交会时，其内部表面和动车组表面的压力变化幅值小，波动平缓，既有利于提高车体结构、走廊自身、走廊内部附属结构的疲劳寿命，又有利于改善车厢内部旅客乘座的舒适性。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2011-03-05；修回日期：2011-06-02
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51105384)；中南大学前沿研究计划项目(2010QZZD020)
通信作者：李坤(1976-)，男，甘肃天水人，高级工程师，从事铁路道路与路基工程研究；电话：13991256709；E-mail：leekun_lz@sina.com
摘要：兰新(甘肃兰州—新疆乌鲁木齐)第二双线是世界上1条已建成的最长高速铁路，也是世界首条穿越大风区的高速铁路，线路穿越大风区最大瞬时风速达64 m/s，严重威胁列车运行安全，针对既有防风设施(主要为挡风墙)难以满足大风条件下防止列车倾覆、保护受电弓和接触网安全及防沙等要求，提出一种新型防风设施即防风走廊，并通过数值计算、风洞试验、动模型试验等方法进行系统研究。研究结果表明：在防风走廊的防护下，动车组的倾覆力矩是无防风设施时的1%~2%，是有挡风墙时的4%左右；接触网处的风速度仅为环境风速的6%左右；半封闭防风走廊开口处的最大速度仅为6.08 m/s；而走廊内部和动车组表面的压力变化表明半封闭走廊更具优势，不会附带产生隧道空气动力效应等不利影响。这说明防风走廊既能实现对列车和接触网综合防护，兼具防沙功能，同时也不会产生隧道空气动力效应等不利影响，作为一种新型高等级铁路防风设施具有应用推广价值。
