DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2017.08.035

风屏障高度对城轨专用斜拉桥车桥系统气动特性的影响

何玮，郭向荣，朱志辉，何旭辉

(中南大学 土木工程学院，高速铁路建造技术国家工程实验室，湖南 长沙，410075)

摘要：在综合考虑风屏障高度对桥梁及桥上列车气动特性影响的前提下，采用风洞试验和数值模拟相结合的方法，研究在桥梁上设置不同高度风屏障的情况下列车与桥梁的气动力系数以及车桥系统周围的流场分布情况。研究结果表明：随风屏障高度增加，桥梁的阻力系数明显增大，而桥上列车的阻力系数相应减小，桥梁与列车的升力系数变化不明显；在侧风作用下，风屏障高度对处于桥面迎风位置列车的所受气动力影响较明显；风屏障高度对车桥系统周围流场的影响较明显，当风屏障高度增加时，梁体迎风面正压区显著增大；车体迎背风面的压力分布不仅受风屏障高度的影响，而且受列车在桥面的位置的影响。

关键词：风洞试验；车桥系统；风屏障；气动特性

中图分类号：V211.74             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2017)08-2238-07

Effect of wind barrier’s height on train-bridge system aerodynamic characteristic of cable-stayed bridge for urban railway transportation

HE Wei, GUO Xiangrong, ZHU Zhihui, HE Xuhui

(National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction,

School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Abstract: In order to consider the effects of wind barrier’s height on both bridge deck and train, a method that combines wind tunnel test and numerical simulation was adopted to study the aerodynamic coefficients of bridge deck and train and the flow field around train-bridge system with wind barriers at different heights. The results show that with the increase of wind barrier’s height, aerodynamic coefficient of the bridge increases obviously, and yet aerodynamic coefficient of the train decreases. On the contrary, lift coefficient of bridge and train is almost unchanged. The wind barrier’s height has a more remarkable influence on the aerodynamic force on the train in windward cases than that in leeward cases. Moreover, the wind barrier’s height can impact the flow field around train-bridge system. With the increase of wind barrier’s height, the positive pressure zone on the windward side of the bridge deck increases obviously. Besides that, the wind pressure distribution around train depends not only on the wind barrier’s height but also on the position of the train on bridge deck.

Key words: wind tunnel test; train-bridge system; wind barrier; aerodynamic characteristic

随着社会经济的快速发展和技术的进步，我国城市轨道交通获得了新的发展机遇，轨道交通桥梁也同时迎来了新的挑战，对跨度的要求越来越高。斜拉桥作为一种整体刚度较强的柔性结构，由于其具有较强的跨越能力，因而在轨道交通建设中越来越受到关注。然而，由于大跨度斜拉桥多建于开阔区域，受风荷载影响较大，且列车与桥梁间气动干扰往往会增加列车受到的风荷载，进一步增加桥上行车的安全风险。为了提高侧风下的桥上行车安全，目前最有效且最常用的措施是在桥上行车线两侧设置风屏障^[1]。风屏障由于能给列车提供一个相对较低风速的环境，可以有效提高行车安全性。许多研究者对风屏障防风效果进行了大量研究，结果表明风屏障高度对轨道上方的流场分布及车辆风荷载有较大影响^[2-5]，当风屏障高度较大时，其防风效果较好^[6-9]。然而，对设有普通型风屏障的桥梁，若侧向来流的风速很大，则高度较大的风屏障虽然可以保护列车行车安全，但它对桥梁主梁带来了较大的气动作用力。尤其是对于跨度相对较大的斜拉桥，高度较大的风屏障可能引起桥梁动力稳定性下降。以往的研究主要集中在风屏障对列车气动性能的影响方面，然而，当线路基础为大跨度桥梁时，有必要综合考虑风屏障高度对桥梁梁体及桥上列车气动特性的影响。为此，本文作者采用风洞试验与数值模拟相结合的方法，研究在桥梁上设置不同高度风屏障情况下列车与桥梁的气动力系数以及车桥系统周围的流场分布情况。

1  风洞试验

1.1  试验装置

节段模型测力试验在中南大学高速铁路风洞实验室的高速试验段进行，高速试验段长15.0 m，宽3.0 m，高3.0 m；试验风速在0~94 m/s范围内连续可调，风场顺风向湍流度小于0.3%。为同步测试不同工况下列车和桥梁各自的气动力，列车和桥梁模型别分固定在可转动圆盘上以实现气动力分离；在列车和桥梁模型两端分别装有动态测力天平(共安装4个天平)以采集列车和桥梁的气动力；通过转动圆盘，节段模型可绕圆盘中心作同轴转动，实现风攻角调节；整个测力装置由固定在风洞地板上的竖向支撑系统支撑。使用的动态测力天平为日本NITTA公司生产的IFS型六分量动态天平，测力分辨率为0.02 N。采用澳大利亚TFI公司的眼镜蛇探针采集尾流处三维风速及静态压力，采集点位于模型下游1.5 m处，高度与主梁顶面高度一致(距离地面约为1.0 m)。

1.2  试验模型

列车模型采用城市轨道客运常用的A型列车，高度为4.4 m，宽度为3.5 m。桥梁主梁模型采用扁平流线型箱梁外形，尺寸见图1。在车道两侧设置高度分别为2.5，3.0，3.5和4.0 m的风屏障，风屏障距主梁断面中心处距离为7.55 m。列车模型、桥梁主梁模型及风屏障模型的缩尺比都为1/40，节段模型长度为2.0 m。为减少端部绕流的影响，在模型两端加装端板。为保证风环境下模型的刚度，列车模型采用钢骨架塑料材质模型，桥梁模型采用钢骨架木质模型，风屏障模型采用5 mm厚塑料材质模型。根据以往研究成果可知，除风屏障高度之外，风屏障的透风率、孔洞尺寸、开孔方式等都会影响其防风效果^[1-2]。因此，为保证试验的相似性、排除其他因素对试验结果的影响，4种不同高度风屏障模型的透风率统一为30%，开孔方式统一采用8 mm×8 mm方形孔洞且孔洞在风屏障上均匀分布。本试验的风屏障照片见图2。

图1  车桥系统示意图

Fig. 1  General information of train-bridge system

图2  风屏障模型照片

Fig. 2  Photographs of wind barriers with different heights

1.3  试验分组及数据处理

本文的风洞试验共分为8组，每组在0°和±3°风攻角下进行吹风测试，其中第1~4组为迎风工况，第5~8组为背风工况。试验流场为均匀流场。试验风速U_∞分别为10 m/s和15 m/s，试验参数见表1。由于采样点风速和静压随时间的分布具有随机性，在流动持续一段时间后，可认为随机过程的随机特征不随时间变化，即此过程是稳定的^[10-11]。因此，本文各组试验均在风速达到稳定值并稳定5 s后开始采样，采样频率为1 250 Hz，采样时间为20 s。

表1  各组试验参数

Table 1  Parameters of test cases

动态测力天平采集的数据经过处理得到列车和桥梁的气动三分力系数。风轴坐标系下的阻力系数、升力系数和扭矩系数计算公式^[12]分别如下：

              (1)

               (2)

               (3)

其中：C_D为阻力系数；F_D为阻力；U_∞为试验参考风速；空气密度ρ=1.225 kg/m³；L为测力节段模型长度；C_L为升力系数；F_L为升力；C_M为扭矩系数；M为扭矩；阻力系数以模型高度H为参考长度；升力系数、绕形心的扭矩系数均以模型全宽B为参考长度。

2  数值模拟

2.1  基本控制方程

采用分离涡模拟DES(detached eddy simulation)方法将大涡模拟方法与常规RANS方法结合进行分离涡模拟^[13-15]。对于任何复杂的湍流流动，非稳态的连续方程和NS控制方程都是适用的。流体控制方程中连续性方程的笛卡尔张量形式为

             (4)

其中：ρ为流体密度；u_i为流体速度沿i方向的分量。动量守恒方程的笛卡尔张量形式为

      (5)

其中：p为静压力；，为黏性应力张量；μ为空气动力黏性系数；δ_ij为Kronecker符号；应变率。

2.2  湍流的数值模拟

对于模拟圆柱绕流，常用的湍流模型有RNG(re-normalization group) k-ε模型和SST (shear- stress transports) k-ω模型^[14]。RNG k-ε模型是高雷诺数湍流模型，对低雷诺数下近壁面情况需要采用半经验的壁面函数，而SST k-ω模型的特点在于不包含k-ε模型中的非线性黏性衰减函数，能够更精确地模拟计算物的边界层。本文基于SST k-ω两方程湍流模型^[16-17]模拟侧风作用下车-桥系统周围的定常绕流流场。

在SST k-ω模型中，湍动能和比耗散率的运输方程为：

  (6)

             (7)

为了使运输方程从近壁面改进的k-ω模型过渡到外部的标准k-ε模型，采用混合函数F₁计算各系数：

               (8)

混合函数F₁按下式计算：

                 (9)

    (10)

      (11)

其中：为改进的k-ω模型参数；σ_k1=0.85；σ_ω1=0.5；β₁=0.075；β^*=0.09；；κ=0.41；为标准k-ε模型参数；σ_k2=1.0；σ_ω2=0.856；β₂=0.828； y为距离壁面的距离；D_kω为交错扩散项的正值部分。湍流黏性系数为

              (12)

其中：α₁=0.31；，为涡流状态的绝对值。混合函数F₂按下式计算：

   (13)

其中：涡黏参数。

2.3  车桥系统数值计算模型

采用大型商业流体计算软件FLUENT对不同高度风屏障环境下车桥系统的二维流场进行数值模拟计算。车桥系统的数值计算模型外形与风洞试验节段模型一致，尺寸与实际尺寸的比例为1:1。计算网格采用由结构网格和非结构网格组成的混合网格，其中模型附近区域采用非结构三角形网格，在模型表面处设置总厚度为0.02 m的边界层，远离桥梁区域采用四边形网格。为保证流场的充分发展，数值区域上边界到模型中心的距离为80 m，下边界到模型中心的距离为 70 m，入口边界距模型中心的距离为100 m，出口边界距模型中心的距离为300 m。数值边界条件中速度入口风速取10 m/s，车桥系统及上下面边界条件为无滑移壁面边界，出口边界条件为压力出口。

3  结果分析

3.1  风屏障高度对车桥系统气动力系数的影响

侧风下各组工况列车和桥梁所受气动力经过计算得出列车和桥梁的气动力系数，由于体轴与风轴坐标系下的气动力系数可以相互换算，因此，本文仅给出风轴坐标系下各组试验的气动力系数。风攻角为0°时风屏障高度由2.5 m增大至4.0 m，桥梁与列车气动力系数的变化趋势见图3和图4。从图3和图4可以看出：由风洞试验获得的列车与桥梁气动力系数结果与CFD数值模拟计算所得结果基本一致。由图3(a)可知：当列车处于桥面迎风侧时，随着风屏障高度增加，桥梁的阻力系数明显增大而列车的阻力系数相应减小。然而，由图4(a)可见：当列车处于背风侧行车线时，虽然桥梁的阻力系数随风屏障高度增大而增大，但列车的阻力系数受风屏障高度的影响不大。此外，由图3(b)和图4(b)可以看出：当桥梁风屏障高度由2.5 m增大至4.0 m时，桥梁和桥上列车的升力系数变化均不太明显。

从风攻角为0°时的计算结果可以看出：风屏障高度对桥梁及桥上列车的阻力系数影响较大，而对升力系数的影响不明显。进一步研究列车位置和风攻角的变化对试验结果的影响，在各工况下，当风攻角为-3°，0°和+3°时，桥梁和桥上列车阻力系数的风洞试验结果分别见表2和表3。由表2可知：当风屏障高度由2.5 m增大至4.0 m时，各风攻角的桥梁阻力系数均呈明显增大趋势。而由表3可见：当列车处于桥面迎风侧时，各风攻角的列车阻力系数随风屏障高度的增大而减小；当列车处于桥面背风侧时，各攻角的列车阻力系数受风屏障高度的影响均较小。

图3  风攻角为0°时的迎风工况气动力系数

Fig. 3  Aerodynamic force coefficients in windward cases when wind attack angle is 0°

3.2  风屏障高度对车-桥系统周围流场的影响

从风洞试验结果可知：随着风屏障高度增加，桥梁所受到的气动力显著增大而桥上列车所受到气动力相应减小。为了比较分析在桥面设置不同高度风屏障时车-桥系统周围的流场，选取风攻角为0°，风屏障高度为2.5 m和4.0 m，列车分别处于桥面迎风侧和背风侧，计算车-桥系统周围的压力分布。计算的静压云图如图5和图6所示。

图4  风攻角为0°时的背风工况气动力系数

Fig. 4  Aerodynamic force coefficients in leeward cases when wind attack angle is 0°

表2  桥梁阻力系数(风洞试验结果)

Table 2  Drag coefficient of bridge (Wind tunnel test results)

表3  列车阻力系数(风洞试验结果)

Table 3  Drag coefficient of the train(Wind tunnel test results)

从图5可见：当列车处于桥面迎风位置时，随着风屏障高度增大，迎风侧风屏障的迎风面正压区高度增大，与此同时，列车车体迎风面正压区风压明显减小，而其背风面负压区风压明显增大。这表明在侧向来流作用下，当列车处于桥面迎风侧行车线时，车体因风屏障高度增加受到的侧向气动力明显降低，而梁体相应承受了更多的侧向气动力。图6所示为列车处于桥面背风位置时车-桥系统周围流场的静压等值线云图。从图6可以看出：在侧向来流作用下，当风屏障高度由2.5 m增大至4.0 m时，迎风侧风屏障的迎风面正压区高度明显增大，这表明梁体因风屏障高度的增加受到了更大的侧向气动力；而随着风屏障高度增加，车体迎风面和背风面的压力均减小，但车体迎背风区压力差变化不明显，这表明风屏障高度对背风位置处列车车体的侧向气动力影响不大。

图5  风攻角为0°时的迎风工况车-桥系统周围流场静压云图

Fig. 5  Static pressure nephograms of flow field around train-bridge system in windward cases when wind attack angle is 0°

图6  风攻角为0°时的背风工况车-桥系统周围流场静压云图

Fig. 6  Static pressure nephograms of flow field around train-bridge system in leeward cases when wind attack angle is 0°

4  结论

1) 在风攻角分别为-3°，0°和+3°时，风屏障高度在2.5~4.0 m范围内每增加0.5 m，迎风与背风工况中的桥梁阻力系数均增大至少10%，而桥梁升力系数变化不明显，这表明在侧风环境中风屏障高度对梁体所受侧向气动力的影响较明显。

2) 风屏障高度对列车阻力系数的影响因列车处于桥面的位置而异。当列车处于桥面迎风位置时，各风攻角的列车阻力系数随风屏障高度增大而减小；当列车处于桥面背风位置时，各风攻角的列车阻力系数受风屏障高度的影响均较小。此外，风屏障高度对列车升力系数的影响较小。

3) 风屏障高度对车桥系统周围流场的影响比较明显。当风屏障高度增加时，梁体迎风面正压区高度显著增大，从而导致梁体受到的侧向气动力增大。风屏障高度对迎风位置处列车车体两侧的压力差影响较大，而对背风位置处列车车体两侧的压力差影响不大。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2016-09-12；修回日期：2016-11-22

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51678576，51378511，51178471)；国家重点研发计划项目(2017YFB1201204)；湖南省高校创新平台开放基金资助项目(13K006)(Projects(51678576, 51378511, 51178471) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2017YFB1201204) supported by the National Key R&D Program of China; Project(13K006) supported by the Innovation Platform Open Fund Project of Hunan Province)

通信作者：朱志辉，副教授，从事车桥耦合振动研究；E-mail：zzhh0703@163.com