兰新高速铁路挡风墙合理高度研究

黄尊地，常宁



兰新高速铁路挡风墙合理高度研究

黄尊地，常宁

（五邑大学 机电工程学院，广东 江门 529020）

为保障兰新高速铁路列车运行安全，建立了动车组、线路和挡风墙等的三维模型进行数值仿真计算. 经动模型试验和风洞试验验证，结果表明：合理挡风墙高度随路基高度的变化是非线性的，即在路堑上，合理挡风墙高度随路堑深度的增加而减小；在平地和路堤上，最优挡风墙的高度为3.5～4.0 m；合理设置挡风墙后，其最大防御风速随路基高度的增加而减小，路基越高越危险.

兰新高速铁路；挡风墙；路基

兰新高速铁路全长1 768 km，需穿越超过500 km的大风地区，且主要以路基形式通过. 风区内大风频繁、风力强劲，不仅吹翻列车，破坏站房、路基及通讯设施，甚至危及生命安全，大风对铁路列车运行安全及运输畅通构成了严重威胁[1-3]. 既有线挡风墙的防风研究表明：挡风墙在合理的高度下能很好地保障低速客货运列车的运行安全[4-7]. 但对于计划运营速度达350 km/h的兰新高速铁路高速动车组，要同时保证高速动车组的运行安全和弓网正常接触，使高速动车组安全通过风区，必须在风、车、路、墙、网等耦合空气动力特性和列车安全运行方面开展新的系统研究.

本文拟采用理论分析和试验验证相结合的方法，以数值仿真为主，建立兰新高速铁路上动车组、线路和挡风墙等的三维模型并模拟其真实运动状态，同时开展动模型试验和风洞试验加以辅助验证，研究大风环境下客运专线列车运行安全情况和弓网接触供电是否正常，以得到不同路基状况下的合理挡风墙高度，以及合理高度下的最大防御风速情况，以期为风区高速铁路的挡风墙工程建设及高速动车组列车运行安全提供可靠的理论依据.

1 仿真模型

兰新高速铁路计划运营CRH2型动车组. 由于CRH2动车组中间车辆截面形状不变，当气流流过车头一定距离后，绕流边界层的结构已趋于稳定，车辆气动力变化也趋于稳定，因此计算模型取头车+中间车+尾车编组；同时考虑转向架、风挡等设备，模型如图1所示.

图1 CRH2动车组模型图（单位：m）

根据既有线上挡风墙的研究经验，兰新高速铁路宜采用直立式挡风墙[4-5]. 线路设计要求挡风墙高度距轨面算起，顶面宽度为1.2 m，挡风墙位置以挡风墙内侧表面距离一线中心线的距离来定义，为5.7 m. 挡风墙横断面模型见图2.

2 流场算法

本文采用滑移网格技术研究横风下的非定常特性. 整个模型分4个区域：动车组区域、挡风墙区域以及挡风墙前后两端的空气域. 由于列车的外形相当复杂，动车组区域的网格一般可采用非结构网格. 列车车壁附近的流场复杂，要求网格非常密，但该区域不宜太大，以减小网格的规模. 其他区域均采用结构化网格，离列车较近的地方，网格可以稍微密一点；离列车较远的地方，网格可以比较稀.

图2 挡风墙横断面模型图(单位：m)

边界条件设定中，挡风墙及其前后空气域给定来流横风风速，车体表面和地面为无滑移壁面边界条件.

待流场达到充分湍流后，动车组区域以350 km/h的速度通过挡风墙及其前后的空气域. 计算时间应根据整个区域长度和列车车速计算，时间步长应根据网格划分的精度和列车车速计算. 当列车完全通过时，输出整个过程的列车气动性能—时间曲线.

3 算法验证

3.1 动模型试验

当流场中的流态为湍流时，试验发现，流体存在一个自模拟区，当模型和实物处于同一自模拟区时，模型和实物的雷诺数不必保持相等，雷诺数的变化也不再影响所研究的现象[10]. 模型试验的参数结果可以用到实物中去，利用自模拟性可以明显简化模型试验的条件. 动模型试验中挡风墙模型如图3所示.

3.2 风洞试验

图3 动模型试验中的挡风墙模型

图4 风洞试验中的挡风墙模型

4 试验结果与分析

根据《京津城际铁路技术管理暂行办法》第170条，计算CRH2动车组的气动力数据作为判别依据. 图5为5 m和2 m路堑，平地上，3 m、5 m和7 m路堤时，不同挡风墙高度下的极限风速，包括倾覆力矩和接触网两方面. 倾覆力矩和接触网的极限风速随挡风墙高度的变化规律不同，但两条曲线的交点是各挡风墙高度下列车可以正常通过的最大安全风速.

5 m路堑，最优挡风墙的高度为1.36 m，最大防风风速为47.9 m/s；2 m路堑，最优挡风墙的高度为3.4 m，最大防风风速为39.1 m/s；平地上，最优挡风墙的高度为4.04 m，最大防风风速为36.5 m/s；3 m路堤，最优挡风墙的高度为3.5 m，最大防风风速为32 m/s左右；5 m路堤，最优挡风墙的高度为3.6 m，最大防风风速为30.5 m/s左右；7 m路堤，最优挡风墙的高度为4.02 m，最大防风风速为28 m/s.

图5 不同挡风墙高度下的极限风速

不同路况下的最优挡风墙高度和最大防御风速随路基高度的变化如图6和图7所示. 合理挡风墙高度随路基高度的变化是非线性的：在路堑上，合理挡风墙高度随路堑深度的增加而减小；在平地和路堤上，最优挡风墙的高度基本在3.5～4.0 m. 合理设置挡风墙后，其最大防御风速随路基高度的增加而减小，路基越高越危险. 图8给出了横风环境下平地上设置合理挡风墙后，列车在一线运行时周围流场的速度矢量图和压力云图.

图6 合理挡风墙高度随路况的变化规律

图7 合理挡风墙最大防御风速的变化规律

图8 平地上设置合理挡风墙时列车周围的速度和压力分布

以上各路况上设置合理挡风墙后，横风作用下，气流在挡风墙的前沿发生分离，在挡风墙后侧产生涡流；挡风墙有效承担了横风造成的巨大正压，且缓解了受电弓和接触网接触处的横风风速，这样既保证了列车在线路上正常高速行驶的安全性，又保证了受电弓和接触网之间的正常接触使供电正常.

5 结论

本研究建立了动车组、线路和挡风墙等的三维模型进行数值仿真计算，经动模型试验和风洞试验验证得出：合理挡风墙高度随路基高度的变化是非线性的：在路堑上，合理挡风墙高度随路堑深度的增加而减小；在平地和路堤上，最优挡风墙的高度基本在3.5～4.0 m；合理设置挡风墙后，其最大防御风速随路基高度的增加而减小，路基越高越危险. 在兰新高速铁路线上，可以依据具体的路况、当地有记录的最大风速和建造材料费用等情况，来决定不同地形地段上建造的挡风墙的合理高度，使之既可抵御当地环境风速，又能与其他地段挡风墙合理衔接过渡，以保证整个兰新高速铁路线上动车组的安全运行，并达到美观与实用的双重效果.

[1] 高广军，田红旗，姚松，等. 兰新线强横风对车辆倾覆稳定性的影响[J]. 铁道学报，2004, 26(4): 36-40.

[2] 杨明智，袁先旭，鲁寨军，等. 强侧风下青藏线列车气动性能风洞试验研究[J]. 实验流体力学，2008, 22(1): 76-79.

[3] 任尊松，徐宇工，王璐雷，等. 强侧风对高速列车运行安全性影响研究[J]. 铁道学报，2006, 28(6): 46-50.

[4] 刘凤华. 不同类型挡风墙对列车运行安全防护效果的影响[J]. 中南大学学报：自然科学版，2006, 37(1): 176-182.

[5] 刘凤华. 加筋土式挡风墙优化研究[J]. 铁道工程学报，2006, 91(1): 96-99.

[6] 姜翠香，梁习锋. 挡风墙高度和设置位置对车辆气动性能的影响[J]. 中国铁道科学，2006, 27(2): 66-70.

[7] 王厚雄，高注，王蜀东，等. 挡风墙高度的研究[J]. 中国铁道科学，1990, 11(1): 14-22.

[8] 费祥麟，胡庆康. 高等流体力学[M]. 西安：西安交通大学出版社，1989.

[9] 吴建民. 高等空气动力学[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，1992.

[10] 田红旗. 列车空气动力学[M]. 北京：中国铁道出版社，2007.

A Study of the Reasonable Height of Windbreaks for the Lanzhou-Xinjiang High-speed Railway

HUANGZun-di, CHANGNing

(School of Electrical Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

In order to guarantee the safe running of trains on the Lanzhou-Xinjiang high-speed railway, a 3-D model for EMUs, lines and wind walls is built for simulation calculation. The dynamic model testing and wind tunnel testing show that the variation of the reasonable height of the wind break wall in relation to the roadbed is non-linear: in trenches, the reasonable height of the wind break wall decreases with the increase of the depth of the trench; on flat land and on embankments, the optimal wall height ranges from 3.5 to 4.0 meters. After the reasonable height is determined, the maximum wind speed to be defended against decreases with the increase of the height of the roadbed; the higher the roadbed, the more dangerous it is.

Lanzhou-Xinjiang high-speed railway; wind-break walls; roadbeds

1006-7302（2012）02-0063-06

U216.41+3

A

2011-12-22

黄尊地（1987—），男，山东济宁人，助教，硕士，从事轨道交通车辆研究.