强侧风不同挡风墙下棚车气动性能*

黄尊地，常 宁

(五邑大学机电工程学院，广东 江门 529020)

强侧风对运行列车的安全危害很大，在其作用下，列车的气动性能恶化，不仅气动阻力迅速上升，而且严重影响列车的横向稳定性。因此，列车出现脱轨、翻车和人员伤亡的可能性增加。今年因强侧风导致列车行车安全在世界各国时有发生［1］。目前，像日本、德国和法国等一些强侧风频发的国家，都已开展了多项科研工作，包括风洞试验、实车实验和数值计算等，其目的是研究出强侧风对列车气动性能的影响及提出相应的防风措施［2］。兰新铁路既有线穿越新疆大风戈壁地区，自然条件十分恶劣，尤其是大风给列车运行安全造成的影响更为严重。自通车以来，常造成整列车被吹翻的重大事故，大风季节，常采用列车停轮，以保证行车安全，由此造成大批旅客、货车被滞留，给旅客出行带来极大不便。自2012年3月19日以来，兰新铁路、南疆铁路风区路段出现大风天气，致2条铁路24趟旅客列车被迫在沿途车站停轮避风。兰新铁路既有线上原已建成的挡风墙，由于气候和时间等原因，很多墙体都有损坏，挡风墙实际高度降低，有的甚至被风沙掩埋，所以，对兰新既有线防风设施的改进和修复工作迫在眉睫。本文基于兰新铁路既有线上强侧风条件［3－9］，对已有挡风墙形状和高度变化时棚车气动性能进行研究，以便为挡风墙优化建造提供参考。

1 计算模型

兰新线上运行的车辆很多，有单层客车、双层客车、单层集装箱、棚车、敞车、罐车及篷布车等等，但棚车的横向稳定性能最差，强侧风下最容易翻车的也往往是棚车［10］，故本文采用兰新上常用的DF11机车加3节棚车为车体计算模型。

根据现场线路实地测量和铁道工程建设标准，计算区域内，道床坡度为1∶1.75，路堤坡度为1∶1.5，线间距为 4.4 m，一线中心线和挡风墙内侧的距离是3.95 m，挡风墙外侧和路堤的距离为1.15 m。挡风墙的类型很多，但兰新既有线上分布最多的是土堤式、加筋对拉式和砼板式挡风墙，本文对这3种类型的挡风墙进行了研究分析。土堤式、加筋对拉式和砼板式挡风墙模型如图1所示，其中挡风墙的宽度分别为1.0，1.5和0.15 m，高度为挡风墙顶部到轨面的距离，路堤高度为路基到地面的高度。因为路堤高度和挡风墙高度都是本文的研究变量，所以，具体高度在图1中没有标出。

图1 挡风墙模型图Fig.1 Model of wind － break wall

列车是近地运行的庞大、细长物体。当列车高速运行时，若取列车长度为其特征长度，那么，列车外部流场雷诺数Re＞106，流场处于湍流状态，因此采用工程上应用较广的k－ε双方程模型。本文车速取值80 km/h，风速取值为46 m/s，马赫数小于 0.3，气流流动可按三维不可压缩处理［11－12］，计算时选择适合不可压流体计算的SIMPLEC算法［13－14］。在求解过程中，压力、力矩、湍流动能和湍流动能耗散率均采用QUICK精度格式保留，松弛因子选择使数值解稳定性高的参数组合［15］。

2 不同类型挡风墙研究

在对不同类型挡风墙气动性能研究的过程中，挡风墙高度初始高度为2 m。图2所示为平地上、不同挡风墙高度下，3种类型挡风墙下棚车倾覆力矩计算结果的绝对值随挡风墙高度变化曲线。

图2 3种挡风墙倾覆力矩比较Fig.2 Comparison of overturning moment among the three kinds of wind－break wall

从图2可见:挡风墙在任一高度上，土堤式挡风墙的倾覆力矩是最大的;随着挡风墙高度的增加，土堤式的气动性能逐渐变好;砼板式和加筋对拉式倾覆力矩很接近，但加筋对拉式还是要小一些，且它们随着挡风墙高度的增加先减小后增大。所以，在防风效果上，土堤式最差，加筋对拉式相对砼板式较好一些，即挡风墙的外形比尺寸大小影响作用显著。所以在后续的不同路堤上挡风墙高度的优化研究中，选用加筋对拉式挡风墙。

3 不同路堤和挡风墙高度组合研究

路堤高度不同，棚车周围的流场也不同，其最优挡风墙的高度也不相同。在实际研究中，对不同路堤和挡风墙高度组合下棚车的气动性能进行了研究。本文只选取了部分路况进行分析。图3和图4给出了路堤高度为2 m时，棚车在一线和二线上倾覆力矩随挡风墙高度的变化曲线，其中数值表示倾覆力矩，正负号仅表示倾覆的方向，负号表示倾覆方向为顺风向，正号表示倾覆方向为逆风向。

图3 路堤高度2 m时一线倾覆力矩比较Fig.3 Comparison of overturning moment on the first line when embankment is 2 m

图4 路堤高度为2 m时二线倾覆力矩比较Fig.4 Comparison of overturning moment on the second line when embankment is 2 m

在同一路堤高度下，头车、中车和尾车的气动性能非常接近。从图3可见:随着挡风墙高度的增加，一线时棚车的倾覆力矩由负值到零变到正值，倾覆方向也由顺风向转变为逆风行，零点位置时挡风墙高度在1.5～2.0之间，头车最高，中车次之，尾车最小;当路堤高度为2 m时，挡风墙高度为1.5～2.0，棚车的倾覆力矩有可能接近零，此时，棚车的气动性能最好。从图4可见:当棚车在二线时，倾覆力矩变化规律和一线是一致的，但是，倾覆力矩为零点的位置相对一线较低。

当路堤高度发生变化时，棚车周围的气动流场发生变化，棚车的侧向力和升力也发生变化，造成棚车倾覆力矩数值和方向同样也会发生变化。图5和图6所示为棚车在一线、路堤高度分别为0 m和5 m时，棚车倾覆力矩随挡风墙高度的变化曲线。

图5 路堤高度0 m时一线倾覆力矩比较Fig.5 Comparison of overturning moment on the second line when embankment is 0 m

图6 路堤高度5 m时一线倾覆力矩比较Fig.6 Comparison of overturning moment on the first line when embankment is 5 m

从图3、图5和图6可见:路堤高度不同时，棚车倾覆力矩的变化规律相同，但倾覆力矩接近零点时挡风墙的高度不同;随着路堤高度的增加，零点挡风墙位置在逐渐减小，但减小的幅度不断变小;棚车在二线时的倾覆力矩零点挡风墙高度相对一线要小，也同样随着路堤高度的增大而减小。砼板式挡风墙、倾覆力矩零点挡风墙高度变化与加筋对拉式挡风墙的接近。表1中列出了加筋对拉式和砼板式挡风墙下棚车倾覆力矩接近零时的挡风墙高度范围，即最优挡风墙高度范围。

表1 最优挡风墙高度范围Table 1 Range of the best wind wall m

4 计算结果分析

当路堤高度为2 m，无挡风墙、土堤式挡风墙高2 m、砼板式挡风墙高2 m和加筋对拉式挡风墙高2 m时，棚车周围的流速矢量图和压力云图分别如图7～10所示。

图7 路堤高度为2 m、无挡风墙时的速度矢量图和压力云图Fig.7 Velocity vector and pressure nephogram without wind－break wall when embankment is 2 m

图8 路堤高度为2 m、土堤式挡风墙高2 m时的速度矢量图和压力云图Fig.8 Velocity vector and pressure nephogram of wind －break wall when embankment is 2 m

图9 路堤高度为2 m、砼板式挡风墙高2 m时的速度矢量图和压力云图Fig.9 Velocity vector and pressure nephogram of wind －break wall when embankment is 2 m

图10 路堤高度为2 m、加筋对拉式挡风墙高2 m时的速度矢量图和压力云图Fig.10 Velocity vector and pressure nephogram of wind －break wall when embankment is 2 m

分析挡风墙不同类型可见:土堤式挡风墙的防风效果最差;加筋对拉式挡风墙高度达到一定数值时，棚车的倾覆力矩会接近零点，且路堤越高，接近零点时的挡风墙高度越低。产生这些现象的原因是:图7中，线路一侧没有挡风墙，流场在棚车的迎风侧面停滞，使棚车迎风面行成很大的正压;而在上部产生加速效应，棚车上方的流速激增，压力下降，且背风侧生成涡流，有很大的负压，使得车体受到的横向力和升力迅速增大，容易侧翻。图8～10中，迎风侧修建挡风墙，整个流场中会发生2次加速效应:一次是在挡风墙上端，流场流速增加，一部分沿着挡风墙上侧继续流动，一部分在车体和挡风墙中间形成滞止流;继续流动的流场部分在棚车的迎风侧面上端再次发生加速，会在棚车后形成很大的涡流区。图9中，土堤式挡风墙两侧是爬坡形式的，流场中流体会漫过土堤式挡风墙在挡风墙和车体中间形成正压，所以在挡风墙高度一定时，土堤式的侧向力最大，防风效果最差。因此，必须继续增高土堤式挡风墙的高度，才可能达到砼板式或加筋对拉式挡风墙的防风效果。图9和图10中，挡风墙的存在使分离的流场远离了车体，这样，在车体和挡风墙之间的滞止流使车体受到很小的正压，车体后面是很大的负压;当挡风墙高度继续增加时，车体和挡风墙之间的正压减小，出现负压;当挡风墙达到一定高度时，车体两侧受到的负压相等，即棚车的倾覆力矩接近零点。高路堤可以加快流场的增速效应和提前分离，使棚车倾覆力矩接近领零点时挡风墙的高度降低，这正是路堤高度越高，最优挡风墙高度越低的原因。

当棚车处在二线时，在相同高度下，二线时棚车前后两侧受到的压差较小，即倾覆力矩出现零点的挡风墙高度要比一线低一些。

5 结论

(1)在防风效果上，土堤式挡风墙最差，加筋对拉式和砼板式相差不大，即挡风墙的外形比尺寸影响作用显著。在既有线挡风墙的改造过程中，建议将土堤式挡风墙改造为加筋对拉式挡风墙，同时清理加筋对拉式挡风墙迎风侧的沙石;为减小改造过程的人力、物力和资金投入，砼板式挡风墙可以不必加大其宽度。

(2)当挡风墙类型为加筋对拉式，路堤高度一定时，随着挡风墙高度的增加，棚车倾覆力矩绝对值先减小到零点后逐渐增加，倾覆方向也会发生转变，由顺风倾覆向逆风倾覆转变;棚车头车、中车和尾车的气动性能非常接近。

(3)当挡风墙类型为加筋对拉式和砼板式，棚车在一线时，倾覆力矩零点的挡风墙高度比在二线时要大一些。随着路堤高度的增加，棚车倾覆力矩零点的挡风墙高度值逐渐减小，但减小的幅度变缓。

(4)兰新既有线列车运行速度一般都较低，合理改造挡风墙工程可以保障列车的运行安全，但如果要提高列车运行速度及效率，建议采用半封闭式防风走廊或者全封闭式防风走廊代替原有的防风设施。

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