侧风下挡风墙对CRH2列车－简支梁桥气动性能的影响*

何旭辉，杜风宇，冉瑞飞，赖慧蕊

(中南大学土木工程学院，湖南长沙410075)

根据《中长期铁路网规划》，到2020年，建设客运专线1.2万km以上，客车速度目标值达到200 km及以上。随着列车运行速度的不断提高，在强侧风作用下，列车空气动力性能恶化，对列车安全运行产生极其不利的影响［1－6］。在侧风作用下，列车在特大桥梁上极有可能发生倾覆事故。曾在日本山阴线的余步桥上，超过列车临界倾覆风速的强风将列车吹至桥下，造成列车车辆、路轨、桥梁结构受损及人员伤亡的灾难性交通事故［7］。我国兰新铁路自通车以来(统计至2002年)，因大风而引起的列车脱轨、倾覆事故多达30起，吹翻货车110辆，而因大风引起的晚点、停运造成的损失更是无法计算［8］。桥梁上的风速和风力相对于地面时更加强劲，车－桥的耦合效应也使得列车所受的风荷载更为不利。近年来由于大风而引起的各种列车事故屡见不鲜，因此，为减少大风对运行于桥梁上列车的行车安全所造成的危害，应该在高大桥梁上采取相应的抗风措施。设置挡风墙及其他防风设施，是保证风区新建铁路列车安全运行的主要措施［9－13］。

1 数值计算理论及模型

侧风作用下车桥周围流场采用三维粘性不可压缩湍流流动模拟。描述车桥周围空气流动的控制方程包括质量守恒方程、动量方程及湍流模型方程。在此，湍流模拟选用Realizable k－ε模型。方程具体形式见文献［14］。

列车模型选取CRH2型高速列车，其外形复杂且长细比较大，受计算机处理能力的限制，对列车模型进行必要的简化。高速列车中间部分横截面的形状保持不变，气动力的变化在列车中部趋于稳定［15］。研究列车静止于桥上各工况时，采用头车+中间车+尾车的三节车简化模型，其中头车和尾车的几何外形完全一样，且忽略列车外部突出物。桥梁以京沪高速铁路32 m简支梁为研究对象，梁宽12.24 m，梁高3.628 m，墩高取10 m，桥梁选取三跨简支梁模型。

挡风墙模拟采用以下假定:挡风墙由一系列均匀分布的横向栏杆代替，高度定义为挡风墙顶面与桥面距离。因研究的挡风墙高度及透风率变化较多，这里仅给出部分高度3 m不同透风率挡风墙的示意图，如图1所示。挡风墙形式表达为A m BC，其中A代表高度(m)，B代表透风率(%)，C代表高度A和透风率B下挡风墙的栏杆数。

图1 挡风墙示意图Fig.1 Schematic of wind－break wall

计算模型采用非结构网格来离散。在网格划分过程中采取试算方法，对不同网格大小的模拟结果进行对比分析。列车表面网格取0.05～0.20 m，对车头变化复杂的部位进行局部加密，桥梁表面网格取0.15～0.40 m。对靠近列车与桥梁表面范围的体网格进行加密，体网格均选用Gambit的sizefunction完成。车桥网格划分如图2所示。

图2 网格划分图Fig.2 Mesh figure

2 计算结果分析

2.1 雷诺数

根据雷诺数的定义Re=Vl/υ，假设运动粘度υ不变，可通过改变速度V和特征长度l来改变雷诺数Re。Scanlan［16］指出，如果桥梁风洞试验的缩尺比小于1∶300时，应重视雷诺数效应。20世纪80年代初，Schewe［17］在对圆柱的雷诺数、H形断面与桥梁断面进行研究，发现雷诺数效应不同程度地存在于这些断面。Schewe［17］通过对机翼、圆柱和桥梁断面(大海带东桥引桥)尾迹区形状随雷诺数变化研究认为，雷诺数对三分力的影响体现在其对尾流形状的影响。

在桥梁上设置挡风墙后，车－桥系统的外形改变较大，有必要对雷诺数的影响进行分析。这里以高4 m、透风率20%挡风墙为例，通过风速和缩尺比的改变，计算了8种工况下列车的气动力系数。定义缩尺比为1∶25、风速为10 m/s模型的雷诺数为1，计算结果见表1。

表1结果表明，雷诺数对列车气动力有一定的影响。由于头车外形比中车圆滑，头车受影响更大。对头车，工况1与工况3相比，侧力系数相差6%，升力系数相差18%，倾覆力矩系数相差14%，说明模型尺寸与真实值越接近，计算所得结果越准确。风速增大，气动力系数减小，用某一风速得出的结果应根据具体情况进行必要的调整才能与实际相符。雷诺数相同时气动力系数基本相同。

2.2 桥梁气动性能

在探讨列车对有挡风墙桥梁气动性能影响时，研究在安装不同高度不透风挡风墙时，横风风速10 m/s作用下，桥梁迎风侧有、无列车时桥梁的气动性能。图3所示为桥梁节段气动力系数随挡风墙高度的变化曲线。

由图3可知:随着挡风墙高度增大，有车桥梁的气动力系数开始增大，并逐渐超过无车桥梁，但两者差别不大，说明挡风墙超过一定高度后有车桥梁安全性要低于无车桥梁，因此，对于桥梁自身的安全性要加入列车的影响。同时，有车桥梁力矩系数在挡风墙高度超过3.5 m以后基本不再变化。

挡风墙与桥梁固结在一起，增加了挡风面积。对侧力，挡风墙越高，迎风面正压力越大，背风面负压区域也增大，因而桥梁侧力增大;对升力，桥梁上表面无挡风墙时，风自迎风面翼缘被分流，在靠近迎风面部分形成很大的负压，随后慢慢减小;有挡风墙时，风自挡风墙顶端被分流，桥梁上表面形成覆盖横向的大型漩涡，整个桥面形成较大的且数值相当的负压，靠近迎风侧负压小于无挡风墙时，靠近背风侧负压大于无挡风墙时。下表面都是靠近迎风侧负压大，靠近背风侧负压小，总体上有挡风墙时比无挡风墙时负压大;无挡风墙时，由于上表面靠近迎风面部分负压大得很明显，所以，整体上无挡风墙时升力大，而不同高度的挡风墙对桥梁上下表面的影响无太大差别，升力变化不明显;对力矩，无挡风墙时侧力较小，但是升力作用点离矩心远，且为正，力矩较大;当挡风墙高度大于1.5 m时，侧力有所增大，且作用点向上移，使得力矩正向增大，但是升力减小，且作用点相比无挡风墙时更靠近矩心，综合而使力矩减小。随着挡风墙高度的增大，侧力不断增大，侧力作用点不断往上移，升力变化较小。侧力是制约力矩变化的主要因素，因而，力矩随着侧力的增加而增大。

表1 不同雷诺数下列车气动力系数Table 1 Aerodynamic coefficients of train under different Reynolds numbers

表2 横风下不同栏杆挡风墙对列车气动性能影响Table 2 Influence of differentwind－break wall＇s railings on train aerodynamic coefficient under cross－wind

图3 桥梁节段气动力系数与挡风墙高度的关系曲线Fig.3 Relationship between aerodynamic coefficient of bridge segment and height ofwind－break walls

2.3 等价透风率

等价透风率即挡风墙高度、透风率相同，只有栏杆数量不同的情况。表2所示为横风风速10 m/s作用下，挡风墙高度分别为3.5m和4.0 m，透风率为40%，栏杆数量分别为5，6和7时列车的气动力系数

从表2可以看出:头车和中车的侧力系数随着栏杆数量的增加有减小的趋势，但降幅不大;头车和中车的升力系数随着栏杆数量的增加有增大的趋势，但增幅亦不大。随着栏杆数量的增加，头车和中车的侧力和升力变化趋势是相反的。在它们的共同作用下，倾覆力矩系数变小，变化量相对微弱，在3%以内。总体来讲，在等价透风率下栏杆数量多的挡风墙挡风效果要比栏杆数量少的挡风墙挡风效果优。

2.4 高度和透风率

侧风主要影响列车编组中头车的运行安全性，或者说侧风对列车运行安全性的影响主要由头车来体现［3］。在风速10 m/s横风作用下，对不同高度和透风率挡风墙下头车气动性能的变化规律进行了研究，结果如图4所示。图4中每条曲线代表在同一透风率下列车气动力系数随挡风墙高度的变化趋势。总体而言，3节车气动性能变化趋势一致。在桥面加设挡风墙后，各节车气动性能有了明显的改善。在相同透风率时，列车气动力系数随着挡风墙高度的变化而迅速减小，但挡风墙高度大于3.5 m时减小程度已不再明显，说明挡风墙高度并非越高越好，而是有一个合理的高度范围内。在同一高度挡风墙下，列车气动力系数随着透风率的增大而增大。

2.5 风偏角

由前面的分析知，高度为4 m、透风率为25%的挡风墙对列车的挡风效果最好。设置此种挡风墙，在合成风速100 m/s下，对不同风偏角下列车的气动力进行研究。合成风速原理如图5所示，列车视为静止，将环境风速和车速的反向速度进行矢量合成，得到合成风速［6］。图5中:w为环境风速; v为车速;u为合成风速;α为风向角;β为风偏角。图6所示为头车、中车、尾车的气动力系数随风偏角的变化曲线。

由图6可知:对侧力系数，当风偏角较小时，有头车、中车和尾车的侧力系数仪次减小，且三者变化规律不一致。中车随着风偏角的增大而近似线性增加，75°以后其值超过头车;头车变化曲线为上凸形，4 m 25挡风墙75°时最大;尾车变化曲线为下凸形，风偏角小于45°时为负值，30°时达到负向最大;90°时头车和尾车的侧力系数基本一样，与无挡风墙时分析结果一致。对升力系数:4 m 25挡风墙下风偏角小于60°时，头车、中车和尾车的升力系数依次减小，大于60°后与侧力变化规律一致。对力矩系数，变化规律与侧力系数的变化规律基本一致。

图4 挡风墙高度与列车气动力系数关系曲线Fig.4 Relationship between train aerodynamic coefficient and height ofwind－break wall

图5 合成风速原理Fig.5 Compounded wind velocity principle

图6 列车气动力系数与风偏角的关系曲线Fig.6 Relationship between aerodynamic coefficients of train and wind deflection angles

头车侧力系数计算值的多项式拟合曲线如图7所示。从图7可见:头车的侧力系数可以用五次多项式很好地拟合，中车和尾车侧力系数也同样适用此种多项式拟合。

图7 拟合曲线Fig.7 Fitting curve

3 结论

(1)雷诺数对列车气动力有一定的影响。由于头车外形比中车圆滑，头车受影响更大。

(2)挡风墙高度的增加会使作用于桥梁上的侧力和力矩系数增大，升力系数则变化不明显。侧力是制约力矩变化的主要因素。

(3)在等价透风率下，栏杆数量多的挡风墙挡风效果要比栏杆数量少挡风墙的挡风效果优。

(4)在桥面加设挡风墙后，各节车气动性能有了明显的改善。在相同透风率时，列车气动力系数随着挡风墙高度的变化而迅速减小，但当挡风墙高度大于3.5m时，减小程度已不再明显。在同一高度挡风墙下，列车气动力系数随着透风率的增大而增大。

(5)风偏角对列车气动性能的影响规律基本一致。各节车的侧力系数可用五次多项式很好地拟合。

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