挡风墙结构对高速列车气动性能的影响

何德华, 陈厚嫦, 于卫东, 曾宇清

(中国铁道科学研究院 机车车辆研究所， 北京 100081)



挡风墙结构对高速列车气动性能的影响

何德华, 陈厚嫦, 于卫东, 曾宇清

(中国铁道科学研究院 机车车辆研究所， 北京 100081)

高速铁路挡风墙结构能够有效改善大风条件下高速列车的气动性能，不同线路条件下的挡风墙结构对列车气动性能的影响也不同。针对CRH2型车3辆编组外形1∶1模型，采用数值计算方法分析了在路堤和桥梁两种线路条件下挡风墙结构对列车气动性能的影响，为保证计算方法的准确性，通过风洞试验对计算方法和网格离散进行了验证。研究结果表明：对于路堤运行条件，安装挡风墙后，列车周围流场的复杂度增加，车体表面多为负压，显著减小车体两侧的压差，能够有效改善列车的气动性能；对于桥梁运行条件，开孔式挡风墙结构能够起到明显降压作用，从而减弱横风对列车迎风侧的直接冲击，改善列车的气动性能。计算结果在后期试验中得到了验证，为兰新二线大风试验方案的制定和顺利开行提供了科学支撑。

挡风墙; 气动性能; 数值计算; 高速列车

恶劣的风环境容易导致列车的脱轨和倾覆，严重影响到列车的运行安全性和稳定性，横风环境下的列车运行安全性分析成为高速列车空气动力学的重要研究方向之一[1-3]。列车运行速度越高，大风对列车气动性能的影响也越显著，为减弱大风环境对列车气动性能的影响，在铁路沿线建造挡风墙成为最为有效的防风措施[4-5]。对于不同的线路环境，挡风墙的结构往往不同，常见的挡风墙结构主要有：土堤式、直插式、对拉式、柱板式、桥式等[6]，不同类型的挡风墙结构，其防风效果也不相同。

目前，已有很多关于挡风墙对列车周围流场影响规律的研究成果，叶坤等[5]采用数值计算方法对挡风墙的高度和距离进行了优化分析，得到了不同风速条件下最佳的挡风墙高度和距离；张洁等[7]对兰新铁路土堤式挡风墙进行了阶梯式设计，并对桥梁上透风式挡风墙高度进行了优化设计；周丹等[8]通过数值计算、风洞试验和现场试验方法研究了挡风墙的防风沙效果。这些研究成果为挡风墙的工程结构设计提供了依据。

新建兰新铁路第二双线正线全长1 776 km，线路通过甘肃境内安西风区和新疆境内的烟墩风区、百里风区、三十里风区、达坂城风区五大风区，全线大风区线路的长度合计579.599 km，占线路总长的32.6%，风区瞬时最大风速可达60 m/s。兰新铁路第二双线大风区以极端天气下可以停轮，一般情况下少限速、少停车为运营目标，进行防风工程设计，共设置防风工程404.682 km，防风结构包括路基挡风墙、桥梁挡风屏和防风明洞。

新设计防风工程后，动车组列车遇大风行车限速的现有技术规定是否适用有待进一步研究和探索，包括各种挡风结构下，临界风速是否可以提高，提高多少亟待确定，从而为兰新线大风试验方案的制定和行车安全提供支撑和保障。鉴于此，本文在叶坤、张洁和周丹等人研究成果的基础上，采用数值计算方法系统的研究了在兰新二线的路堤和桥梁上建造的不同类型的挡风墙结构对高速列车气动性能的影响，分析不同运行速度和横风速度下挡风墙结构的防风效果，为大风区域不同横风速度下的高速列车限速指标的确定和大风试验开行方案的制定提供参考，并在后期试验中得到了验证。

1 数值计算方法

1.1 几何外形

采用的高速列车外形为3辆编组真实几何外形，忽略了受电弓、车顶空调导流罩等附属部件，列车运行线路包括路堤和桥梁两种形式，路堤挡风墙为竖墙式结构，挡风墙安装在路堤的迎风侧，路堤高度为兰新第2双线最高的10.89 m，挡风墙高度为4 m，距线路中心为5.7 m，桥梁挡风屏结构为开孔式弧形结构，在桥梁两侧同时安装挡风墙结构，桥梁高度为40.9 m，挡风屏高度为3.5 m，并有开孔，上方2.0 m开孔率是20%，下方1.5 m开孔率是10%，几何外形如图1所示。

图1 几何外形

1.2 计算方法

穿越五大风区的兰新二线设计速度为300 km/h，实际运营速度为250 km/h，本文分析的列车最高运行速度为275 km/h，横风速度最高为40 m/s，考虑到大气边界层效应，横风按指数风方式进行计算，其合速度的马赫数约为0.253 5，空气的压缩效应对列车气动力的影响不大。因此，本文采用不可压缩计算方法，流场求解采用SIMPLE算法，湍流模型采用k-wSST模型[9]，为控制物面处的边界层网格数量并保证流场计算精度，在壁面处使用了标准壁面函数。

边界条件：入口为速度入口边界，出口为压力出口边界，车体、地面、路基和挡风墙为无滑移固壁边界，为考虑地面效应对列车气动性能的影响，将地面、路基和挡风墙设置为移动地面，移动速度与列车运行速度大小相同，方向相反。

1.3 网格划分

以列车长度L为特征长度，路堤运行工况和桥梁运行工况的计算区域如图2所示。为更加准确的模拟列车背风侧的大涡结构，背风侧计算区域的宽度为3L，迎风侧的宽度为1.5L，列车前端计算区域的长度为1.5L，后端计算区域的长度为2.5L，由于桥梁比路堤高30 m，所以桥梁计算区域比路堤计算区域的高出0.5L。

图2 计算区域

本文采用正交六面体网格离散空间区域，在列车附近对网格进行加密，最小网格尺寸为6 cm，在车体表面布置边界层网格，由于使用了壁面函数方法，第一层边界层网格的厚度保证y+的值在30～100之间，对于路堤运行工况，总网格量为3.78×108个，对于桥梁运行工况，总网格量为5.777×108个，图3给出了空间剖面网格的分布。

图3 计算网格

1.4 算法验证

本文通过某型高速列车的风洞试验结果验证网格布置的合理性及数值计算方法的正确性。风洞试验的来流速度为60 m/s，试验模型为1∶8缩比模型，无侧偏角。表1给出了CFD(计算流体力学)计算结果与风洞试验数据，试验数据以整车气动阻力系数为基础作了单位化处理，可以看出，中间车的气动阻力系数最小，计算误差最大，为6.37%，其他两节车厢头车的计算误差都在3%以内，对于工程设计，通常要求的计算误差为10%以内，因此，各节车气动力系数的计算误差均在可接受的范围内，表明本文的网格布置及计算方法合理可行。

表1 风洞试验结果与CFD计算结果

2 结果与分析

2.1 路堤挡风墙对列车气动性能的影响

合理的挡风墙结构能够有效的改善列车的气动性能，对于本文采用的竖墙式挡风墙结构，为验证其结构是否合理，本文将对列车运行速度为200 km/h，横风速度为25 m/s的工况进行有、无挡风墙时列车气动性能的分析。

列车运行环境为路堤运行，挡风墙安装在列车的迎风侧。表2给出了有、无挡风墙时对列车运行安全性最为显著的3个气动力指标的值，可以看出：安装挡风墙之后，头车的气动升力Fl和气动侧向力Fs显著减小，气动倾覆力矩Mx的方向发生了变化，但绝对值减小；中间车和尾车的气动升力变为负值，即由抬升力变为下压力，中间车气动倾覆力矩的绝对值增大了119%，尾车的气动倾覆力矩的绝对值增大了250%，但两者的绝对值都很小，对列车运行安全性的影响不大。由此可见，在相同的横风环境下，本文采用的竖墙式挡风墙结构能够改善列车的气动性能，提升列车运行的安全性。

表2 有、无挡风墙时的列车气动力

为进一步分析挡风墙结构对列车周围流场的影响，图4给出了有、无挡风墙时列车不同位置横截面的速度云图，从图中可以看出：无挡风墙结构时，横风以来流速度直接吹向车体，在背风侧形成强度较大的漩涡，在迎风侧不存在漩涡，车体迎风侧表现出显著的高压区，背风侧表现出显著的低压区，致使列车所受的侧向力明显偏大；有挡风墙结构时，列车周围的流场变的非常复杂，气流绕过挡风墙之后，在挡风墙与车体之间形成了强度较大的漩涡，致使迎风侧车体表面也表现出负压区，在车体背风侧也形成了大涡结构，两侧漩涡对车体的共同作用，导致列车两侧的压力差比无挡风墙结构时小，有效减小了列车所受的气动侧向力；由于旋涡V的作用，导致车体右上部出现强度较大的高压区，该高压区的出现显著增大了列车所受的气动倾覆力矩，减小该高压区影响的一个有效方法是增大挡风墙的高度，使旋涡向车体顶部移动。

图4 有、无挡风墙时列车不同位置横截面的速度云图

图5给出了列车运行速度为250 km/h时路堤挡风墙线路条件下列车气动力随横风速度的变化曲线，可以看出：不同的横风条件下，头车的气动阻力都明显小于中间车和尾车的气动阻力，随着横风速度的增大，头车和中间车的气动阻力逐渐增加，尾车的气动阻力先增大后减小，当横风速度达到35 m/s时，中间车和尾车的气动阻力基本一致，当横风速度达到40 m/s时，中间车的气动阻力比尾车的气动阻力增大了约12 kN，此时，应重点考虑中间车气动阻力对整车气动阻力的影响；与中间车和尾车相比，头车的气动升力的很小，但其值为正值，最大值出现在横风速度为30 m/s时，其值为31 kN，而中间车和尾车气动升力在不同的横风速度下均表现为下压力，对列车运行安全性的影响不大；随着横风速度的增大，头车气动侧向力逐渐减小，尾车气动侧向力逐渐增大，中间车气动侧向力的变化没有规律性，在横风速度较低时，应关心头车的气动侧向力，当横风速度很大时，应主要考虑中间车和尾车的气动侧向力； 3节车厢的气动倾覆力矩变化与横风速度的变化没有明显的规律性，当横风速度达到40 m/s时，尾车气动倾覆力矩的绝对值最大，达到了26 kN·m，当横风速度由20 m/s增大到40 m/s时，头车和尾车气动倾覆力矩的方向均发生了变化，这主要是由车体两侧及顶部涡结构的变化引起的，通过改变挡风墙的高度和挡风墙与列车之间的距离，能够有效的改善挡风墙对列车气动性能的影响。

图6给出了横风速度为30 m/s时路堤挡风墙线路条件下列车气动力随运行速度的变化曲线，可以看出：运行速度的增大对头车气动阻力的影响不大，这与明线无挡风墙、无横风条件时气动阻力与列车运行速度成正比的结论明显不同，可见，大风条件下，挡风墙结构会显著改变列车的气动性能；中间车和尾车气动阻力随列车运行速度的增大而逐渐增大，当运行速度达到200 km/h以上时，运行速度的增大对中间车的气动阻力影响不大。随着列车运行速度的增大，头车气动升力有逐渐增大的趋势，尾车气动升力的绝对值逐渐增大，当运行速度小于250 km/h时，中间车气动升力的绝对值逐渐增大，当运行速度为275 km/h时，中间车气动升力的绝对值减小，此时，尾车气动升力的绝对值增大的幅度增加。当列车运行速度小于200 km/h时，头车的气动侧向力为负值，而当运行速度大于200 km/h时，头车的气动侧向力迅速增大，当运行速度达到275 km/h时，头车气动侧向力的值接近50 kN，严重影响到列车运行的安全性；中间车和尾车气动侧向力的变化与列车运行速度没有表现出明显的规律性，但中间车气动侧向力的变化与尾车气动侧向力的变化趋势相反，即中间车气动侧向力增大，尾车气动侧向力就会减小。当列车运行速度小于250 km/h时，头、中、尾车的气动倾覆力矩都很小，当运行速度为275 km/h，3节车厢气动倾覆力矩的绝对值都显著增大，头车气动倾覆力矩的方向与其他两节车厢气动倾覆力矩的方向相反。

图5 路堤挡风墙线路条件下列车气动力随横风速度的变化曲线(运行速度为250 km/h)

图6 路堤挡风墙线路条件下列车气动力随运行速度的变化曲线(横风速度为30 m/s)

通过上面的分析可见：在大风环境下，挡风墙结构对车体所受气动力的影响很大，当运行速度达到某个限制时，列车的气动性能会显著恶化，因此，即使安装了挡风墙，高速列车在大风环境下运行时，仍然需要考虑环境风速和运行速度对列车运行安全性和平稳性的影响。

2.2 桥梁挡风墙对列车气动性能的影响

本文计算的桥梁高度达到了40 m，高速列车相当于悬在空中高速运行，当不存在挡风墙结构时，大风将严重影响到列车运行的安全性和稳定性，为减少大风引起的列车事故，许多大风区域国家采用的防风措施多为在桥梁上安装挡风墙[10-11]。在大风条件下，与开孔式挡风墙结构相比，无孔式挡风墙不仅质量增大，而且每单位长度受到的气动力明显偏大，当桥梁距离很大时，将显著增大桥梁整体的载荷，降低桥梁结构的稳定性[4]。因此，新建高速铁路的高架桥上多安装开孔式挡风墙，本文研究的桥梁挡风墙为开孔式挡风墙，挡风墙结构见图1(c)。

图7给出了桥梁挡风墙线路条件下不同位置截面的压力云图，可以看出：在迎风侧，挡风墙具有很好的减压效果，车体迎风侧的高压区消失，背风侧的涡结构V2上移，导致车体背风侧的低压区强度减弱，从而使车体两侧的压差大幅减小，有利于减小车体所受的气动侧向力和气动倾覆力矩；车体顶部的旋涡V1和V2沿列车长度方向发展，涡核尺度逐渐增大，且向背风侧偏移，在x=15 m的位置，V2偏移至背风侧挡风墙处，致使此区域挡风墙内的压力小于挡风墙外的压力，即此处的挡风墙受到指向迎风侧的推力。

图7 桥梁挡风墙线路条件下不同位置截面的压力云图

图8给出了列车运行速度为250 km/h时桥梁挡风墙线路条件下列车气动力随横风速度的变化曲线，从图中可以看出：尾车的气动阻力明显大于头车和中间车的气动阻力，随着横风速度的增大，头车气动阻力先增大后减小，中间车气动阻力先减小后增大，尾车气动阻力逐渐增大，头车和中间车的气动升力逐渐增大，尾车气动升力逐渐减小，与横风速度为20 m/s时相比，当横风速度达到40 m/s时，头车的气动升力增大了约22 kN，中间车的气动升力由负值变为正值，尾车的气动升力由正值变为负值；从气动侧向力来看，随着横风速度的增大，头车的气动侧向力逐渐减小，中间车和尾车的变化趋势相反，中间车的气动侧向力先增大后减小，尾车的气动侧向力先减小后增大，当横风速度由20 m/s增大到40 m/s时，头车的气动侧向力方向由指向背风侧转为指向迎风侧，这主要是由于在挡风墙的干扰下，列车迎风侧和背风侧涡结构的强度发生了变化，导致车体两侧压差的符号发生了变化；与头车气动倾覆力矩的绝对值相比，中间车和尾车的气动倾覆力矩的值很小，横风速度的增大对两者的影响也比较小，随着横风速度的增大，头车气动倾覆力矩的绝对值先增大后减小，当横风速度达到40 m/s时，其值比横风速度为20 m/s时的值减小了75%。由此可见，横风速度的变化对头车气动性能的影响最大，在进行桥梁挡风墙结构设计时，应重点考虑挡风墙对头车气动性能的影响。

图9给出了当横风速度为25 m/s时桥梁挡风墙线路条件下列车气动力随运行速度的变化曲线，可以看出：随着列车运行速度的增大，3节车厢的气动阻力均逐渐增大，其中，头、尾车气动阻力与列车运行速度呈正比例关系，这与明线无横风、无挡风墙时列车气动阻力与运行速度的呈正比的结论一致，可见，透风式挡风墙结构能够有效减弱横风对列车气动性能的影响；随着列车运行速度的增大，头车的气动升力逐渐减小，中间车和尾车气动升力的变化趋势相反，中间车气动升力先增大后减小，尾车气动升力先减小后增大，两者的拐点都在160 km/h处，当运行速度为275 km/h时，尾车的气动升力变为正值；头车的气动侧向力随着运行速度的增大而增大，中间车和尾车的气动侧向力与列车运行速度的关系不大；运行速度为160 km/h时，头车气动倾覆力矩的值变为负值，随着运行速度的继续增大，头车气动倾覆力矩的绝对值逐渐增大，当运行速度达到275 km/h时，该值为7.3 kN·m，中间车和尾车的气动倾覆力矩的值很小，且与列车运行速度的关系不大。

图8 桥梁挡风墙线路条件下列车气动力随横风速度的变化曲线(运行速度为250 km/h)

图9 桥梁挡风墙线路条件下列车气动力随运行速度的变化曲线(横风速度为25 m/s)

3 结 论

为研究不同线路条件下的挡风墙结构对列车气动性能的影响，本文采用数值计算方法，针对路堤和桥梁两种线路环境，分析了不同运行速度和横风速度条件下挡风墙结构对3辆编组列车气动性能的影响，结果表明：

(1)在路堤上建造挡风墙，能够大幅减小头车的气动升力和气动侧向力，减小中间车和尾车的气动升力，在相同的横风环境下，挡风墙结构能够改善列车的气动性能，提升列车运行的安全性；

(2) 桥梁的开孔式挡风墙结构具有很好的减压效果，使车体迎风侧的高压区消失，背风侧的涡结构上移，使车体背风侧的低压区强度减弱，从而使车体两侧的压差大幅减小，有利于减小车体所受的气动侧向力和气动倾覆力矩；

(3)在路堤挡风墙运行条件下，随着横风速度的增大，头车和中间车的气动阻力逐渐增加，头车气动侧向力逐渐减小，尾车气动侧向力逐渐增大，头车的气动升力为正值，中间车和尾车气动升力表现为下压力，运行速度的增大对头车气动阻力的影响不大，随着运行速度的增大，尾车气动升力的绝对值逐渐增大；

(4)在桥梁挡风墙运行条件下，随着横风速度的增大，头车气动阻力先增大后减小，尾车气动阻力逐渐增大，头车和中间车的气动升力逐渐增大，尾车气动升力逐渐减小，头车的气动侧向力逐渐减小，头、尾车气动阻力与列车运行速度呈正比例关系，随着列车运行速度的增大，头车的气动升力逐渐减小，气动侧向力逐渐增大。

[1] Yang G W, Guo D L, Yao S B, et al. Aerodynamic design for China new high-speed trains[J]. Sci China Tech Sci, 2012, 55: 1923-1928.

[2] 杨志刚, 马 静, 陈 羽,等. 横风中不同行驶工况下高速列车非定常空气动力特性[J]. 铁道学报, 2010, 32(2): 18-23.

[3] Yao S.B., Sun, Z.X., Guo, D.L., et al. Numerical study on wake characteristics of high-speed trains[J]. Acta Mechanica Sinica, 2013, 29: 811-822.

[4] 张 洁, 高广军, 李靓娟. 高速铁路桥梁上透风式挡风墙高度优化[J]. 交通运输工程学报, 2013, 13(6): 28-35.

[5] 叶 坤, 李人宪. 高速铁路挡风墙高度和距离优化分析[J].西南交通大学学报, 2014, 49(2): 240-246.

[6] 李 荧. 兰新线百里风区不同型式挡风墙防风效果评估[J].铁道技术监督, 2012, 40(1): 34-42.

[7] 张 洁, 李堂红. 兰新铁路土堤式挡风墙阶梯式设计[J].中南大学学报(自然科学版), 2014, 45(4): 1334-1340.

[8] 周 丹, 袁先旭, 杨明智,等. 高速铁路挡风墙防风沙效果研究[J], 实验流体力学, 2012, 26(4): 63-67.

[9] J. Blazek, Computational Fluid Dynamics Principles and Applications[J]. Elsevier Ltd，2005. 16-17.

[10] 李燕飞, 田红旗, 刘辉. 高速铁路开孔式挡风墙外形优化研究[J].中南大学学报(自然科学版), 2011, 42(10): 3207-3212.

[11] Fuji T., Maeda T., Ishida H., et al. Wind-induced accidents of train/vehicles and their measures in Japan[J]. Quarterly Report of Railway Technical Research Institute, 1999, 40(1): 50-55.The Influence of Wind Wall on High-speed Train Aerodynamic Performance

HEDehua,CHENHouchang,YUWeidong,ZENGYuqing

(Locomotive & Car Research Institute, China Academic of Railway Science, Beijing 100081)

The wind-wall structure of high speed railway can effectively improve the aerodynamic performance of high-speed train under the strong wind. The different wind-wall structures under the line condition have the different effects on the train aerodynamic performance. In this paper, three dimension full scale model of CRH2EMU were established, and numerical calculation method were used to analyze the aerodynamic performance effect of train produced by the wind-wall structure in the embankment and bridge condition. In order to guarantee the accuracy of the calculation method, wind tunnel test results were used to verify the calculation method and the discrete grid. The study results showed that: in the condition of embankment, the complexity of the flow field around the train increased, and the pressure difference on both sides of the vehicle reduced greatly after the installation of wind-wall, negative pressure is produced more on surface of body, so the aerodynamic performance can be effectively improved. In the condition of bridge, the opening type wind wall structure can reduce the pressure significantly, so it can Weaken the direct impact on the train windward and improve the aerodynamic performance.

wind-wall; aerodynamic performance; numerical calculation; high-speed train

��)男，助理研究员(

2016-05-06)

1008-7842 (2016) 05-0021-07

U292.91+4

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2016.05.05