高速铁路防风栅的挡风效果数值模拟研究①

沈广旭， 金阿芳， 闻腾腾

(新疆大学机械工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047)

0 引 言

我国于2014年底开通的兰新第二双线铁路，全长1776km，其中兰新线风区长525km。这些风区具有风速大、风期长、起风速度快的特点,由于风区内风力强劲，对铁路列车运行安全及运输畅通构成了严重威胁。最近几年，铁路工作者们提出了多种防沙方法，取得了较好的防沙效果，为兰新高速铁路风沙防治起到了一定的借鉴作用[1～3]。国内外学者对防风栅做了一些研究。如李锋[4]研究了多孔介质模型防风栅相关参数的选取；李波[5]采用数值模拟的方法研究了防风栅对高速列车的挡风效果；Maruyama[6]实现了利用大涡模型模拟防风栅流场的方法； Andrija[7]等通过风洞试验，分析了防风栅孔隙率和高度对大跨度斜拉桥气动弹性特性的影响。防风栅具有导风作用，相较于挡风墙而言，可能具有更好的挡风效果，防风栅的设计参数决定着防风效果的优劣。利用FLUENT软件，保持防风栅的高度4m不变，对3种孔隙率防风栅的挡风效果进行数值模拟，对模拟的结果进行分析，希望为铁路工程维养和新线建设提供理论依据。

1 理论和方法

1.1 控制方程

对风场的模拟是稳态的，湍流模型采用标准k-ε模型。k方程、ε方程、与动量方程、能量方程、连续相方程共同构成了空气流动与换热的控制方程。

动量方程：

(1)

式中：p为静压,τij为应力张量,ρgi是i方向的重力分量,Fi是由于阻力和能源而引起的其他能源项.能量方程：

(2)

式中：cp为比热容,T为温度设为常温,k为流体的传热系数设为20W/(m2·K),ST为流体为粘性作用的粘性耗散项.

连续相方程：

(3)

式中：ρ为流体的密度即空气的密度,ui为流体速度沿i方向的分量.

k和ε是两个基本的未知量,对应的输运方程为:

(4)

Gk是由于平均速度梯度引的湍流动能k的产生项：

(5)

Gb是由于浮力引起的湍流动能k的产生项：

(6)

式中：cμ=0.09，湍流能k对应Prandtl数σk=1.0，耗散率ε对应的Prandtl数σε=1.3，c1=1.44，c2=1.92。YM代表可压湍流中脉动扩张的贡献,Sk和Si是自定义参数.

1.2 模型建立

以新疆兰新双线铁路为工程背景，对线路上高4m的防风栅进行研究。由于做流场分析，对于钢立柱做了简化处理。通过三维建模软件建立防风栅三维模型。模型长×宽×高=10m×0.2m×4m，孔隙率分别为12.56%、20.60%、30.66%，孔隙率计算公式为：φ=孔隙总面积/防风栅总面积。开孔形状为圆形，排列方式为阵列排列方式。3种孔隙率防风栅开孔形式如图1所示：

(a)孔隙率为12.56% (b)孔隙率为20.60%

1.3 计算区域和网格划分

计算域取长×宽×高=10m×50m×8m。防风栅距离入口边界20m，距离出口边界30m。导入Meshing中进行网格划分，物理运算环境为CFD,对防风栅进行了细化。以孔隙率为12.56%的防风栅为例，划分网格后，节点数为46万，网格单元数为218万，计算域尺寸和计算域网格如图2(a)和(b)所示：

图2 (a)计算域尺寸 图2(b)计算域网格

图3 边界条件

1.4 边界条件

边界条件给定如下：入口边界类型为速度入口(Velocity—Inlet)，定义入口风速为20m/s；出口边界类型为压力出口(Pressure—outlet)，设置静压为0Pa；计算域其他面采用无滑移的壁面边界(Wall),边界条件如图3所示：

2 结果分析

2.1 压力云图分析

通过对比3种孔隙率防风栅对称面上的压力云图和压力曲线图可知，随着孔隙率的增大，在防风栅前面压力逐渐减小，最大值由1150Pa(孔隙率为12.56%)降到了870Pa(孔隙率为30.66%)。在防风栅后面，随着孔隙率增大，压力云图的颜色由深色变为了浅色，最大负压的值也在减小，由1260Pa(孔隙率为12.56%)降到了916Pa(孔隙率为30.66%)，这是因为在孔隙率增大以后，防风栅对风的阻挡作用减弱。

图4 不同孔隙率计算域对称面上压力云图

图5 不同孔隙率计算域对称面上速度云图

图6 不同孔隙率的防风栅后铁路中心线的风压

2.2 速度云图分析

通过对比3种孔隙率防风栅对称面上的速度云图可知，随着孔隙率的增大，在防风栅高度以上的加速区空间，风速有所减小，由59.4m/s降到53.1m/s再降到47.1m/s。这是因为孔隙率增大以后，防风栅的透风性增加，正面而来的风受到防风栅的阻挡变小，因此在上扬区风速会呈现减小的趋势。由速度曲线图可知，在防风栅后，风速整体上呈现出先增大后减小再增大的规律。

2.3 铁路中心线风压分析

为了研究孔隙率对防风栅后铁路中心线风压的影响，对比了孔隙率分别为12.56%、20.60%、30.66%，高度相同(h=4m)的防风栅数值模拟结果，通过从fluent中导出的数据，得到铁路中心线上的压力云图如图所示：

分析上图不同孔隙率的防风栅后铁路中心线的风压曲线图，可以得到以下结论：不同孔隙率防风栅的遮风效果存在明显的差异。当防风栅的孔隙率从12.56%增加到20.60%时，铁路中心线上距地面0～6m范围内，压力变化较大；当防风栅的孔隙率从20.60%增加到30.66%时，0～6m范围内，压力变化较小。随着防风栅孔隙率的增加，防风栅对风压的减弱效果变差，建议防风栅的孔隙率不要超过某一个值。从图中也可以看出，4m高的防风栅挡风范围在1.5倍防风栅高度，即6m高。

3 结 语

通过对高速铁路防风栅挡风效果进行数值模拟，得到如下结论：

(1)随着孔隙率的增大，在防风栅高度以上的加速区空间，风速有所减小，由59.4m/s降到53.1m/s再降到47.1m/s。在防风栅后，风速整体上呈现出先增大后减小再增大的规律。

(2)随着防风栅孔隙率的增加，防风栅的挡风减弱效果变差，建议防风栅的孔隙率不宜太大。

(3)4m高的防风栅挡风范围在1.5倍防风栅高度，即6m高。