高铁挡风墙对强风沙响应规律的数值模拟研究∗

2020-03-06岳海燕金阿芳高卫强

新疆大学学报(自然科学版)（中英文） 2020年1期

岳海燕，金阿芳，高卫强

(新疆大学机械工程学院，新疆乌鲁木齐830047)

0 引言

我国面积辽阔，铁路运输具有不可替代的作用，20世纪90年代以来，中国对高速铁路的建设开展了大量的科学研究和技术攻关，我国铁路形成了具有中国特色的高铁技术体系[1].兰新高速铁路于2014年通车，是中国《中长期铁路网规划》的重点项目，也是欧亚大陆桥铁路走廊不可或缺的部分.

新疆植被稀少，沙源丰富，在大风经过的地带就会形成沙尘天气[2].大风区内自然条件恶劣，风速高、风期长、起风速度快，尤其是百里风区和三十里风区，属于内陆风力最为强劲的地区.兰新线百里风区每年都会出现速度超过40 m/s 的大风，实测最大风速(瞬时)可达64 m/s，给铁路运输造成了巨大的安全隐患.目前高速列车的行驶速度不断提高，而列车由于大风影响出现事故的情况频发[3].强风容易造成诸如火车倾覆，车窗玻璃破碎和铁路交通设施损坏等事故，而高速列车普遍运行速度快，对环境要求高，强横风将严重影响列车的安全运营[4].

根据以往的经验总结和大风对既有线路的危害分析，铁路运营需要解决列车倾覆、轨道积沙、沙石击碎玻璃等诸多问题，以免影响铁路安全运营.在横风等恶劣天气下，列车能否尽可能抵抗其影响从而安全运营是衡量列车运行的重要特征[5].为保障列车在大风天气下能正常运行，国内外多采取建造挡风墙来减小横风对列车运行影响的措施[6,7]，挡风墙是行之有效的防风手段.

研究人员对此进行了众多探索，MARIJO 等[8]运用试验与数值计算方法研究了三维挡风墙后紊流的特性.张军平等[9]通过对路基周围风沙流场数值分析，发现在路基周围会出现气流运动的速度分区，并针对不同速度分区进行研究.许志峰[10]研究了挡风墙的疏透度，并提出使列车平稳运行的挡风墙设置.张洁等[11]提出两种优化挡风墙坡脚的方案，研究其对列车气动力系数的影响.郑晓静等[12]对铁路沿线已有挡风墙在受强侧风作用时避免行进列车倾覆方面的有效性以及挡风墙沿线所存在的积沙问题进行了定量分析.牛波等[13]通过数值模拟方法研究高速列车在不同车速和不同沙尘暴等级下运行时，沙尘对挡风墙高度和距离等参数的影响.

上述文献主要从设置挡风墙后，防止列车倾覆的角度去研究，忽略了挡风墙的阻沙效果及流场特性.兰新高铁线路所处的特殊地理环境和气象条件，不仅要求沿线的挡风墙具有挡风作用外，还要具备防沙阻沙效果.本文利用CFD方法，借助湍流模型与DPM模型，模拟了不同初始风速的强风沙途经不同参数的挡风墙时路堤周围的流场情况，继而分析不同工况的挡风墙对强风沙的响应规律，为今后西北多风沙地区铁道工程设置挡风墙提供参考.

1 数值模型的建立与分析

本文主要计算风沙条件下，挡风墙周围的流场特性，采用DPM离散相模型进行数值模拟.控制方程包括质量方程、动量方程与湍流模型方程，本文选择k-ε 湍流模型.

连续方程

式中，ρ为密度，t为时间，u为速度，单位都为国际单位.

动量方程

式中，p为流体微单元上的压强，τxx，τyy，τzz等是因分子粘性作用而产生的作用在微单元体表面上的粘性应力τ的分量，fx，fy，fz为三个方向的单位质量力.

K −ε方程

式中，k为湍动能，µt为湍动强度，ε为湍动耗散率，u为速度分量，G由平均速度梯度引起的湍动能产生，σt,σε为响应的普朗特系数，C为经验常数.

2 计算模型及方法

在大风地区需要设置挡风墙以减弱强风对高速列车的影响，文中挡风墙高度设定为H m.经查阅文献，风区多为季风且风向稳定，因此，设计模型为单侧挡风墙.借助CFD方法对路堤及挡风墙流场进行数值计算，携带不同体积含量沙粒的风沙流以一定的速度沿水平方向进入流场左侧，因空气质量较轻，可忽略其重力对速度的影响.

2.1 计算区域与边界条件

采用直立式挡风墙，以兰新高铁沿线中某一典型挡风墙几何尺寸为设计原型建立数值模型，如图1所示.设定路堤高度为3 m，路堤边坡坡比为1：1，挡风墙位置设置在距离路堤迎风侧坡脚3 m处，墙高为H m，路堤两侧坡脚都距离模型边界20 m.

为了让气流的绕流和流场充分发展，避免挡风墙背风侧涡旋流对出口边界条件的影响，数值计算模型长度为55 m，高度为15 m，宽度为25 m.

模型左侧为速度进口边界条件（VELOCITY-INLET），设置为含有沙粒的均匀风场，风速均匀，沙粒直径一般在0.1 mm∼0.25 mm；模型右侧为出口，出口采用自由出口边界条件（OUTLET-VENT），其余设置为无滑移壁面边界条件（WALL）.

图1 计算区域与边界条件Fig 1 Calculating area and boundary conditions

2.2 网格划分及数值模拟工况

本文为保证数值模拟的准确性和计算效率，不过多占用计算资源，使用ICEM CFD软件进行网格划分，如图2所示.由风沙流场的运动特性可知，靠近挡风墙，路堤的运动更为复杂，因此在进口、挡风墙与路堤周围处的网格划分较为稠密，在出口、地面、壁面的网格较为稀疏，这样既可以节约计算时间，加快数值模拟的收敛速度，又充分考虑到重点观测部位以保证模拟的有效性和准确性，提高了计算精度.计算工况如表1所示.

图2 计算域网格Fig 2 The grids of calculation field

表1 计算工况Tab 1 Calculation conditions

3 模拟结果及分析讨论

3.1 路堤周围流场特性分析

国内关于风沙流运动特性研究的历史较短，大多数研究机构通过风洞试验或者实际野外观测的手段，本文使用数值模拟方法，研究未布设挡风墙的情况下，路堤周围的流场特性.气流和沙粒从流场左侧以20 m/s的速度平行于地表进入，气流的速度分布云图和速度矢量图如图3所示.

图3 路堤周围流场分布图Fig 3 Flow field distribution around the embankment

如图3所示，气流遇到路堤阻挡后，运动方向发生改变，在路堤迎风侧路肩处开始形成速度分区，在路堤上方速度变大，在迎风侧坡脚和背风侧处形成低速区，且背风侧的风速减小的范围要远大于迎风侧坡脚处，由于受到迎风侧坡面的影响，风速沿着坡面逐渐叠加，在迎风侧路肩上方位置风速急剧增大，对路肩的侵蚀也最为严重，且沙粒也极易堆积在迎风侧与路堤处，影响列车的安全通行.

图4为路堤迎风侧坡脚和路肩处断面上的风速廓线图，由图4可知，在迎风侧坡脚处，自0 m∼3.4 m范围内，与路肩高度平齐处速度增长速度较快，从0 m/s增长至20 m/s左右，进入高速区，自此大约维持在22 m/s左右，风速相对稳定；在迎风侧路肩处，速度高达32 m/s，而后又沿着高度逐渐减小，直到距离路肩上方3 m处，速度减小缓慢，风速达到相对稳定的状态，此现象也与图3描绘的现象相符.

图4 路堤不同位置处的风速廓线图Fig 4 Wind speed profile at different locations of the embankment

3.2 挡风墙背风侧流场特征分析

为了研究挡风墙背风侧流场特性，设定入口风速为20 m/s，挡风墙高度为3 m，对流场进行模拟，结果如图5所示.

由图5（a）和图5（b）可以看出，携带沙粒的气流在受到挡风墙和路堤的阻碍时，气流运动方向发生明显变化，过流断面减小，气流被压缩发生绕流，且携沙气流的速度也形成较为明显的分区，在挡风墙顶端上方区域，形成高速区，在挡风墙与路堤迎风侧之间、路堤上方、路堤背风侧形成低速区，在挡风墙与路堤迎风侧之间形成涡流，此处沙粒运动也较为复杂，速度减小，一部分沙粒可能会堆积，同时也起到了净化气流的作用，且背风侧坡脚气流速度减小的范围要大于迎风侧坡脚的范围，当气流绕过挡风墙后，过流断面增大，气流会携带一部分沙粒越过路堤上方，一些吹向远处，一些落在挡风墙背风侧，形成堆积.经过一段时间后，速度与方向又逐渐恢复到初始状态，继续流动.

图5 设置3 m高挡风墙周围流场图Fig 5 Flow field diagram around a 3 m high windshield wall

3.3 不同高度的挡风墙背风侧流场特征

在高速铁路轨道旁设置挡风墙，在保护列车尽可能少的受到风沙侵蚀的同时，又可减少铁轨路面上的积沙面积，不让列车运行受到积沙的影响.挡风墙的高度也直接影响着工程造价和保护列车及轨道的效果.挡风墙越高，工程造价越高，需要的抗倾覆力矩也越大，挡风墙太低起不到应有的效果，所以，一个合理的挡风墙高度起到了至关重要的作用.

风沙流是指含有沙粒的气流，其形成要有较为密集的沙粒和一定速度的风力.风携带沙粒吹向挡风墙周围，研究不同高度条件下挡风墙周围的流场主要是观察气流通过挡风墙之后的速度变化情况.为了研究不同高度条件下挡风墙背风侧的风速特征，分别取挡风墙高度为2.5 m，3 m，3.5 m，4 m，携带沙粒的风速分别以20 m/s，30 m/s，40 m/s的工况进行数值模拟.截取同一个面处，对距离挡风墙背风侧1.5 m处进行数据提取.

图6 挡风墙高度2.5 m时不同初始风速的风速廓线图Fig 6 Wind speed profile of different initial windspeeds when the heigh of the windshield is 2.5 m

图7 挡风墙高度3 m时不同初始风速的风速廓线图Fig 7 Wind speed profile of different initial windspeeds when the height of the windshield is 3 m

研究挡风墙背风侧风速变化情况有着重要的作用，当挡风墙高度为2.5 m时，如图6所示，三种初始风速的变化曲线规律大致相似，在0∼2.5 m的高度范围内，当初始风速为20 m/s时，最大风速为11 m/s左右；初始风速为30 m/s时，最大速度为16 m/s左右；初始风速为40 m/s时，最大速度为21 m/s左右.在2.5 m∼15 m的高度范围内，风速廓线都经历了先减小后增大的变化过程，初始风速分别为20 m/s，30 m/s，40 m/s时，期间最小速度分别为6 m/s，8 m/s，12 m/s，在高速区时，速度又分别最大增加至31 m/s，47 m/s，63 m/s，而后随着风沙的流动，慢慢减速至初始速度.

当挡风墙高度为3 m时，如图7所示，在0∼5 m的高度内，三种初始风速的曲线区别很小，风速也普遍小，初始风速为20 m/s时，最大速度为12 m/s；初始风速为30 m/s时，最大风速为17 m/s；初始风速为40 m/s时，最大风速为15 m/s.在5 m∼15 m的范围内，速度先呈指数规律增大，分别增大至32 m/s，48 m/s，64 m/s，在挡风墙高度2 m以上为加速区，随着高度的增加风速呈指数分布规律上升，然后气流速度逐渐变的平缓，渐渐趋于初始风速.

挡风墙高度为3.5 m时，如图8所示，与墙高为3 m的情况相比较，大致规律相同，只是在0 ∼6 m的高度范围内，三种初始风速的曲线略有波动，速度都较小，速度保持在10 m/s以内；在6 m∼15 m的高度范围内，在高度为7 m的时候，都达到了流场内的最大风速.初始风速为20 m/s时，风速最大为34 m/s；初始风速为30 m/s时，风速最大为50 m/s；初始风速为40 m/s时，风速最大为68 m/s，然后随着高度的增加逐渐远离路堤，速度又渐渐较为平缓的降低至初始风速.

当挡风墙高度为4 m时，如图9所示，在距地面0 ∼7 m的高度范围内，速度波动平缓且风速较小，最大风速基本在11 m/s之内；在高度7 m∼15 m范围内，风速先是呈指数规律上升.初始风速为20 m/s时，最大风速为35 m/s；初始风速为30 m/s时，最大风速为54 m/s；初始风速为40 m/s时，最大风速为72 m/s，然后随着高度的增加逐渐远离路堤，速度又渐渐较为平缓的降低至初始风速左右.

图8 挡风墙高度3.5 m时不同初始风速的风速廓线图Fig 8 Wind speed profile of different initial wind speeds when the height of the windshield is 3.5m

图9 挡风墙高度4 m时不同初始风速的风速廓线Fig 9 Wind speed profile of different initial wind speeds when the height of the windshield is 4m

3.4 挡风墙合理高度研究

挡风墙的高度对倾覆力矩、建造成本、阻沙效果都有至关重要的影响.在前文中，主要讨论了不同风速下，各高度挡风墙的背风侧流场特性，为了研究挡风墙的合理高度，将四种不同高度的挡风墙同时做对比，进行合理高度的比较.

如图10所示，当初始风速为20 m/s时，可以看出，挡风墙高度为2.5 m的情况与其余三种情况区别比较明显，流场的速度波动更大，在墙的高度范围内速度的波动更为明显，稳定性较低，且离墙体近的地方风速较大，不利于列车通行.挡风墙高度为3 m，3.5 m，4 m时，通过比较，可以看出当挡风墙高度为4 m时，在相对离墙较远且远离高铁的地方速度开始增长，安全性更高.当初始风速为30 m/s，40 m/s时，变化规律相似，从而说明挡风墙高度为4 m时，对列车的保护性能更好，流场更为稳定.