高速列车气动特性对桥梁防护墙的响应分析

张鹏，杜礼明

(大连交通大学 机车车辆工程学院，辽宁 大连 116028)*

近年来，为了防止自然环境与高速列车相互作用的影响以及保障列车的安全运行，高速列车轨道周围设置了许多防护措施.随着高速列车运行速度的不断提高，这些邻近轨道的结构对高速列车运行品质的影响日渐明显.由于我国幅员辽阔，地形地势变化较大，高速列车多在桥梁上运行而且运行环境较为恶劣，需要设置防护墙结构[1]来保障列车运行的安全性，因此有必要研究该结构对高速运行中列车的气动特性[2-4]有何种影响，以提高高速列车的运行性能.目前，对声屏障、挡风墙等结构的研究较多，而关于防护墙结构的研究鲜见报道.罗建斌[5]分析了同一速度下，桥梁上不同声屏障高度对列车气动特性的影响；吴超[6]研究了风屏障结构下，恒定侧风与瞬态风对列车气动性能的影响；何德华[7]对路堤和桥梁两种线路条件下挡风墙对列车气动性能的影响进行了分析；叶坤[8]对高速铁路挡风墙高度和距离进行了优化分析.防护墙结构相比于这两种结构又有着距离列车轨道距离更近，高度更低等特点，使得其对高速列车底部流场尤其是转向架区域流场的影响更为明显.本文采用数值模拟方法研究防护墙及其高度变化对高速度列车气动性能的影响，为提高列车在桥梁上的安全运行性能提供参考.

1 计算模型和计算方法

1.1 计算模型

模型采用三节编组的CRH3高速列车，头车长25.64 m，中间车长25.12 m，尾车长25.64 m，列车的宽度为3.26 m，高度为3.89 m.由于防护墙结构对列车底部流场有着重要影响，因此需要考虑转向架结构，列车其他细部结构如风挡、受电弓、门把手等予以忽略.

防护墙结构多用于桥梁，由于桥梁与地平面的高差不大，因此二者的气压差可以忽略不计，为减小计算量，简化模型，转为在地面上进行模拟，但保留桥梁上的无砟轨道与防护墙结构.无砟轨道模型采用CRTS I型无砟轨道板[9]，其长度为4.93 m，宽度为2.4 m，高度为0.19 m；轨道基座的宽为3 m，高为0.3 m，忽略了承轨台结构，钢轨的高度为0.172 m.防护墙模型中，防护墙距离轨道中心线的距离为1.9 m，防护墙的宽度为0.25m，高度为0.75 m[1].

1.2 计算域模型

为了使空气在流场中充分发展，计算域需要足够大，计算域大小为276.4 m×60 m×30 m，车头距离流场前端长为50 m，尾车车头距离流场后端150 m.列车距离轨道两侧的距离同为28.5m.计算区域如图1所示.

1.3 网格划分与计算方法

为减少网格的数量，节省计算时间，对模型进行混合网格划分(图2).车身周围采用非结构化网格，其余流场区域采用结构化网格在列车的近壁面区域采用壁面函数的方法，网格总数约为950万.

采用稳态计算的方法，湍流模型选择SSTk-ω两方程湍流模型，边界条件设置为速度进口，压力出口，对称边界条件，地面采用移动地面以消除地面效应的影响.列车的横截面积为12.19 m2，周长为12.07 m，特征长度取水力直径为4.04m[11].计算方法使用SIMPLE算法并采用二阶迎风模式进行离散计算.

1.4 数值模型与数值方法可行性验证

数值计算的可行性验证一般通过与实车实验、风洞实验或者现有论文数据比较得以验证，本文采用数值模拟结果与文献[11]中CRH3高速列车1∶8缩比尺寸的风洞试验数据进行比较验证，本文数值模拟中的验证模型也同为1∶8的缩比模型，横断面尺寸为8 m×6 m，长度为16 m，来流速度为60 m/s，气流夹角为3°，模型见图3.

风洞试验与数值模拟试验整车阻力系数试验值为0.5018，模拟值为0.4582.整车的阻力系数相差8.68%左右，在误差允许的范围内，其差异可能在数值模型与风洞模型不可能完全一致造成的.可见本文的数值模型与数值方法是可行的.

2 计算结果与分析

2.1 防护墙结构对高速列车气动力的影响

本节主要研究高速列车在不同速度下，防护墙结构对高速列车气动力的影响，主要分析列车的气动升力.取以下5组速度值分别为200、250、300 、350 、400 km/h，比较防护墙对高速列车气动性能的影响.

图4为不同速度下防护墙对列车气动升力影响的比较.存在防护墙时，头车升力整体呈现上升趋势，涨幅在60.71%～87.98%之间；中间车和尾车升力都呈现明显下降的趋势，中间车在250 km/h仅下降了4.4%，而其他速度下升力下降的幅度非常大在99.2%～313.13%之间，尾车升力的降幅在25.51%～59.6%之间.结果导致整车升力下降，整车升力由中间车和尾车主导，升力降幅在23.71%～56.49%之间，平均下降了39.25%，由于整车升力都为正值，升力的下降使整车升力减小，有利于列车的安全运行但可能增大列车轮轨间磨耗，降低轮轨的使用寿命.

2.2 防护墙结构对流场的影响

以上从气动升力方面分析了防护墙结构对高速列车的影响，但仍需要结合压力分布与流线分析产生列车气动力变化的原因.防护墙对列车流场特性的影响通过同一速度下流场结构的变化表现出来，主要对350 km/h速度下列车的流场特性进行分析.在头车、中间车、尾车转向架中部取若干截面，对其压力分布与流线图进行分析.由于篇幅限制，只给出特征明显截面处的压力分布与流线图.

2.2.1 防护墙对头车流场特性的影响

图5、图6为有无防护墙时，列车头车转向架处中心处的压力分布与流线图.

由图5可知，头车前转向架处的压力分布相比于无防护墙的情况下，列车车身周围压力变化并不明显，但在防护墙周围出现了较多的低压区域，列车转向架中心处压力有明显的升高，防护墙对列车转向架周围压力的影响较为明显，是导致列车头车升力上升的原因.

从流线分布图6中可以看出，有无防护墙时，列车转向架中心处都有多个涡旋.但明显可以看出头车前转向架处，由于防护墙的存在，使得气流在防护墙处形成了绕流，且绕流范围较大；贴近防护墙内壁面处速度较低，而绕流到外壁面时速度增大，导致其周围出现低压区域.同时在防护墙外壁侧分别形成了一个小涡旋，并且涡旋逐渐向后发展、增大，防护墙处的绕流与涡旋作用是头车升力上升的主要原因.

2.2.2 防护墙对中间车流场特性的影响

图7、图8为有无防护墙时，列车中间车转向架中心处的压力分布与流线图.

从图7中可知，中间车后转向架中心处压力变化比较明显，列车左侧区域的压力明显下降，从330 Pa左右降到了 -150 Pa左右，而右侧区域压力大幅上升，列车底部压力受左侧区域负压影响较大，压力明显下降，导致中间车气动升力呈现下降的趋势.

从图8中可知，有防护墙时，中间车前转向架防护墙两侧的涡旋继续增大，涡旋向后发展到后转向架时两侧涡旋能量出现耗散的趋势，右侧涡旋开始脱落，并开始形成新的涡旋，导致了右侧区域压力上升.而在后转向架防护墙与车轮之间区域又产生了新的涡旋，左侧区域的两处涡旋运动相比于无防护墙时导致了左侧区域压力明显下降.

2.2.3 防护墙对尾车流场特性的影响

从图9中可以看出，存在防护墙时，尾车前转向架左侧区域压力小幅上升，而右侧区域压力明显下降，从240 Pa左右降到了-60 Pa左右，底部压力受右侧负压影响，压力减小，负压范围增大，导致尾车升力下降.

从图10中可知，尾车前转向架左侧区域都有涡旋存在，只是涡旋运动的剧烈程度不同，使得左侧压力变化很小，但有防护墙处的涡旋有别于绕流防护墙形成的涡旋.而右侧区域，仍在防护墙处形成绕流，但在外壁侧并没有新涡旋生成，使得该区域空气流速加快，导致右侧区域压力下降.

2.3 防护墙高度对列车气动性的影响

为了研究防护墙高度对列车气动特性的影响，在防护墙模型中改变防护墙的高度，分别添加了0.5 m和1 m两组防护墙高度与0.75 m防护墙高度同在350km/h的速度下进行数值模拟，将得到的气动升力进行对比.

图11为不同防护墙高度下列车升力的比较.升力方面，随着高度的升高，头车升力分别上升了42.69%、7.55%，且一直为正升力，中间车和尾车的升力都在下降，中间车分别下降了61.72%、8.53%，且恒为负升力，受到向下的压力，尾车分别下降了38.2%、100.46%，升力由正变为负；中间车和尾车升力的大幅下降，导致整车升力分别下降了25.37%、62.17%，平均下降了43.77%，列车升力随高度的增加而减小.

2.4 防护墙高度变化对流场特性的影响

为了比较防护墙高度对列车流场特性的影响，选取流场变化明显的区域截面进行分析.流场变化是影响气动力变化的根本原因，因此由前面分析可知，取头车后转向架、中间车后转向架与尾车前转向架中心的流线图进行分析.

从图12可看出，不同防护墙高度下，三个截面外壁侧都存在一对涡旋，但随着防护墙高度的增高，外壁侧涡旋逐渐增大，并且涡旋运动越剧烈.在头车处是涡旋开始生成和发展的区域，在中间车和尾车截面处涡旋运动较弱的过早的耗散、脱落，不足以维持涡旋的运动，而较强的涡旋仍能持续耗散.防护墙高度变化对涡旋耗散、脱落的位置有所影响，涡旋变化位置的不同也是导致列车升力变化的原因.

3 结论

(1)防护墙的存在导致了空气对防护墙的绕流以及防护墙周围涡旋的生成.首先空气在防护墙处的绕流是防护墙两侧生成涡旋的主要原因；其次防护墙外壁侧的涡旋从头车处产生到向后发展，并经历涡旋的耗散与脱落，这一系列涡旋的变化是导致列车气动升力变化的原因.其结果导致了整车升力平均下降了39.25%，整车升力减小；

(2)在现有试验高度下，随着防护墙高度的升高，使得空气在头车对防护墙的绕流作用明显，防护墙两侧的涡旋在速度、大小等方面显著增加，并且影响防护墙两侧涡旋耗散与脱落的位置，是影响气动特性变化的原因.并且防护墙高度的增加导致高速列车受到的升力平均减小了43.77%.