风屏障在中国帽型突变风与列车风耦合作用下的气动响应

周美吉，杜礼明

(大连交通大学 机车车辆工程学院，辽宁 大连 116028)*

沿线路单侧或者双侧设置防风屏障，可以为列车营造一个相对低风速的运行环境，可以提高列车在大风行车的防风能力[1].铁路沿线的风屏障在实际工作环境中受力情况复杂：一方面受到随机的自然风载荷作用，载荷强度、方向及持续作用的时间等都不固定；另一方面受到来自列车风影响，载荷强度等参数受列车速度等因素影响[2].

王国华等[3]对车辆扰动过下的城市轨道高架桥声屏障表面风载荷及车辆驶过声屏障产生的气动力进行了数值模拟，得出了声屏障的气动力沿车辆行进方向及高度方向的变化规律.张田等[4]建立了防风屏障有限元模型，考虑外部自然风载荷和车致脉动力载荷，获得了防风屏障各关键点处的应力时程，并基于累积损伤理论评价防风屏障结构的疲劳性能.李红梅等[5]采用“滑移网格”技术和大涡模拟，对高速列车通过铁路桥梁声屏障的过程进行了数值仿真，分析了声屏障表面列车脉动压力与车头形状、列车速度和列车长度的关系.Keller Riebel[6]等对声屏障下端的混凝土部分进行了耐久性、疲劳和强度方面的研究，并根据研究结果制定了相应的规范.

目前研究风屏障的气动特性时，几乎都采用不透风的风屏障，风场模型都采用横风，而在实际中铁路沿线的风屏障都有一定透风率，且由于风屏障一般用于大风区，受到复杂多变的自然风作用，因此施加风速和风向横定不变的横风作用显然不符合实际情况.因此，现有研究结论与现实中风屏障所受风载荷有较大出入.本文采用与自然风更为接近的修正“中国帽”型突变风模型，通过仿真分析透风率为30%的风屏障在突变风与车致脉动风耦合作用下的气动响应，分析风屏障在该作用下的压力分布及变化情况，为风屏障的设计、选材与维护提供参考.

1 列车-风屏障耦合的气动仿真模型及其验证

1.1 列车-风屏障耦合的气动仿真模型建立

根据文献[7]确定验证模型的流场尺寸.计算域流场长400 m，宽150 m，高150 m，选取列车的长度为73m，风屏障的长度为100 m，首先采用0透风率的风屏障对流场-列车模型进行验证，在模型验证结果正确的基础上，用30%透风率的风屏障进行分析.风屏障距列车中心线的距离为3.8 m.在风屏障中间底部区域设置监测点，监测点相对于风屏障的位置及列车-风屏障耦合的气动仿真模型如图1所示.

图1 列车-风屏障耦合的气动仿真模型

图2为列车-风屏障及流场的离散化模型，为使计算结果更加符合风屏障真实受力情况，以及保证计算精度更加精确，在计算过程中采用“动网格”计算方法，所有模型均采用六面体结构化网格.

图2 列车-风屏障离散化模型

图3为参文[8]在计算中的边界条件设置，高速列车前面及后面分别设置为压力入口及压力出口边界；在靠近风屏障的流场边界设置为速度入口，用以加载不同速度的风模型；靠近高速列车的流场边界设置为压力出口；流场地面及顶面设置为对称面；图中的虚线范围内为动网格的运动区域，其边界设置为交互面，采用瞬态模型计算，湍流模型为RNG k-epsilon模型.

图3 计算域及边界条件

1.2 列车-风屏障耦合的气动仿真模型验证

为确保所建立的模型可行及后续的计算结果正确性，需要对列车-风屏障耦合的气动仿真模型进行验证仿真分析，并与现场实测结果进行对比，验证计算模型、边界条件设置等是否符合风屏障实际受力情况.列车速度选取300 km/h，风速为0 m/s，风屏障的透风率为0，计算风屏障在车致脉动风单独作用下的气动特征.

图4为风屏障上的监测点脉动风压时程曲线图，风屏障受到列车脉动风压时，头波正压峰值为481.5 Pa，负压峰值为-468.2 Pa；尾波负压峰值为-458.5 Pa，正压峰值为384.9 Pa.通过与Matthias Scholz等[9]进行了在线行车测试实验，总结出的气动压力随时间变化的计算公式和气动压力时程曲线对比.结果表明，本文仿真结果分析所得的监测点所受压力随时间的变化趋势一致.

图4 监测点脉动风压时程曲线

图5为风屏障在列车经过时，风屏障在头车部位与尾车部位的压力云图.通过在软件中的列车仿真云图，风屏障实际所受压力云图与监测点所受列车脉动风压时程曲线所表述的结果一致，表明所建的列车-风屏障耦合的气动仿真模型符合实际情况.

(a)头车部位

2 计算结果及分析

2.1 横风与车致脉动风耦合作用下风屏障的气动分析

采用30%透风率的格栅型风屏障代替上文中的0透风率风屏障，加载风速为13.8 m/s的横风，如图6所示为仿真计算时监测点处的压力时程曲线.

图6 横风与车致脉动风耦合作用下的压力时程曲线

根据图6与图4的对比发现，透风率为30%的风屏障在横风与车致脉动风耦合作用下的压力变化趋势与0透风率风屏障只受车致脉动风的压力变化基本一致，说明当横风与车致脉动风耦合作用时，车致脉动风为风屏障受力的主要影响因素.相对于图4，尽管压力变化趋势一致，但是风屏障所受正压的峰值与负压的峰值产生了较大变化，如表1所示.下面分别选取监测点在1.0、1.2、1.4、2.0、2.2、2.4 s时刻的压力及流线图(图7)，分析造成压力峰值变化的原因.

表1 风屏障所受风压峰值压力变化

(a)1.0 s

风由风屏障上的透风孔穿过，并在风屏障背风侧的栏杆处绕流形成了涡旋，由于涡旋的存在导致监测点处的压力呈现负压状态.当高速列车的车头接近监测点时，列车的行驶导致监测点处的空气堆积以及车致脉动涡流对于风致脉动涡流的抑制现象，导致监测点处的压力骤增，1.0 s之后，从-100 Pa逐渐升高，在1.2 s时，由负压转为正压，并在1.3 s左右达到了正压峰值275.34 Pa.由表1可得，横风加载使得头波的正压峰值降低42.8%，主要是因为由于透风孔的存在，使得头车经过时车致脉动风与横风的方向相反，使得风压在一定程度上相互抵消，从而降低了正压峰值.

1.2 s之后，头车驶过监测点，监测点的压力由正压峰值在极短的时间迅速下降，并 达 到 负压风之后-277.14 Pa.造成这种现象一方面是因为头车对于空气的挤压作用使得列车与风屏障之间的半封闭区域空气密度降低，压力下降；另一方面，由于空气被车头阻挡在车头两侧快速分流，使得列车与风屏障之间形成高速动态气流，使得压力下降.随后半封闭区间被大气充满，监测点处的压力开始回升并趋于稳定.

列车行驶2.0 s时，尾车的车头即将驶入监测点位置，由车身到车头，列车的横截面积减小，同时列车驶过留下的空间，导致“封闭空间”体积变大，导致气压减小，负压增强，因此在大约2.2 s时，形成了尾波的负压峰值-552.3 Pa.由于负压增大及尾车的离去，列车与风屏障形成的半封闭空间不再存在，导致监测点处的压力开始上升，并达到尾波正压峰值75.4 Pa，随后压力释放，监测点出的压力重新恢复恒风单独作用的状态并趋于稳定.

2.2 突变风与车致脉动风耦合作用下的风屏障气动分析

2.2.1 突变风模型

采用修正的“中国帽”型突变风作为风的模型.中国帽型突变风是由稳定的风速函数和阶跃型阵风风速函数相叠加，并采用了欧洲技术通用标准(TSI)提出的通过双指数函数来近似描述时间和风速变化历程[8].该风速模型是由稳态风和非稳态风组合而成.修正的“中国帽”型突变风可用式(1)进行描述.

(1)

图8为根据式(1)函数模型画出的修正的“中国帽”型突变风的风速时程曲线.由该曲线与风速函数表达式(1)分析可知，突变风函数主要分为八个阶段，第一个阶段，风速以二次函数的规律增长0.5 s，达到13.8 m/s，并持续作用0.5 s；从1.0 s开始，风速变化曲线以三次函数的趋势增长，增长斜率先增大后减小，并最终在1.5 s达到峰值23.46m/s；接着风速以三次函数减小，减小斜率先增大后减小，并在2.0 s处回到13.8 m/s，之后继续以13.8 m/s的速度持续作用2 s，在3.0 s开始，风速增长曲线成三次函数趋势减小，减小斜率先增大后减小，并在3.5 s处达到最低速度5 m/s，之后以三次函数趋势增大，增长趋势先增大后减小，并在4.0 s处回到13.8 m/s，之后便以13.8m/s的速度持续作用，如此完成一个函数周期.

图8 修正的“中国帽”突变风风速时程曲线

2.2.2 突变风与车致脉动风耦合作用下的风屏障气动分析

给30%透风率的风屏障加载修正的“中国帽”突变风，其余的模拟参数不变，分析30%透风率风屏障在列车风与突变风耦合作用下的气动效应.如图9所示为监测点在列车风与突变风耦合作用下的脉动压力时程曲线.图8所示曲线的拐点，即a1～m1，分别对应着图9所示曲线的拐点a2～m2.根据拐点以及风速时程曲线周期，分别选取时间点在0.5、1、1.2、1.5、1.8、2 s处的压力云图，分析突变风与车致脉动风耦合作用对风屏障的气动效应.

图9 耦合作用下风屏障压力时程曲线

由图9可知，在突变风与车致脉动风的耦合作用下，列车脉动风不再成为影响压力曲线走势的主要因素，突变风的作用效果引导风屏障上压力曲线走势.由图中可得，风屏障上正压峰值为2681.1Pa，负压峰值为-1 869.71 Pa，相对于在横风与车致脉动风耦合作用下的正、负压峰值，正压峰值扩大了9.7倍，尾波负压峰值扩大了2.4倍.耦合风的载荷作为动载荷施加于风屏障上，本文采用气动压力变化率描述风屏障上动载荷变化，用pi来表示：

(2)

式中，pi为压力变化率，Δp为压差，t为压差形成所用的时间.

表2为两种工况下的气动压力峰值及压力变化率.当风屏障受到横风与车致脉动风耦合作用时，压差最大达到627.7 Pa，由正压峰值到负压峰值的转变需要0.2 s，其压差变化率最大为3138.5Pa/s，而当风屏障受到突变风与车致脉动风耦合作用时，最大达到了3 685.6 Pa，持续时间也延长到了0.48 s，其压力变化率达到了7678.3Pa/s, 对比横风与车致脉动风的工况，压差扩大了5.9倍，持续作用时间扩大了2.4倍，压力变化率增大了2.5倍.

表2 两种工况下的压力峰值及其变化率

相对于横风与车致脉动风的耦合作用，当风屏障受突变风与车致脉动风的耦合作用时，受到更大的压力，且压力作用持续时间也更长，加上风屏障所受其他载荷[10]，这对于风屏障的强度、刚度等产生更高要求.同时，突变风的加载导致风屏障上的压力变化率增大，动载荷对于风屏障的作用效果更加突出，尽管在风屏障上的气动压力没有达到风屏障材料的屈服强度，但由于长期受到动载荷作用，对于风屏障的疲劳强度具有更严格要求.

图10为特定时刻监测点处压力及流线图.在0～1 s时间内车致脉动风对风屏障影响不大，因此在0～1 s内只考虑突变风影响.由图8的突变风风速时程曲线可以看出，突变风的风速在0 s处变化最快，并随着时间变化速度逐渐减慢，在0.5 s风速不再变化，稳定在13.8 m/s.由图9得到，在0～0.5 s的时间段内，作用在监测点处的风压随着时间慢慢减小，并逐渐趋于0，由于监测点处的压力主要受突变风风速变化产生的涡流强度影响，风压变化趋势与风速变化的趋势一致.

(a)0.5s

注：图中1.5 s、1.8 s、2.0 s处的轮廓为高速列车的外形轮廓，为直观表现风速变化对压力的影响，在监测点处，做垂直于风屏障的监测面

突变风以平均值13.8 m/s作用0.5 s，在1.0s时风速开始发生变化.由1.0 s处的压力即流线图可以看到，随着列车接近监测点，风屏障背风一侧空气被挤压堆积，同时由于此时突变风的风速加大，风屏障透风孔处的空气流量增加，并由于列车对空气的挤压作用，监测点处的压力从1.0 s的-194 Pa开始上升并在1.2 s处达到了正压峰值2111.6Pa.

1.2 s之后，突变风的风速变化放缓，风致涡流区减小，在1.5 s时，风加速度变为负值，1.8 s时风速减小速度达到最大，风速的减小导致列车与风屏障的半封闭区域压力得到释放；头车对于空气的挤压堆积在车头前方导致列车与风屏障之间形成了“真空区域”使得监测点处的压力急剧减小，形成负压区，并在1.8s附近出现负压峰值-1869.7Pa.

1.8 s之后，突变风的风加速度减小；再加上“真空区域”被大气填充，使得监测点处的压力由负压峰值-1 869.7 Pa开始上升，最终在2.0 s左右压力趋于稳定.

从2.0～3.0 s的时间内，突变风的风速保持为13.8 m/s，此时与上文中横风与车致脉动风的耦合作用相似，对比分析图6与图9，曲线增长趋势一致，但图6中尾波的负压峰值与正压峰值之后分别为-667.4、75.4 Pa，而图9中对应的两个峰值分别为-497.7、102.3 Pa，考虑到突变风风速变化产生的涡流作用效果存在滞后性，因此在2.0～2.5 s的压力变化可参考横风与车致脉动风尾波压力变化.

3.0 s之后，列车驶离风屏障，车致脉动风不再对风屏障有作用.在列车行驶3.0～3.5 s的时间段内，风速加速度由0 m/s2，在3.25 s时达到一个最大负值，随后风速变化率减小，最终在3.5s时，风速加速度再次为0 m/s2.由图9可知，监测点处的压力在3.25 s时达到负压峰值-1711Pa，随后保持稳定.

3 结论

(1)当透风率30%的风屏障受到横风与车致脉动风耦合作用时，车致脉动风产生的压力对风屏障起主要作用，决定了作用在风屏障上的压力变化趋势，横风作用减小了风屏障所受的头波正压峰值，增大了尾波的负压峰值；

(2)在列车脉动风和修正“中国帽”型突变风的耦合作用下，风屏障所受到的压力情况复杂：一方面，风屏障迎风侧受到来自突变风的正压力；另一方面，在风屏障的背风侧，风屏障会分别受到风致涡流和车致脉动风流影响，在特定时刻，两者还会对风屏障造成影响；另外从列车接近风屏障一直到列车驶离风屏障，列车风致脉动压力持续对风屏障造成影响；

(3)相对于横风作用，突变风作用下风屏障上所受气动压力大得多，风屏障所受的头波正压峰值扩大了9.7倍，尾波负压峰值扩大了2.4倍，最大压力达到了3 685.6 Pa，持续时间也延长到了0.48 s，其气动压力变化率达到了7678.3Pa/s, 增大了2.5倍，最大压差增大了5.9倍，持续作用时间扩大了2.4倍.这对风屏障的强度、刚度以及疲劳强度产生更高要求.