強風區(qū)擋風墻高度和位置對接觸網(wǎng)區(qū)域風速的影響

韓佳棟，張 勇，劉曉紅，曹樹森

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043;2.西南交通大學機械工程學院，成都 610031;3.西南交通大學現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)培訓中心，成都 610031)

南疆線、蘭新線穿越著名的安西、煙墩、百里、三十里風區(qū)及達坂城、阿拉山口風口，風區(qū)總長度500 km以上，特別是百里、三十里風區(qū)內(nèi)大風頻繁、風力強勁、風力變化劇烈，最大瞬時風速超過60 m/s。據(jù)統(tǒng)計，蘭新線自1960至1993年，大風吹翻列車13起，總計翻車79輛［1］。為保障列車在大風氣候條件下能正常安全行駛，鐵路沿線局部地段采用了高3～3.5 m的擋風墻，對列車運行起到一定防護作用［2］，但沒有考慮其對接觸網(wǎng)區(qū)域風的上吹角變化，以及對接觸網(wǎng)可靠性的影響。因此，強風區(qū)設置擋風墻對接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)強度、穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響還需要做進一步的研究。

1 風場模型、邊界條件及網(wǎng)格劃分

由于本次風場模型網(wǎng)格比較規(guī)則，直接在STARCD中建立模型，并對網(wǎng)格進行細化。

1.1 風場模型

邊界條件:目前計算車輛為靜止狀態(tài)，車速不會造成接觸網(wǎng)區(qū)域風場的變化。相對列車和接觸網(wǎng)尺寸而言，列車長度可假設為無限長，采用二維穩(wěn)態(tài)計算模型便可以滿足計算要求［3］。計算模型如圖1所示，風場左側(cè)邊界為入口邊界，右側(cè)和上方均采用壓力邊界，前后采用對稱邊界。風場高度為120 m，風場長度為360 m。在列車和擋風墻等風速變化比較劇烈的位置進行網(wǎng)格細化。

圖1 風場模型

由于大風區(qū)風速較大，通過對雷諾數(shù)進行粗略計算，風區(qū)流場普遍為紊流，故設定邊界條件時壓力邊界采用高雷諾數(shù) κ-ε紊流模型，其中紊流強度 κ取0.05，紊流長度 l取 0.4［4，5］。

1.2 擋風墻計算模型

計算模型為車靜止時，采用二維模型得出擋風墻高度以及距離對接觸網(wǎng)區(qū)域風的速度和仰角的影響。

擋風墻計算簡圖如圖2所示，將軌道予以簡化，道床高度定為0.6 m。在此次模型計算中，參數(shù)可以變化，如擋風墻高度、厚度，以及與軌道1線中心線距離、路堤高度，圖中部分尺寸僅供參考。

圖2 擋風墻計算簡圖(單位:m)

1.3 列車模型

計算采用YZ25G型客車模型(圖3)，列車高度為4.43 m，考慮到風場計算的網(wǎng)格數(shù)量和收斂性能，對列車底部和接觸網(wǎng)部分進行簡化。

圖3 列車模型(單位:m)

2 計算結(jié)果及分析

根據(jù)目前蘭新線沿線的擋風墻參數(shù)，將計算條件設定為擋風墻高度為距軌面2～6 m，擋風墻位置為擋風墻內(nèi)側(cè)距1線中心線4.5～6.5 m，得出擋風墻參數(shù)變化對兩線接觸網(wǎng)區(qū)域風場特性的影響［6-8］。擋風墻采用對拉式擋風墻，厚度為0.8 m，橫風風速為穩(wěn)定風速，取為 40 m/s。

2.1 擋風墻高度對接觸網(wǎng)區(qū)域風場特性的影響

計算工況條件如表1所示，列車車型為YZ25G型客車，列車靜止處于1線，擋風墻高度從軌面算起，接觸網(wǎng)區(qū)域選取距軌面 5.35 m ±0.2 m 高度［9］，計算結(jié)果選取此高度范圍內(nèi)各點的平均值。

(1)計算所得1線接觸網(wǎng)區(qū)域風場特性數(shù)據(jù)如圖4、圖5所示。當接觸網(wǎng)區(qū)域風向角在第三、四象限時，圖中仰角取負值。

(2)計算所得2線接觸網(wǎng)區(qū)域風場特性數(shù)據(jù)如圖6、圖7所示。

表1 擋風墻高度計算條件

圖4 擋風墻高度對1線接觸網(wǎng)區(qū)域風速影響曲線

圖5 擋風墻高度對1線接觸網(wǎng)區(qū)域大風仰角影響曲線

圖6 擋風墻高度對2線接觸網(wǎng)區(qū)域風速影響曲線

圖7 擋風墻高度對2線接觸網(wǎng)區(qū)域大風仰角影響曲線

由圖4和圖6可以看出，隨著擋風墻高度的增加，接觸網(wǎng)區(qū)域風速呈下降趨勢，但從3 m以后就開始逐漸穩(wěn)定下來，只有很小的波動。

由圖5和圖7可以看出，大風仰角在3 m以后曲線相對波動較大。分析其原因，是此時的擋風墻高度越高，X、Y方向的風速值相對越小，即使一個方向的風速出現(xiàn)小的變化，對風向仰角也影響很大，導致其波動很大。

2.2 擋風墻距線路中心的位置對接觸網(wǎng)區(qū)域風場特性的影響

根據(jù)以上計算結(jié)果，考慮接觸網(wǎng)高度對接觸網(wǎng)區(qū)域風場特性的影響，將擋風墻高度定為3 m。

計算工況條件如表2所示，列車車型為YZ25G型客車，列車靜止處于1線，擋風墻高度從軌面算起，接觸網(wǎng)位置為距軌面(5.35±0.2)m高度，計算結(jié)果選取高度內(nèi)各點的平均值。

(1)1線接觸網(wǎng)數(shù)據(jù):計算結(jié)果如圖8、圖9所示。

(2)2線接觸網(wǎng)數(shù)據(jù):計算結(jié)果如圖10、圖11所示。

表2 擋風墻距離計算條件

圖8 擋風墻位置對1線接觸網(wǎng)區(qū)域風速影響曲線

圖9 擋風墻位置對1線接觸網(wǎng)區(qū)域大風仰角影響曲線

由圖8和圖10可以得出結(jié)論，相比擋風墻高度對接觸網(wǎng)區(qū)域風速的影響而言，擋風墻位置對接觸網(wǎng)的影響比較小，曲線較為平滑，風速變化相對較小。由圖9和圖11可以看出，在行車線有車時，其所在線的接觸網(wǎng)仰角都比較小，在10°～25°，比較大的仰角都出現(xiàn)在沒有行車的鐵路線，且此時風速較小，故可以保證行車安全。可以得出，擋風墻位置在5 m左右時，接觸網(wǎng)數(shù)據(jù)較為良好。

圖10 擋風墻位置對2線接觸網(wǎng)區(qū)域風速影響曲線

圖11 擋風墻位置對2線接觸網(wǎng)區(qū)域大風仰角影響曲線

3 結(jié)論

通過對風場進行計算，可以得出如下結(jié)論:

(1)擋風墻高度為3 m以上時，接觸網(wǎng)區(qū)域風速、風向仰角和風壓比較適合列車行走;

(2)擋風墻距線路中心5 m時，接觸網(wǎng)區(qū)域風速、風向仰角比較適合列車行走。

［1］尹永順，王厚雄.蘭新復線防風安全工程研究報告［R］.烏魯木齊:烏魯木齊鐵路局，1993.

［2］李斌.蘭新線風區(qū)段鐵路大風氣象災害及防風措施［J］.大陸橋視野，2007(6).

［3］劉鳳華.不同類型擋風墻對列車運行安全防護效果的影響［J］.中南大學學報，2006，37(1).

［4］高注，王蜀東，尹永順.擋風墻高度的研究［J］.中國鐵道科學，1990，11(1).

［5］田志軍.電氣化鐵路接觸網(wǎng)防風技術(shù)研究［J］.建設機械技術(shù)與管理，2007(7).

［6］姜翠香.擋風墻高度和設置位置對車輛氣動性能的影響［J］.中國鐵道科學，2006(2).

［7］劉鳳華.加筋土式擋風墻優(yōu)化研究［J］.鐵道工程學報，2006(1).

［8］董漢雄.蘭新鐵路百里風區(qū)擋風墻設計［J］.路基工程，2009(2).

［9］熊小惠，梁習鋒，高廣軍，等.蘭州—新疆線強側(cè)風作用下車輛的氣動特性［J］.中南大學學報:自然科學版，2006，37(6).

［10］王福軍.計算流體動力學基礎知識［M］.北京:清華大學出版社，2004:1-13.

［11］B.E.Launder，D.B.Spalding，Lectures in Mathematical Models of Turbulence［M］.London:Academic Press，1972.