強風區擋風墻高度和位置對接觸網區域風速的影響

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.西南交通大學現代工業技術培訓中心，成都 610031)

南疆線、蘭新線穿越著名的安西、煙墩、百里、三十里風區及達坂城、阿拉山口風口，風區總長度500 km以上，特別是百里、三十里風區內大風頻繁、風力強勁、風力變化劇烈，最大瞬時風速超過60 m/s。據統計，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區域風的上吹角變化，以及對接觸網可靠性的影響。因此，強風區設置擋風墻對接觸網結構強度、穩定性產生的影響還需要做進一步的研究。

1 風場模型、邊界條件及網格劃分

由于本次風場模型網格比較規則，直接在STARCD中建立模型，并對網格進行細化。

1.1 風場模型

邊界條件:目前計算車輛為靜止狀態，車速不會造成接觸網區域風場的變化。相對列車和接觸網尺寸而言，列車長度可假設為無限長，采用二維穩態計算模型便可以滿足計算要求［3］。計算模型如圖1所示，風場左側邊界為入口邊界，右側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格細化。

圖1 風場模型

由于大風區風速較大，通過對雷諾數進行粗略計算，風區流場普遍為紊流，故設定邊界條件時壓力邊界采用高雷諾數 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區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格數量和收斂性能，對列車底部和接觸網部分進行簡化。

圖3 列車模型(單位:m)

2 計算結果及分析

根據目前蘭新線沿線的擋風墻參數，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側距1線中心線4.5～6.5 m，得出擋風墻參數變化對兩線接觸網區域風場特性的影響［6-8］。擋風墻采用對拉式擋風墻，厚度為0.8 m，橫風風速為穩定風速，取為 40 m/s。

2.1 擋風墻高度對接觸網區域風場特性的影響

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，接觸網區域選取距軌面 5.35 m ±0.2 m 高度［9］，計算結果選取此高度范圍內各點的平均值。

(1)計算所得1線接觸網區域風場特性數據如圖4、圖5所示。當接觸網區域風向角在第三、四象限時，圖中仰角取負值。

(2)計算所得2線接觸網區域風場特性數據如圖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線接觸網區域風速影響曲線

圖5 擋風墻高度對1線接觸網區域大風仰角影響曲線

圖6 擋風墻高度對2線接觸網區域風速影響曲線

圖7 擋風墻高度對2線接觸網區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，接觸網區域風速呈下降趨勢，但從3 m以后就開始逐漸穩定下來，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區域風場特性的影響

根據以上計算結果，考慮接觸網高度對接觸網區域風場特性的影響，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，接觸網位置為距軌面(5.35±0.2)m高度，計算結果選取高度內各點的平均值。

(1)1線接觸網數據:計算結果如圖8、圖9所示。

(2)2線接觸網數據:計算結果如圖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線接觸網區域風速影響曲線

圖9 擋風墻位置對1線接觸網區域大風仰角影響曲線

由圖8和圖10可以得出結論，相比擋風墻高度對接觸網區域風速的影響而言，擋風墻位置對接觸網的影響比較小，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，其所在線的接觸網仰角都比較小，在10°～25°，比較大的仰角都出現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，接觸網數據較為良好。

圖10 擋風墻位置對2線接觸網區域風速影響曲線

圖11 擋風墻位置對2線接觸網區域大風仰角影響曲線

3 結論

通過對風場進行計算，可以得出如下結論:

(1)擋風墻高度為3 m以上時，接觸網區域風速、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，接觸網區域風速、風向仰角比較適合列車行走。

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