沙塵暴環境對高速鐵路擋風墻設置的影響

牛波,杜禮明

(大連交通大學 遼寧省高等學校載運工具先進技術重點實驗室，遼寧 大連 116028)

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沙塵暴環境對高速鐵路擋風墻設置的影響

牛波,杜禮明

(大連交通大學 遼寧省高等學校載運工具先進技術重點實驗室，遼寧 大連 116028)

為保證列車在風沙環境下安全運行，需在鐵路沿線設置擋風墻。基于歐拉雙流體模型和大氣底層邊界速度型風場模型，通過數值模擬方法研究高速列車在不同車速和不同沙塵暴等級下運行時，沙塵對擋風墻高度和距離等參數的影響。研究結果表明：與在單純大風環境下運行相比，列車在沙塵暴環境下運行時所受氣動力有所不同：考慮沙塵的影響后，列車整車傾覆力矩有所增加。為此，在研究擋風墻的設置時，應考慮沙塵的影響。在沙塵暴環境下，擋風墻的最優高度應有所增加；當擋風墻距離一定時，擋風墻的最優高度隨著列車運行速度提高而增大，隨著沙塵暴等級的提高而降低；擋風墻高度一定時，擋風墻的最優距離隨著列車運行速度提高而減少，隨著沙塵暴等級的提高而增加；擋風墻最優距離和高度近似成二次多項式關系。

鐵路工程；擋風墻；數值模擬；高速列車；沙塵暴

高速列車在行駛過程中，若受到強橫風的作用，列車的氣動性能便會迅速惡化[1-2]，尤其是在風沙環境下，橫風將會嚴重影響旅客乘坐舒適性并對運行安全造成嚴重影響[3-6]。為減少事故的發生，降低橫風對列車安全運行的影響，可在風區鐵路沿線建造擋風墻[7-9]。目前，對于擋風墻的研究大致分3類：擋風墻高度，擋風墻至軌道中心線距離和擋風墻的結構外形設計。劉鳳華[10]分析了4種不同類型的擋風墻對列車的安全防護效果評價；李燕飛等[11]對高速鐵路開孔式擋風墻外形進行了優化研究；葉坤等[12]對在橫風作用下高速鐵路擋風墻進行了高度和位置的優化分析；楊斌等[13]針對大風區不同路況下的擋風墻提出了合理高度；姜翠香等[14]研究了在橫風環境下擋風墻高度和設置位置對一線、二線棚車氣動性能的影響。但目前的研究僅考慮了在大風環境下擋風墻的設計對列車氣動性能的影響。實際上，風沙總是伴隨出現的，尤其是在我國的內蒙古和新疆等強風沙地區[15]。因此，單純研究風的影響既不能真實地揭示風沙對列車運行的平穩性和安全性影響，也不能體現出擋風墻的作用，也就不能很好地指導擋風墻的結構設計。通過歐拉雙流體模型模擬風沙兩相流，使用大氣底層邊界速度型風場模擬自然風，分析沙塵暴環境下擋風墻高度和距離對列車橫向氣動力矩的影響規律，以獲得擋風墻的最佳高度和最優距離的關系，為高速鐵路擋風墻的設置參數提供參考依據。

1　計算模型及方法

1.1計算模型與數值方法

以某高速動車組的幾何尺寸為原型建立數值計算模型，由于列車中部的氣動力變化已經趨于穩定[16]，因此可將列車模型簡化為頭車、中間車和尾車3輛車編組，其長度分別為25.8 ,24.8和25.8 m，列車的寬度為3.2 m，高度為3.89 m。同時，將列車簡化為一個光滑曲面的幾何體，并忽略轉向架、受電弓及門把手等細部特征[17]。

采用直立式擋風墻，其高度定義為路堤上部至擋風墻頂部的距離，距離定義為擋風墻內側表面至一線軌道中心線的距離，擋風墻厚度為1.2 m，路堤高度為5 m，坡腳角度為1∶1.5[13]。

沙塵運動為兩相流運動，歐拉雙流體模型將空氣與運動沙塵均看作是流體，認為二者之間相互貫穿滲透，用體積分數來描述每一相的存在，這樣可以有效避免沙塵顆粒數目的限制，節省計算資源，提高計算效率[19]。故采用該模型，并選定空氣為第一相，沙粒為第二相。按照《沙塵暴天氣等級》的規定，并選取沙塵暴S3，強沙塵暴S4和特強沙塵暴S5 3個等級進行研究，相關參數如表1所示。

表1　風沙計算參數

沙塵暴中的風和沙往往不是就地產生的，因此，采用更接近實際情況的大氣底層邊界速度型風場來模擬自然風[20]，風速在大氣邊界層高度的方向上以指數形式增加。數值模擬軟件采用商用計算流體動力學軟Fluent進行數值模擬。邊界層使用標準壁面函數，并采用定常可壓縮的N-S方程和標準κ-ε兩方程湍流模型，耦合壓力與速度使用SIMPLE算法，并使用二階迎風格式進行離散。

1.2計算域及網格劃分

考慮到氣流的繞流和流場的充分發展，選擇長、寬、高為320 m×100 m×40 m的長方體為計算區域。計算區域如圖1所示。

為保證模擬計算的準確性和計算效率，需將車體和擋風墻周圍網格劃分的較密，而遠離車體的外流場網格可以較疏[21]，因此采用尺寸函數的方法來劃分網格，劃分后的網格數量為250萬，最終得到計算域的網格如圖2所示。

(a)正視圖；(b)側視圖單位：m圖1　計算區域及尺寸Fig.1 Computational domain and size

圖2　計算域網格Fig.2 The grids of calculation field

1.3邊界條件及計算工況

1)流動入口1。入口1設置為含有沙粒的均勻風場，風速和沙粒的流入速度均為列車速度，方向與車速相反，并且還需根據工況設定沙粒的直徑、體積濃度等參數。

2)流動入口2。入口2設置為含有沙粒的大氣底層邊界速度型風場，速度隨高度的變化規律為vy=vy10﹒(y/y10)0.16，其中y10=10 m，vy10為y=10 m處的橫風速度。同樣，還需設定沙粒直徑、體積濃度等參數。

3)計算域流動出口。出口1和出口2均使用壓力出口邊界條件。

4)地面、路堤及擋風墻。由于地面、路堤及擋風墻與列車之間存在相對運動，故將三者設定為滑移壁面，移動速度與車速大小相同，方向相反[22]。

5)列車表面和計算域上表面。按照無滑移壁面條件設定。

分別選取列車速度為200，275和350 km/h；擋風墻的高度為2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5以及5 m；擋風墻的距離為3.5，3.8，4.2和4.5 m。具體計算工況如表2所示。

表2　計算工況

2　結果與分析

2.1沙塵對鐵路擋風墻結構的影響

車速為275 km/h，橫風速度為25 m/s，擋風墻高度為4 m，擋風墻距離為4.2 m時，無沙塵和有沙塵(沙塵濃度為4.0×10-8)2種工況下，列車表面的壓力分布云圖，如圖3。

由圖可知，在沙塵暴環境下列車表面的壓力均有所增加，尤其是列車迎風側上部壓力增加明顯。無沙塵工況下，列車整車傾覆力矩為0.169 kN·m；有沙塵工況下，列車整車傾覆力矩為2.812 kN·m。考慮了沙塵的影響后，列車整車傾覆力矩增加了2.643 kN·m。這是由于與無沙塵情況相比，沙塵環境下單位空間體積內所含物質的運動動能增加，當含有沙塵的大風與列車發生相互作用時，列車所受載荷增加，又由于擋風墻的存在改變了流體運動的路徑，導致列車迎風側上部所受壓力增加明顯，而列車背風側的壓力變化不大，使得列車所受的傾覆力矩增加，列車向背離擋風墻方向扭轉的趨勢增加。因此，考慮到沙塵影響，擋風墻高度應適當增加。由于在沙塵環境和無沙塵環境下，列車在運行過程中所受的氣動力是不同的，所以在研究擋風墻設置參數時，有必要考慮沙塵暴環境對列車產生的影響。

(a)無沙塵工況;(b)有沙塵工況圖3　無沙塵和有沙塵工況下列車車身的壓力云圖Fig.3 Pressure distribution on the surface of the train in wind with sand and without sand

2.2不同擋風墻設置對列車外流場的影響

以下分析沙塵暴環境下擋風墻對列車外流場的影響。橫風作用下列車的穩定性主要取決于傾覆力矩[23]。圖4為在特強沙塵暴環境下，車速為200 km/h，擋風墻距離為3.8 m時，不同高度擋風墻的條件下中間車車體的壓力云圖。

擋風墻高度為2.5 m時，車體迎風面為正壓區，由于車頂空氣流速加快，故出現負壓區，背風面上方為負壓區，車體向遠離擋風墻的方向扭轉。擋風墻高度為3.5 m時，車體迎風側和背風側均出現負壓，但兩側壓差不大，車體逐漸開始向擋風墻方向扭轉。擋風墻高度為4.5 m時，車體迎風面負壓區加劇，而背風面變化不大，兩側壓差明顯增加，車體朝擋風墻方向扭轉的情況加劇。與只考慮橫風情況的文獻[12]相比，具有類似的結論：隨著擋風墻高度的增加，車體逐漸從遠離擋風墻方向扭轉變為朝擋風墻方向扭轉。

圖5為在特強沙塵暴環境下，車速為200 km/h，擋風墻高度為3.8 m時，不同擋風墻距離的條件下中間車車體的壓力云圖。擋風墻距離為3.5 m時，車體迎風面壓力在-700～-400 Pa范圍內，背風面壓力在-400～-100 Pa范圍內，在兩側壓差的作用下車體向擋風墻方向扭轉，隨著車體逐漸遠離擋風墻，迎風面壓力迅速減小，而車體背風面的壓力變化不大，當距離為4.2 m時，車體兩側的壓力差趨近于0。隨著擋風墻距離的增加，車體逐漸從朝擋風墻方向扭轉變為背離擋風墻方向扭轉。只考慮橫風情況的文獻[12]也有相同結論。

(a)擋風墻高2.5 m；(b)擋風墻高3.5 m；(c)擋風墻高4.5 m圖4　不同高度擋風墻中間車體周圍的壓力云圖Fig.4 Distribution of pressure around the middle coach under different heights of wind-break wall

由此可見，當擋風墻處于某一高度時，會使車體兩側的氣壓差趨于0，這一高度可確定為這一工況下的最佳高度。同理，把擋風墻設置在某一距離時，車體兩側的氣壓差也會趨近于0，這一距離可確定為最佳距離。

(a)擋風墻距離3.5m；(b)擋風墻距離3.8 m；(c)擋風墻距離4.2 m圖5　不同擋風墻距離中間車體周圍的壓力云圖Fig.5 Distribution of pressure around the middle coach under different distances of wind-break wall

2.3運行速度對最優擋風墻高度和距離的影響

列車運行的穩定性與其受到的傾覆力矩密切相關[24]。氣動力和氣動力矩的作用點一般與車輛的重心位置并不重合，作用點受車輛的形狀、大小和環境風的方向等因素影響。氣動力矩的簡化中心定為距路堤高度為1.95 m的車體中心位置。傾覆力矩為正值時表示氣動力使列車朝遠離擋風墻的方向扭轉，傾覆力矩為負值時表示氣動力使列車向擋風墻方向扭轉。

在特強沙塵暴環境下，列車以不同速度行駛情況下列車傾覆力矩隨擋風墻高度和距離的變化規律見圖6～8，分別分析頭、中、尾車的傾覆力矩，選擇絕對值最小的傾覆力矩所對應的擋風墻高度和距離則為最優方案。

當擋風墻距離一定時，頭車、中間車和尾車的傾覆力矩均隨著擋風墻高度的增加而逐漸減小。擋風墻高度較低時傾覆力矩為正值，列車繞著氣動中心向背風側轉動；當到達某一高度時傾覆力矩降為0；當擋風墻高度繼續增加時，傾覆力矩為負值，列車繞著氣動中心向迎風側轉動。傾覆力矩為0時所對應的高度為最優高度。隨著擋風墻距離的增加，頭車、中間車和尾車的最優高度也逐漸增加，距離過小，傾覆力矩為負值，列車會向迎風側轉動；距離過大，傾覆力矩為正值，列車會向背風側轉動。

表3為在不同車速下，擋風墻距離在3.5～4.5 m時，頭車、中間車和尾車擋風墻高度的最優值。

表3　在不同車速下擋風墻的最優高度

由表3可知，隨著列車運行速度的提高，擋風墻的最優高度也逐漸增大，車速從200 km/h提升至275 km/h時，擋風墻的最優高度增加了0.29 m，車速從275 km/h提升到350 km/h時，擋風墻的最優高度增加了0.24 m。當列車以一定速度行駛時，如果實際的擋風墻高度低于最優值，列車可以通過降速來使其達到最優行駛條件，如果實際的擋風墻高度高于最優值時，列車可以通過提速來達到最優行駛條件。

(a)頭車；(b) 中間車；(c)尾車圖6　列車行駛速度為200 km/h傾覆力矩隨擋風墻高度和距離的變化規律Fig.6 Capsizing moments changing with the height and the distance of wind-break wall at the speed of 200 km/h

(a)頭車；(b) 中間車；(c)尾車圖7　列車行駛速度為275 km/h傾覆力矩隨擋風墻高度和距離的變化規律Fig.7 Capsizing moments changing with the height and the distance of wind-break wall at the speed of 275 km/h

(a)頭車；(b) 中間車；(c)尾車圖8　列車行駛速度為350 km/h傾覆力矩隨擋風墻高度和距離的變化規律Fig.8 Capsizing moments changing with the height and the distance of wind-break wall at the speed of 350 km/h

2.4不同沙塵暴等級下最優擋風墻高度和距離

列車速度為275 km/h時，在不同沙塵暴等級情況下列車傾覆力矩隨擋風墻高度和距離的變化規律見圖7，圖9和圖10，分別分析頭、中、尾車的傾覆力矩，選擇絕對值最小的傾覆力矩所對應的擋風墻高度和距離則為最優方案。

特強沙塵暴環境下傾覆力矩隨擋風墻高度和距離的變化規律見圖7。

(a)頭車；(b) 中間車；(c)尾車圖9　沙塵暴環境下傾覆力矩隨擋風墻高度和距離的變化規律Fig.9 Capsizing moment changed with the height and the distance of wind-break wall in a sandstorm

(a)頭車；(b) 中間車；(c)尾車圖10　強沙塵暴環境下傾覆力矩隨擋風墻高度和距離的變化規律Fig.10 Capsizing moment changed with the height and the distance of wind-break wall in a strong sandstorm

Table 4 Optimal heights and distances of wind-break wall in different levels of sandstorm

擋風墻距離/m沙塵暴等級頭車最優/m中間車最優/m尾車最優m綜合最優/mS34.304.434.103.5S44.144.183.854.14S53.983.913.61S34.444.524.263.8S44.274.283.954.27S54.073.993.67S34.634.804.454.2S44.424.494.164.42S54.254.183.86S34.844.854.554.5S44.524.524.244.52S54.374.253.90

最優方案見表4。固定車速下擋風墻距離一定時，頭車、中間車和尾車所確定的擋風墻最優高度均隨著沙塵暴等級的提高而降低。文獻[12-13]在考慮橫風風速對車體傾覆力矩的影響時也得出了類似的結論:隨著橫風風速的增加，擋風墻的最優高度是減小的。在某種沙塵環境下，頭車、中間車和尾車所確定的擋風墻最優高度均隨著擋風墻距離的增加而增加。

綜合在各種沙塵環境下3節車的最優值，車速為275 km/h情況下擋風墻位置分別為3.5，3.8，4.2和4.5 m時對應的最優高度分別是4.14，4.27，4.42和4.52 m。對這幾對數據進行擬合，得到擬合曲線及相應的函數關系。擋風墻最優距離和高度近似成二次多項式關系。經驗證，其他的擋風墻高度和距離最優組合點均在該擬合曲線附近。

同理可得到車速為200 km/h和350 km/h的擬合曲線，如圖11所示。

圖11　擋風墻最優高度和最優距離的擬合曲線Fig.11 Fitted curves of optimal heights and distances of wind-break wall

可見擋風墻最優高度和距離近似成二次多項式關系。當車速增加或降低時，最優擋風墻的高度也要適當增加或降低。綜合擋風墻最優高度、最優距離和車速之間的關系，得到表達式：

h=1.424+1.282×10-2v-0.173 3d-2.147×

10-5v2+8.002×10-4vd+0.050 61d2

(1)

式中:h為最優擋風墻高度，m；v是車速，km/h；d為最優擋風墻距離,m。

車速200 km/h及擋風墻的距離為5.7 m時，根據式(1)可得到最優擋風墻高度為4.70 m，而文獻[13]未考慮沙塵影響下得到擋風墻合理高度為4.0 ～4.5 m時可保證列車安全運行(環境風速小于25 m/s)。由此可見，在沙塵暴環境下擋風墻的最優高度應有所增加。

3　結論

1)在沙塵環境和無沙塵環境下，列車在運行過程中所受的氣動力有所不同，在研究擋風墻設置參數時，有必要考慮沙塵環境對列車產生的影響。在沙塵暴環境下，擋風墻的最優高度應有所增加。

2)擋風墻距離固定時，隨著擋風墻高度的逐漸增加，列車由向背風側轉動變為向迎風側轉動；擋風墻高度固定時，隨著擋風墻距離的逐漸增加，列車由向迎風側轉動變為向背風側轉動。

3)擋風墻高度一定時，隨著列車運行速度的提高，擋風墻的最優距離減少，隨著沙塵暴等級的提高，擋風墻的最優距離增加。

4)擋風墻距離一定時，隨著列車運行速度的提高，擋風墻的最優高度增大，而隨著沙塵暴等級的提高，擋風墻的最優高度降低。

5)固定車速下，擋風墻最優高度和距離近似成二次多項式關系。擬合最優高度、最優距離和車速之間的關系，得到表達式：

h=1.424+1.282×10-2v-0.173 3d-2.147×

10-5v2+8.002×10-4vd+0.050 61d2

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Influence of sandstorms on the setting of wind-break wall of high-speed railway

NIU Bo, DU Liming

(Province Key Lab of Vehicle Engineering Advanced Technology, Dalian Jiaotong University,Dalian 116028, China)

Sandstorm has a serious influence on the safe operation of a train. In order to ensure the safety, wind-break wall is a necessary measure. Based on the Eulerian two-fluid model and the lower atmospheric boundary layer crosswind model, a numerical simulation method was used to stimulate how sandstorms impacted on the setting of wind-break wall, such as the height and the distance, when a high-speed train traveled at different speeds and under different levels of sandstorms. The results show as follows: compared with only wind conditions, aerodynamic forces of a train affected by sandstorms are different, after considering the effect of sand, overturning moment increases. Therefore the effect of sandstorms should be considered in the research. Optimal height should be increased after consideration of it. When the distance is settled, the train turns from leeward side to windward side as the wall’s height increases. When the height is settled, the train turns from windward side to leeward side with the increase of the wall’s distance. When the distance is settled, the optimal height of the wind-break wall increases with the increased speed of the train, but decreases with the increased levels of sandstorm. When the height is settled, the optimal distance increases with the increased speed of the train, but decreases with the increased levels of sandstorm. And there is a quadratic relationship between the optimal heights and distances of wind-break wall.

railway engineering; wind-break wall; numerical simulation ;high-speed train; sandstorm

2016-03-29

國家自然科學基金資助項目(11202043)

杜禮明(1972-)，男，湖北黃岡人，教授，博士，從事機車車輛流體動力學研究：E-mail:dulm@vip.sina.com

U216.413；U271.91

A

1672-7029(2016)08-1457-09