風(fēng)屏障對(duì)平層公鐵橋上列車(chē)氣動(dòng)特性影響的風(fēng)洞試驗(yàn)研究

劉葉　韓艷　胡朋　李凱　蔡春聲　 何旭輝

摘要： 基于列車(chē)測(cè)壓試驗(yàn)，以平層公鐵橋梁和CRH2列車(chē)為背景，分析了風(fēng)屏障對(duì)平層公鐵橋上列車(chē)表面風(fēng)壓分布的影響，研究了有無(wú)風(fēng)屏障時(shí)列車(chē)表面壓力以及氣動(dòng)力的跨向相關(guān)性的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：設(shè)置風(fēng)屏障后，列車(chē)迎風(fēng)面與背風(fēng)面、頂面和底面風(fēng)壓差隨風(fēng)屏障透風(fēng)率的減小而減小，使得列車(chē)總體側(cè)力和升力減小，風(fēng)屏障透風(fēng)率為20%時(shí)，列車(chē)表面脈動(dòng)壓力分布較均勻，有利于橋上列車(chē)運(yùn)行時(shí)的安全與舒適。風(fēng)屏障的防風(fēng)效果不會(huì)隨著風(fēng)屏障高度的增加一直變好，透風(fēng)率為40%時(shí)，風(fēng)屏障存在一個(gè)最優(yōu)高度3.5 m。風(fēng)屏障透風(fēng)率對(duì)列車(chē)迎風(fēng)面以及頂面圓弧過(guò)渡段表面風(fēng)壓的影響明顯大于高度。設(shè)置風(fēng)屏障后，列車(chē)底面和背風(fēng)面測(cè)點(diǎn)壓力跨向相關(guān)性更好，風(fēng)屏障的擋風(fēng)效應(yīng)增強(qiáng)了這兩部分展向流場(chǎng)的一致性，使流體的脫落點(diǎn)更一致。隨著跨向間距的增大，氣動(dòng)力的相關(guān)性越來(lái)越差，風(fēng)屏障對(duì)氣動(dòng)力的跨向相關(guān)性較無(wú)風(fēng)屏障時(shí)弱，設(shè)置風(fēng)屏障時(shí)跨向間距超過(guò)5倍列車(chē)高，氣動(dòng)力完全不相關(guān)。

關(guān)鍵詞： 風(fēng)屏障;?風(fēng)洞試驗(yàn);?平均風(fēng)壓;?脈動(dòng)風(fēng)壓;?跨向相關(guān)性

中圖分類(lèi)號(hào)： U448.12;?TU317.1 ???文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ???文章編號(hào)： 1004-4523（2022）02-0284-13

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2022.02.004

引??言

隨著列車(chē)輕質(zhì)量、高速度的發(fā)展，使得其對(duì)橫風(fēng)的作用更加敏感。已有研究表明，橫風(fēng)下列車(chē)在橋上行駛所受風(fēng)荷載要大于列車(chē)單獨(dú)存在時(shí)的風(fēng)荷載，列車(chē)在橋上行駛相對(duì)較危險(xiǎn)，需引起重視。在橋面兩側(cè)設(shè)置風(fēng)屏障能有效改善列車(chē)在橋上行駛時(shí)的風(fēng)環(huán)境，提高列車(chē)的臨界風(fēng)速，是解決橋面行車(chē)安全和舒適性問(wèn)題的主要手段。為提高橋梁通行能力，緩解交通壓力，大跨度跨江、跨海大橋通常采用公鐵兩用的結(jié)構(gòu)形式，常見(jiàn)的公鐵兩用大橋主要為分層或分離式結(jié)構(gòu)，針對(duì)公鐵平層大跨度橋梁的研究還很缺乏。

目前，國(guó)內(nèi)外研究者通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法對(duì)風(fēng)屏障的防風(fēng)效果進(jìn)行了大量的研究。董香婷等利用數(shù)值模擬方法，對(duì)列車(chē)在側(cè)風(fēng)下的三維繞流情況進(jìn)行了分析，研究了有無(wú)風(fēng)屏障時(shí)列車(chē)表面的壓力分布、流線以及氣動(dòng)力。Telenta等通過(guò)CFD數(shù)值模擬，分析了風(fēng)屏障的障條傾斜角度對(duì)車(chē)輛氣動(dòng)特性的影響情況，并以車(chē)輛所受最小側(cè)向力為目標(biāo)，對(duì)障條間距及傾斜角度進(jìn)行了優(yōu)化。王玉晶等采用節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)，分析了不同行車(chē)工況、不同線路構(gòu)造形式，設(shè)置了單、雙側(cè)風(fēng)屏障后車(chē)輛和橋梁的三分力系數(shù)，解釋了風(fēng)屏障?車(chē)?橋系統(tǒng)氣動(dòng)繞流機(jī)理。項(xiàng)超群等利用流體計(jì)算軟件FLUENT計(jì)算了不同風(fēng)屏障高度下橋上列車(chē)的氣動(dòng)力系數(shù)，研究了列車(chē)周?chē)鲌?chǎng)靜壓和速度分布。何旭輝等基于風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)與流體力學(xué)理論，分析了風(fēng)屏障對(duì)車(chē)橋系統(tǒng)下列車(chē)的風(fēng)壓分布情況以及氣動(dòng)力分布特征，并解釋了風(fēng)屏障的氣動(dòng)效應(yīng)機(jī)理。Zhang等利用CFD數(shù)值模擬方法對(duì)風(fēng)屏障的選型進(jìn)行了研究，分析了簡(jiǎn)支箱梁橋橋面以上高度的風(fēng)速分布規(guī)律，在此基礎(chǔ)上給出了評(píng)價(jià)風(fēng)屏障防風(fēng)效果的建議指標(biāo)以及風(fēng)屏障的合理高度和孔隙率。向活躍等利用風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬兩種方法，對(duì)風(fēng)屏障作用下橋梁和列車(chē)的氣動(dòng)特性進(jìn)行了系統(tǒng)分析，研究了不同風(fēng)屏障高度和透風(fēng)率下軌道上方的流場(chǎng)分布和車(chē)輛風(fēng)荷載，并通過(guò)移動(dòng)列車(chē)風(fēng)洞試驗(yàn)，對(duì)裝有風(fēng)屏障的橋上列車(chē)氣動(dòng)性能進(jìn)行了研究，分析了不同風(fēng)屏障高度和風(fēng)向角對(duì)列車(chē)風(fēng)荷載的影響，并對(duì)風(fēng)屏障的防風(fēng)性能進(jìn)行了評(píng)估。Hrvoje Kozmar等為確定高架橋道路防風(fēng)屏障的最佳氣動(dòng)設(shè)計(jì)，在邊界層風(fēng)洞中研究了風(fēng)屏障的擋風(fēng)效率，分析了風(fēng)攻角對(duì)風(fēng)屏障后流場(chǎng)特性的影響，采用粒子成像技術(shù)（PIV）研究了風(fēng)屏障的高度和透風(fēng)率。這些研究?jī)H針對(duì)線路下部結(jié)構(gòu)為路基或典型高鐵高架橋斷面，主要通過(guò)車(chē)輛整體平均氣動(dòng)力或測(cè)試線路上方流場(chǎng)來(lái)評(píng)估風(fēng)屏障的防風(fēng)效果，對(duì)于平層公鐵橋梁這種特殊線路構(gòu)造形式下的列車(chē)表面風(fēng)壓分布研究鮮有報(bào)道。

徐志豪通過(guò)風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)，研究了雙主梁斷面形式的Stonectters大橋抖振力的展向相關(guān)性，分析了開(kāi)槽間距以及紊流度對(duì)抖振力跨向相關(guān)性的影響規(guī)律。Nagao等通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)不同形狀平板的表面壓力，研究了氣動(dòng)力空間相關(guān)性與來(lái)流空間相關(guān)性的關(guān)系。廖海黎等通過(guò)對(duì)流線箱型橋梁斷面進(jìn)行風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)，研究了紊流積分尺度對(duì)橋梁斷面抖振力相關(guān)性的影響，得到了紊流積分尺度與橋梁斷面的三維氣動(dòng)導(dǎo)納以及跨向相干函數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。Miyata等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，對(duì)明石海峽大橋風(fēng)場(chǎng)及響應(yīng)進(jìn)行了研究，并將脈動(dòng)風(fēng)的相關(guān)性與抖振力的空間相關(guān)性進(jìn)行了對(duì)比分析，得出了低頻區(qū)抖振力的空間相關(guān)性逐漸變差的結(jié)論。馬存明等利用風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了兩種大氣紊流場(chǎng)下橋上列車(chē)的氣動(dòng)力，考慮紊流度、攻角以及列車(chē)位置等因素，對(duì)列車(chē)抖振力的跨向相關(guān)性進(jìn)行了分析。大量針對(duì)空間相關(guān)性的研究主要集中在橋梁等相關(guān)結(jié)構(gòu)，關(guān)于列車(chē)斷面氣動(dòng)力的跨向相關(guān)性研究非常少，進(jìn)而考慮風(fēng)屏障的影響研究更加缺乏。

因此，本文以平層公鐵橋梁和CRH2列車(chē)為背景，對(duì)風(fēng)屏障作用下某公鐵平層大跨度斜拉橋上列車(chē)表面平均壓力、脈動(dòng)壓力分布以及氣動(dòng)力跨向相關(guān)性進(jìn)行研究，探究風(fēng)屏障對(duì)列車(chē)氣動(dòng)特性的影響機(jī)理。