戈壁地區風沙環境下橋梁防風柵防風性能的研究

高衛強，金阿芳，趙鵬，謝繁榮

(新疆大學機械工程學院，新疆烏魯木齊 830047)

0 前言

目前，隨著蘭新高鐵和新的“絲綢之路經濟帶”的實施，戈壁地區的工程建設將不可避免地造成更多風沙危害，特別是鐵路運輸系統將面臨更大的困難。蘭新高鐵是世界上經過風區最多、里程最長的戈壁鐵路之一，隨著列車運行速度的提高,列車的運行環境也越來越惡劣,列車受空氣動力學的影響越來越突出,尤其是橫風效應,直接關系運行安全,輕則影響列車乘坐的舒適性,造成列車橫向失穩,嚴重的將導致列車的傾覆或者脫軌事故。大風會對高速列車的安全運行造成隱患，針對戈壁大風天氣，鐵路工程人員修建了125座橋梁，并在橋梁上安裝防風柵。防風柵可以為高速列車創造一個相對低風速的環境，以保證高速列車的運行安全。但是，戈壁地區的真實環境除了有大風還有沙粒，具有很強的地域性。橋梁防風柵的設立只是為了降低風速，保證列車運營，不考慮其防沙效果，當風沙流經過橋梁及防風柵時，與純風環境相比，風沙環境下橋梁防風柵的前后流場會發生變化，對防風柵的防風效果以及高速列車的安全運行造成一定影響。

為解決戈壁地區大風災害問題，鐵路工作者在蘭新高鐵沿線修建了防風柵、擋風墻、防風明洞等防風設施，對蘭新高鐵安全運行起到了一定的作用。國內外學者也對大風區鐵路沿線災害特征進行了一些研究。辛國偉等基于數值模擬及風洞實驗，對不同地表粗糙度下的風沙流場進行數值分析，揭示地表粗糙度對流場表征量如風速、積沙形態的影響規律。金阿芳等運用光滑粒子流體動力學(SPH)方法對不同路堤高度沙漠公路的沙埋現象進行二維數值模擬。JIN等研究了強風沙環境下高速列車運行的安全性能和氣動性能。譚立海等對蘭新高鐵煙墩風區戈壁近地表風沙流躍移質的垂直分布特性進行了觀測研究，結果表明：2 m高的阻沙柵欄不足以完全阻截戈壁風沙流,這可能是造成蘭新高鐵煙墩風區軌道積沙產生的重要原因之一。石龍等人基于Fluent歐拉雙流體模型,對路堤周圍風沙兩相流運動特性進行數值模擬。劉永勝等認為戈壁沙漠的風沙運動是一種多尺度、多場耦合的非平衡態發展過程。王海龍等運用CFX多孔介質模型對防風沙柵的孔隙率優化進行了研究。WANG等對一定孔隙率金屬板后的氣流速度進行研究，得出孔板式沙障可以有效減少多風沙漠和戈壁地區的風沙災害。

綜上所述，國內外學者對于戈壁地區風沙流、防風設施的防風效果以及對高速列車安全運行的研究較深入，但是對在強風沙流作用下橋梁防風柵后的流場環境變化研究較少。事實證明，防風柵在為高速列車的穩定運行提供安全保證的同時也會造成軌道上方流場的改變，甚至在橋梁軌面出現少量積沙，主要是懸浮沙物質和強沙塵暴作用下的產物，會對列車運行造成隱患。因此，本文作者以蘭新二線新疆段中最具代表性的32 m跨度簡支橋梁為模型，對不同情況下的防風柵軌道上方流場變化情況進行研究，為防風柵的改進及車輛運行情況的改進提供參考。

1 模型參數設置

本文作者研究不同孔隙率的防風柵在強風沙環境下的防風效果。基于工程背景，以蘭新高鐵在西北戈壁地區的32 m跨度簡支箱梁為研究對象，分為兩種配置方案：(1)橋梁；(2)橋梁加防風柵。防風柵的孔隙率從0到65%不等，防風柵由開孔波形鋼板組成，所建模型結構如圖1所示。板厚0.004 m,高4 m,長2 m,孔徑0.01 m。

圖1 所建模型結構示意

圖2(a)顯示了帶有防風柵的橋面的1∶1的比例模型。箱梁模型的長寬高分別為2、12.2、2.868 m。

橋梁上其他細節，如道床、雙塊式枕軌、鋼軌如圖2(b)(c)所示。

圖2 所建32 m箱梁結構示意

2 數值模擬方法

此次數值實驗采用歐拉兩相流瞬態模型，將空氣與運動沙粒均看作擬流體，認為二者之間相互貫穿滲透，用體積分數來描述每一相的占比，計算中將初始沙相體積分數取為2%，風沙流中沙粒粒徑一般在0.075～0.25 mm，文中取0.1 mm，沙粒密度取2 650 kg/m，沙相為稀相。計算邊界條件設置如圖3所示。從入口到模型的距離為60 m,壓力出口到模型距離為120 m,前后對稱邊界到模型的距離為60 m,上邊界到模型距離為60 m,地面到模型的距離(沙爾特大橋橋梁凈空)為24 m，模型計算的阻塞率為3.6%。

圖3 計算域和邊界條件

在橋梁防風柵外流場數值模擬計算中，網格質量對計算結果有著至關重要的影響，特別是用歐拉雙流體模型模擬風沙流時，必須采用非常密的高質量網格才能達到計算精度要求。網格質量會影響計算的效率和結果。文中所建模型較為復雜，為節省計算機資源，采用Fluent Meshing中Poly-Hexcore方法對橋梁軌道以及防風柵外表面進行多面體網格生成和填充。為捕捉壁面附件的速度梯度，在橋梁、防風柵的表面各添加了5層邊界層，并在防風柵區域、軌道上方等重點部位加密網格，網格整體數量超過3 500萬，如圖4所示。

圖4 計算域網格及加密區放大圖

3 數值模擬方案驗證

為保證計算的準確性，選取初始速度為30 m/s的橫風，沙粒體積分數為2%，建立如文獻[7]中的數值模型。對比路堤周圍的空氣相速度與模擬結果，如表1所示。

表1 模擬結果與文獻[7]對比

由表1可知，模擬得到的風速誤差都小于10%，可見模擬結果與文獻[7]中結果的誤差在合理范圍內,驗證了文中數值計算方案可以滿足風沙流運動的研究需要。

4 結果與討論

在風速為30 m/s條件下，對裸橋和有防風柵梁的流場進行數值模擬。討論設置不同孔隙率防風柵橋梁周圍的氣動力、風壓分布和速度分布。分別對孔隙率為10%、20%、30%、40%、50%和65%的防風柵周圍流場進行數值模擬，對橋梁軌道上方風沙流場情況進行研究。

4.1 橋梁防風柵周圍風沙流場分布

圖5所示為不同孔隙率防風柵下橋梁周圍的風速分布云圖。對于裸橋，如圖5(a)所示，由于橋梁阻擋作用，橋梁迎風側背部拐角附近的風速減小，拐角處的風速小于來流速度。在橋梁迎風側翼緣處和迎風側背部拐角處，風流明顯加速，速度出現了明顯分區，最高風速超過35 m/s。在橋梁迎風側軌道處，由于軌道的阻擋，也產生了一個加速區，不利于列車在該區域運行。在橋梁的背風側形成了一個尾流區域，其寬度大約為橋面高度。

當防風柵安裝在橋梁上時，橋梁周圍的流場發生了很大的變化，如圖5(b)-(g)所示。加速區域移動到防風柵的頂部。防風柵阻擋了傳入的風流，降低了橋梁軌道上方區域的風速，并顯著加寬了尾流寬度。對于不同孔隙率的防風柵，防風柵后面都形成了回流區。這些防風柵有利于列車在橋梁上的運行安全。然而，防風柵也會導致出現更寬的尾流，寬度幾乎是裸橋高度的兩倍。尾流越寬，拖曳力越大，降低了橋梁的安全性。此外，防風柵還加強了翼緣處的風速分離和橋梁底面迎風側以下的氣流加速。

圖5 不同孔隙率下橋梁防風柵周圍的速度云圖

不同孔隙率的防風柵對橋梁周圍流場的影響不同。當防風柵的孔隙率較低(10%、20%和30%)時，防風柵會阻擋大部分進入的氣流，并在兩個防風柵之間形成一個逆流區，風速低于24 m/s。當防風柵的孔隙率較高(40%)時，大量進入的空氣會穿過防風柵之間的間隙，并在頂面上方向下游流動，從而減小尾流寬度，但不會顯著降低主梁頂面上方區域的平均速度，這種防風柵不能保證列車的運行安全。因此，兩個防風柵之間區域的風速在接近20%孔隙率情況下較均勻。此外，孔隙率的增加減少了剪切分離和流動加速。

圖6所示為不同孔隙率防風柵后5個位置的風速度剖面。坐標原點設置在橋面中心，迎風和背風列車分別位于約-2.5、2.5 m處。橫軸表示量綱為一速度，該速度通過除以輸入風速進行歸一化，其本質是大風流經防風柵后所剩余的風能，值越小說明防風柵防風效率越高。縱軸為距橋面的距離。結果表明，當橋梁裝有防風柵時，防風柵后的低速氣流和防風柵上的高速氣流之間的相互作用在橋梁軌道上方形成速度梯度。由于遮蔽效應，防風柵后的平均速度均減小；在同一位置，孔隙率較低的防風柵總具有較強的屏蔽效果。在相同孔隙率下，當距離防風柵位置變遠時，防風柵影響高度也上升了。此外，由于泄流和壁面邊界層之間的相互作用，當孔隙率高于20%時，在橋表面上方觀察到明顯的速度梯度。

圖6 防風柵后不同剖面位置X處的風速剖面

對于低防風柵孔隙率的情況(10%和20%)，所有位置的平均速度均較小且分布均勻，這有利于列車的運行安全。當孔隙率大于30%時，具有30%孔隙率防風柵情況下的平均速度分布與高孔隙率的情況下相似。對于高孔隙率的情況(40%、50%和65%)，平均速度也低于沒有防風柵的情況，但是這種降低明顯小于低孔隙率情況下觀察到的。因此，考慮到屏蔽效率，當設計防風柵時，應優先選擇小于30%的孔隙率。

4.2 橋梁防風柵周圍壓力場分布

圖7所示為裸橋和具有不同防風柵孔隙率的橋梁的壓力云圖。對于裸橋，由于主梁、道床和鋼軌的阻礙，在橋面上方和迎風側翼緣處風壓出現分區，正風壓區出現在主梁迎風側背部拐角處，并且在橋梁底部和橋梁迎風側軌道上方形成一個較小負壓區域。

圖7 不同孔隙率下橋梁防風柵周圍的壓力云圖

與裸橋相比，防風柵顯著改變了壓力分布。由于遮蔽效應的存在，防風柵后的壓力明顯降低，變得比無防風柵時均勻。但是，由于防風柵增大了與風接觸面積，防風柵前的正壓區增大并延伸到防風柵前，這一地區風壓明顯增大，并且大風壓出現的位置有改變。在梁的下側，風壓大小為負值，并明顯增大，這與防風柵的孔隙率有關。孔隙率較低的防風柵對壓力分布的影響較大，這與流場相吻合。

4.3 防風柵對橋梁自身抗風性能分析

圖8所示為橫風作用下具有防風柵的橋梁3個分力系數。當在橋梁上安裝防風柵時，防風柵的氣動力被加到橋梁的氣動力中。100%孔隙率的防風柵表示裸橋，其3個分量系數分別為0.79、0.34和0.02。

圖8 不同孔隙率防風柵的橋梁氣動力系數

防風柵的安裝明顯增加了阻力系數、負升力，但對傾覆力矩影響不大。另外，隨著風屏障孔隙率的減小，阻力系數不斷增加，且增加趨勢越來越快。例如，當孔隙率等于30%和10%時，阻力系數分別為1.05和1.43。

由于這座橋是為西北戈壁風區高速列車運行修建的橋梁，對強風很敏感，較高的阻力系數可能不利于該橋的穩定。因此，從橋梁的安全性考慮，孔隙率大于20%的防風柵是可取的。

5 結論

本文作者對橫風作用下有無防風柵的橋梁周圍的風沙流場進行了數值模擬。通過橋梁氣動力系數、壓力云圖和速度云圖，研究了防風柵孔隙率對橋系統氣動性能的影響。主要結論如下：

(1)防風柵顯著降低了行駛區域的平均風速，明顯提高了列車的運行安全性。當防風柵安裝在橋梁上時，橋梁周圍的流場發生了很大的變化，防風柵阻擋了傳入的風流，降低了橋梁軌道上方區域的風速，并顯著加寬了尾流寬度。尾流越寬，拖曳力越大，橋梁的安全性越低。

(2)對于低防風柵孔隙率的情況(10%和20%)，所有位置的平均速度均較小且分布均勻，這有利于列車的運行安全。當設計防風柵時，小于30%的孔隙率是優選的。

(3)防風柵可以阻擋部分來流風，但會使橋梁上的阻力和力矩增加，降低橋梁的抗風性能。防風柵的孔隙率越低，對橋梁抗風性能越不利。隨著風屏障孔隙率的減小，阻力系數不斷增加，且增加趨勢越來越快。