風屏障開孔形式對車橋系統氣動特性影響的數值研究

王玉晶， 徐學翔， 管青海， 劉睿

(1.山東建筑大學交通工程學院， 濟南 250101； 2.中國交通建設股份有限公司， 北京 100088)

隨著中國高鐵時代的到來，列車運行速度不斷地提高，由此引起的列車安全性也越來越受到人們的關注[1-2]。橫風是制約列車提速以及影響列車運行安全性的主要因素，為了保證列車的運行安全，目前較常用的措施是在路堤段設置擋風墻，在橋梁段安裝風屏障。其中空隙式風屏障得到很多研究者的青睞，它不但可以為列車提供一個較低的風速安全域，還可以減小橋梁的重量，因此應用廣泛[3]。

近年來，中外學者針對風屏障的形式和擋風作用開展了廣泛的研究，目前常用的方法主要有風洞試驗和數值模擬。蘇洋等[4]提出了一種新的多孔型風屏障的二維等效透風率模擬方法，并透風率對流場及風荷載的影響。韓旭等[5]通過階段模型試驗對全封閉聲屏障的三分力和表面風壓進行了測試。劉葉等[6]對采用風洞試驗方法對側風作用下平層公鐵橋梁-列車-風屏障系統進行了研究，分析了風屏障在不同風偏角下傾覆力矩系數的折減系數。徐昕宇等[7]測試了安有不同透風率的風屏障時的車橋系統氣動特性，分析了風屏障的防風效果。也有一些學者采用數值模擬的方法進行了研究。雷卿等[8]基于數值模擬方法分析了百里風區吾普爾大橋擋風片的遮蔽效應特性。周蕾等[9]分析了橋型和風屏障透風率對車橋氣動特性及流場影響，揭示了風屏障對車橋系統氣動特性的影響機理。Gu等[10]研究了風屏障的遮蔽性能和不同風屏障彎曲角度時的風場。Mohebbi等[11]研究了高速軌道旁的多孔風屏障對高速列車模型的影響。Buljac等[12]分析了風障對大跨度橋梁橫斷面氣動特性和氣彈特性的影響，以及橋面斷面周圍的流動特性。但已有研究大多考慮了風屏障高度、透風率及安裝位置等因素對防風效果的影響，均未考慮風屏障的開孔形狀的影響，并且沒有考慮車體形狀對車輛氣動特性的影響。

為此，基于計算流體力學理論，采用Star CCM+軟件建立了全尺寸的CRH2型高速列車模型和簡支箱梁模型，對裝有不同形式風屏障的車橋系統的風場進行模擬，分析了不同開孔形式下的流場和車體形狀對車輛氣動特性的影響。根據不同開孔形式風屏障的擋風效率，為不同車輛模型以及車輛位于不同位置時的風屏障選型提供建議。

圖1 蘭新鐵路沿線風區分布Fig.1 Illustration of wind zones along Lanzhou-Xinjiang railway

1 計算模型

1.1 工程背景

20世紀60年代建成的蘭新鐵路橫跨甘肅、新疆，穿越百里風區、三十里風區、安西風區、煙墩風區、達坂城風區五大風區(圖1)。由大風導致的列車脫軌、傾覆事故時常發生，并且造成了巨大的經濟損失和人員傷亡。橋梁模型為位于大風區的蘭新第二雙線，該線依然橫穿五大風區，風區線路占全線總長的32.6%。

1.2 計算模型

選用CRH2型高速列車為車輛模型，并采用頭車-中車-尾車的形式，適當簡化掉風擋、轉向架、受電弓等附屬結構。圖2為計算域尺寸和車橋模型分段示意圖，頭車、中車和尾車的長度分別為25.7、25、25.7 m，總長度為76.4 m。橋梁模型簡化掉欄桿和軌道等結構，車輛和橋梁中間有20 cm空隙來模擬軌道結構。計算域的大小為90 m(高)×280 m(寬)×120 m(長)。橋梁和風屏障的長度與計算域的長度相同，并根據車輛的位置將橋梁和風屏障的分為三段有效計算區域：橋A段、橋B段和橋C段，分別對應頭車、中車和尾車。風屏障的厚度為0.3 m，各模型尺寸在數值建模中均采用1∶1進行建模。

圖2 計算域尺寸和車橋模型分段示意圖Fig.2 Calculation domain size and schematic diagram of vehicle-bridge model segmentation

入口(inlet)邊界條件為velocity-inlet，側風風速取20 m/s；出口(outlet)邊界條件為pressure-outlet；上邊界(top)的邊界條件為滑移的壁面；地面(ground)的為無滑移的壁面；車輛和橋梁表面為無滑移的壁面。

1.3 網格劃分

圖3 網格劃分示意圖Fig.3 Schematic diagram of meshing

網格質量直接關系到數值模擬的精度[13]。近壁區采用0.01 m的邊界層網格以更好的模擬邊界層流動情況，其他區域采用結構化的六邊形網格以加快計算速度和收斂速度。如圖3所示，網格劃分采用六面體網格，由于車頭和車尾是復雜的三維曲面結構，因此車體表面的網格尺寸最大取0.15 m，橋梁和風屏障表面網格最大尺寸為0.8 m，最小尺寸為0.1 m；分別在車輛和橋梁間的空隙和橋梁車輛和橋梁空隙網格尺寸加密為0.1 m。此外，在橋梁截面周圍10 m×8 m的范圍內進行網格加密，加密網格的尺寸為0.8 m。在遠離車輛和橋梁的位置網格逐漸稀疏，不同的工況中，網格數量在7×106～1×107。

湍流計算模型采用 SSTk-w模型(k為湍動能，w為比耗散率)，湍流強度為0.5%,黏性系數為10。邊界條件：迎風面取為速度進口邊界條件, 設定來流速度為20 m/s, 對應的雷諾數為4.67×105, 背風面取壓力出口邊界條件, 計算域上下邊界以及模型取為壁面。

1.4 氣動力系數定義及模型驗證

車輛在橫風作用下，會產生氣動側力FD、氣動升力FL和氣動力矩M，將車輛和橋梁的氣動三分力系數定義為

(1)

式(1)中：ρ為空氣密度,取1.225 kg/m3;U為來流風速；AH為車輛在來流方向的迎風面積；AV為車輛在豎向的面積；B為車輛寬度；FD、FL和M分別為橫風時車輛受的側力、升力和力矩；CD、CL、CM分別為側力系數、升力系數和力矩系數。

為驗證本文模型網格的準確性，采用車橋系統風洞試驗數據進行驗證，結果如表1所示。可以看出，數值結果與試驗結果都較為接近，車輛和橋梁的阻力系數誤差分別為11.2%和10.5%，說明所采用的數值模擬方法可行。

表1 數值結果與試驗結果的對比Table 1 Comparison of numerical and experimental results

2 開孔形式對車橋系統氣動特性的影響

2.1 風屏障的開孔形式

為了充分考慮風屏障的不同開孔形式對車輛氣動特性的影響，取所有風屏障的高度為4 m，開孔率為30%。圖4為不同開孔形式的風屏障，風屏障的開孔方式有：格柵形、正三角形、正四邊形、正五邊形和圓形。所有形式的開孔面積均相同，在建模過程中以1 m×1 m的矩形為基本單元，孔洞中心與矩形單元的型心重合，以此建立沿橋梁全長的風屏障。

2.2 對不同車輛模型氣動性能影響

高速列車在設計時，頭部和尾部的外形表面光滑、平順，且采用大曲面的設計，保證了頭車和尾車的流線型，這與中車不同。為研究風屏障的開孔形式對頭車、中車和尾車各自的影響，選取車輛位于迎風側的風屏障-車-橋系統為研究對象進行數值分析，各車輛及其對于橋段的三分力系數分別如圖5、圖6所示。

圖4 不同開孔形式的風屏障Fig.4 Wind barriers with different openings

圖5 不同車輛的三分力系數Fig.5 Tri-component coefficients of vehicles

圖5為不同風屏障開孔形式下各車輛的氣動力系數。可以看出：①風屏障的開孔形式對車輛的阻力系數影響較大，且隨著開孔邊數的增加各車輛的阻力系數先減小后增大，開孔形式為格柵形時阻力系數最大，且開孔除圓形外，中車的阻力系數都大于頭車和尾車的阻力系數；②風屏障的開孔形式對車輛的升力系數影響也較大，由于升力數值較小，導致開孔形式為三角形、四邊形和圓形時的各車輛系數相差較大，這是由于來流風穿過孔洞后會在車輛迎風面的上下兩個拐角處出現渦，并且不斷地發生脫落，開孔形式為四邊形時中車的升力系數與頭

圖6 不同橋段的三分力系數Fig.6 Tri-component coefficients of different bridge segments

車和尾車的升力系數符號不同，這是由于升力數值較小，數值有所波動；③各車輛的力矩系數隨開孔邊數的增加先減小后增加又減小，當開孔形式為格柵形時各車輛的力矩系數最大，且均為正值。當采用這五種開孔形式的風屏障時，中車的力矩系數均大于頭車和尾車的力矩系數，采用格柵形式時中車比頭車的力矩系數大了63.6%；④在計算車輛動力響應時，應分別計算頭車、中車和尾車的三分力系數。

圖6為不同風屏障開孔形式下各橋段的氣動力系數。可以看出：①在橫風作用下，風屏障的開孔性轉對橋梁阻力系數的影響較小，且當風屏障開孔形狀相同時橋梁各段的阻力系數也相近；②橋A段和橋C段較為接近，且安裝這5種風屏障時，橋B段的升力系數都小于橋A段和橋C段。當采用圓形的風屏障時，兩者相差最小，為0.56%。采用三角形風屏障時相差最大，為17.2%，這是由于風屏障開孔位置的影響；③橋梁各段的力矩系數隨風屏障開孔邊數的變化先減小后增大，開孔為五邊形時力矩系數最小，安裝各種風屏障時橋A段和橋C段的力矩系數都很接近，且小于橋B段的力矩系數，這是因為橋梁的迎風面積較大，氣動力系數主要受本身尺寸的影響最大；④在計算橋梁動力響應時，可采用橋A段和橋C段的三分力系數。

2.3 對不同位置車輛的影響

為研究風屏障開孔形式對不同位置車輛的影響，建立了車輛位于迎風側和背風側的風屏障-車-橋系統模型并進行分析，如圖7所示。

只考慮中車的三分力系數受線路位置和風屏障開孔形式的影響，計算結果如表2所示。

圖7 車輛和橋梁的布置圖Fig.7 Layout of vehicle and bridge

表2 車輛位于不同線路上時中車的三分力系數Table 2 Three-component force coefficients of the middle car when the train is on different routes

表2為車輛位于不同線路上時中車的三分力系數。可以看出：①開孔形式為格柵形時中車的三分力系數均相差較大，這是由于車輛位置不同造成的，當車輛位于背風側線路時，風屏障和車輛中間孔隙較大，產生的渦也較大；②中車的阻力系數和力矩系數隨開孔邊數的增加基本呈下降趨勢，位于背風側時的中車阻力系數和力矩系數變化較緩；③位于迎風側和背風側的中車的升力系數隨開孔邊數的增加基本呈上升趨勢，但開孔形式為五邊形時，迎風側中車的升力系數出現了負值，這是因為開孔形狀影響了風屏障后漩渦脫落的尺寸和脫落速度；④在計算車輛動力響應時，應考慮車輛位置對三分力系數和車輛動力響應的影響。

2.4 對風屏障擋風效率的影響

在橋梁上安裝風屏障之后，由于風屏障阻擋了氣流，使得作用于車體上的風荷載減小。與此同時，由于風屏障和橋梁相連接，作用在風屏障的風荷載也傳遞給了橋梁。對于給定高度和透風率的風屏障，開孔面積相同，但是由于開孔形式不同，對風場的影響也不同，主要體現在橋梁三分力中占的比重。因此，定義風屏障的貢獻率(contribution rate of wind barrier，CRWB)為

(2)

式(2)中：CRWB為風屏障的貢獻率；Ftotal為風屏障和橋梁整體的三分力；FB為橋梁單體的三分力；當三分力分別取FD、FL、M時，CRWB分別對應CRWBD、CRWBL、CRWBM，其中CRWBD、CRWBL、CRWBM分別為風屏障對阻力系數、升力系數和力矩系數的貢獻率。

為研究風屏障開孔形式對風屏障擋風效率的影響，選取車輛位于迎風側時的工況進行討論，根據式(4)分別計算不同開孔形式下橋A段、橋B段和橋C段的風屏障貢獻率，結果如圖8所示。

圖8為5種風屏障對各段橋梁氣動力的貢獻率。可以看出：①風屏障對阻力的貢獻率CRWBD都超過了50%，可見風屏障的存在為橋梁增加了超過50%的側力。隨著風屏障開孔邊數的增加，橋A段、橋B段和橋C段的CRWBD都呈增加趨勢，其中橋B段的貢獻率增加最多，增加了12.2%；②隨著風屏障開孔邊數的增加，3個橋段的CRWBL都呈減小趨勢，且當風屏障開孔形式為三角形時風屏障對升力貢獻率最低；③除開孔形式為五邊形的橋A段和橋B段外，風屏障對力矩的貢獻率CRWBM也都超過了50%，可見風屏障的存在為橋梁增加了一半多的力矩，且CRWBM隨風屏障開孔邊數的變化先減小后增大，當開孔形式為五邊形時CRWBM最小。綜上所述，風屏障承擔了橋梁一半多的阻力和力矩，增加了橋梁的不安全性。

3 開孔形式對流場的影響

風屏障開孔形式不同會直接影響作用于車體上的風壓，以1.2節中的模型為研究對象，分析側風速度為20 m/s時車體表面的風壓分布。如圖9所示，為了清晰看出車體表面的風壓分布，將中車左側的部分風屏障隱藏(計算時，風屏障與橋梁長度相同)。

圖8 風屏障對橋梁氣動力的貢獻率Fig.8 Contribution rate of wind barrier to aerodynamic force of bridge

圖9 不同風屏障開孔形式下的風壓云圖Fig.9 Wind pressure cloud diagrams under different wind barrier opening forms

圖9為車橋系統在不同開孔形式風屏障下的表面風壓云圖。可以看出：①無論風屏障的開孔形式如何，作用在風屏障上的風壓最大，且風壓數值沿著風屏障高度方向逐漸減小，這是由于風在風屏障的上方發生了繞流；②另一部分來流穿過風屏障的孔洞，作用于列車上，明顯可見作用于車體迎風面的壓強數值為正值，但是數值明顯減小，這是由于來流直接垂直作用于風屏障上后能量發生損失，風速也驟減，導致壓強也突增；③風屏障和列車迎風面之間的渦流由于孔洞的存在變化異常復雜，穿過孔洞的氣流在車體迎風面和頂面的交界處發生繞流且出現負值；④由圖9(b)可見，風屏障開孔形式為三角形時，負壓的絕對值最大，出現在列車迎風面與車頂面的交界處，其次為圓形、五邊形，開孔形式為四邊形時負壓絕對值最小，對比列車迎風面的壓強可見，安有格柵形風屏障的列車迎風面壓強更加均勻些，這是由于風穿過格柵形風屏障時，沿橋梁方向的流動不受限制，只在垂向受限；⑤孔洞形式的風屏障，隨著小孔邊數越多，壓強分布越均勻。這是由于來流風在小孔的拐角處會發生方向突變，邊數增加后拐角增大，突變效果也不再明顯。

4 結論

建立了不同開孔形式的風屏障-車-橋系統氣動模型，采用數值方法進行了模擬，分析了開孔形式對車橋氣動特性、風屏障擋風效率和流場的影響，得到以下主要結論。

(1)風屏障的開孔形式對車輛的阻力系數影響較大，且隨著開孔邊數的增加各車輛的阻力系數先減小后增大，開孔形式為格柵形時阻力系數最大。采用格柵形式時中車比頭車的力矩系數大了63.6%。在橫風作用下，風屏障的開孔性轉對橋梁阻力系數的影響較小，且當風屏障開孔形狀相同時橋梁各段的阻力系數也相近。

(2)中車的阻力系數和力矩系數隨開孔邊數的增加基本呈下降趨勢，位于背風側時的中車阻力系數和力矩系數變化較緩；在計算車輛動力響應時，應考慮車輛位置對三分力系數和車輛動力響應的影響。

(3)隨著風屏障開孔邊數的增加，橋A段、橋B段和橋C段的CRWBD都呈增加趨勢，其中橋B段的貢獻率增加最多，增加了12.2%。風屏障對阻力和力矩的貢獻率CRWBD、CRWBM基本都超過了50%，風屏障承擔了橋梁一半多的阻力和力矩，增加了橋梁的不安全性。

(4)風屏障開孔形式為三角形時，負壓的絕對值最大，出現在列車迎風面與車頂面的交界處。對比列車迎風面的壓強可見，安有格柵形風屏障的列車迎風面壓強更加均勻些。孔洞形式的風屏障，隨著小孔邊數越多，壓強分布越均勻。