賴慧蕊，何旭輝，冉瑞飛，杜風(fēng)宇

(1.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410075; 2.高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙410075)

橫風(fēng)作用下，行駛在橋梁上的列車和橋梁之間存在明顯的氣流相互干擾，增加列車事故發(fā)生的可能性。我國(guó)蘭新鐵路自1959年通車以來至2002年，已發(fā)生30多次風(fēng)致事故，大風(fēng)吹翻列車110多輛［1］。在我國(guó)迅速發(fā)展的高速鐵路中，橋梁占很大比例，其中尤以簡(jiǎn)支梁居多。強(qiáng)風(fēng)、高速列車和橋梁這3種不利因素的組合，使得風(fēng)－車－橋系統(tǒng)安全性大幅降低，成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)之一［2－12］。目前，對(duì)車－橋氣動(dòng)性能的研究主要有2種方法:風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬。相較于風(fēng)洞試驗(yàn)，數(shù)值模擬耗資較少，能有效節(jié)約成本，縮短研究周期，而且在流場(chǎng)顯示和氣動(dòng)機(jī)理分析等方面得到的結(jié)果更為直觀。另外，數(shù)值模擬計(jì)算可以避免試驗(yàn)中一些無關(guān)因素的影響，如消除風(fēng)洞壁和模型支架等試驗(yàn)約束條件的干擾。已有多數(shù)數(shù)值模擬研究中對(duì)車橋系統(tǒng)大多只單獨(dú)針對(duì)車輛或橋梁，且以二維數(shù)值模擬居多，在三維數(shù)值模擬中對(duì)車橋系統(tǒng)進(jìn)行研究的成果較少。本文基于大型計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent，采用三維、定常和不可壓縮Navier－Stokes方程，選用適應(yīng)性良好的Realizable k－ε湍流模型，模擬風(fēng)洞試驗(yàn)中橫風(fēng)(均勻風(fēng)0°攻角，90°風(fēng)偏角)作用下高速列車與32 m簡(jiǎn)支梁橋系統(tǒng)空氣空氣動(dòng)力學(xué)行為，以研究高速列車與橋梁之間的相互氣動(dòng)影響。

1 數(shù)值模擬

1.1 幾何模型

列車計(jì)算模型采用高速列車CRH2頭車+中車+尾車的3節(jié)編組及頭車+中車2節(jié)編組形式。忽略列車表面突出物，列車車底部分及轉(zhuǎn)向架用裙板代替近似模擬，取車底距軌道面0.2 m。橋梁模型選用京滬高速鐵路32m簡(jiǎn)支梁，梁寬12.24m，梁高3.628 m，墩高10 m。對(duì)橋梁上的軌道板、軌道以及通訊、信號(hào)、電力電纜槽進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，略去軌道的影響，將軌道板、砂漿墊層和混凝土支承層合并進(jìn)行模擬。幾何模型縮尺比為1∶25(如圖1所示)。

圖1 三節(jié)編組車－橋系統(tǒng)模型Fig.1 Threemarshalling vehicle－bridge system model

1.2 計(jì)算區(qū)域、網(wǎng)格劃分及邊界條件

考慮到與數(shù)值模擬對(duì)應(yīng)的風(fēng)洞試驗(yàn)將陸續(xù)在中南大學(xué)“高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室”的高速鐵路風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)中的低速試驗(yàn)段中展開。確定計(jì)算域時(shí)以風(fēng)洞尺寸長(zhǎng)×寬×高=18 m×12 m× 3.5 m為參考，結(jié)合文獻(xiàn)［13］并經(jīng)多次試算調(diào)整最終選用計(jì)算域長(zhǎng)×寬×高為10.4 m×12 m×3.5 m (圖2左所示)，滿足阻塞率要求。車橋沿寬度方向放置，風(fēng)向沿長(zhǎng)度方向。為描述方便，在第2節(jié)計(jì)算部分中涉及幾何尺寸時(shí)均按實(shí)物尺寸描述。

網(wǎng)格劃分采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格(如圖2所示)。計(jì)算域流動(dòng)入口使用速度邊界條件，指定來流平均速度，如無特別說明風(fēng)速為10 m/s;計(jì)算域流動(dòng)出口使用恒壓邊界條件，出口靜壓設(shè)為O Pa(參考?jí)毫?個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓);其余邊界均設(shè)為無滑移固體壁面邊界條件。如無特殊說明，湍流度采用一般風(fēng)洞試驗(yàn)均勻來流湍流度0.5%。

圖2 計(jì)算域(左)及車橋非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格(右)Fig.2 Computational domain(left)and unstructured meshing of train and bridge(right)

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 風(fēng)速對(duì)車橋氣動(dòng)性能的影響

除特殊說明外，數(shù)值模擬模型選用3跨簡(jiǎn)支梁，3節(jié)編組列車，以中跨跨中為縱向坐標(biāo)原點(diǎn)，列車位于主梁中間位置。橋墩縱橋向?qū)? m，各墩中心位置縱向坐標(biāo)分別為－48，－16，16和48 m?？紤]到實(shí)際風(fēng)洞中最大風(fēng)速為18 m/s，數(shù)值模擬中取稍大一點(diǎn)為25 m/s。全部風(fēng)速為5，10，15，18和25 m/s共5種?，F(xiàn)只以迎風(fēng)側(cè)列車頭車和橋梁中跨跨中截面(跨中4 m范圍內(nèi))為例給出計(jì)算結(jié)果(如圖3和表1所示)，其它部位結(jié)論一致。

從數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果來看，在風(fēng)速為5～25 m/s的范圍內(nèi)，隨著風(fēng)速的加大，車橋氣動(dòng)力系數(shù)變化均不大，表明雷諾數(shù)對(duì)本文所研究的車橋系統(tǒng)氣動(dòng)力系數(shù)影響有限。究其原因，是因?yàn)闃蛄航孛嬲w比較鈍，橫風(fēng)作用下繞流分離點(diǎn)較為固定，對(duì)其本身的研究可忽略雷諾數(shù)對(duì)其影響，引入列車情況下，形成更大鈍體結(jié)構(gòu);具有弧形截面的列車其繞流點(diǎn)雖與雷諾數(shù)有極大關(guān)聯(lián)，但此時(shí)列車位于橋梁上表面的分離流之中，分離流中的脈動(dòng)成分弱化了弧形表面附面層的粘性作用，使得列車氣動(dòng)力系數(shù)對(duì)雷諾數(shù)也不敏感［14－15］。

圖3 不同風(fēng)速對(duì)列車(上)及橋梁(下)氣動(dòng)性能影響Fig.3 Aerodynamic performances of trains(top)and bridge(bottom)under differentwind speeds

表1 不同風(fēng)速對(duì)列車和橋梁氣動(dòng)性能影響偏差(%)Table 1 Aerodynamic performances differences of trains(left) and bridge(right)under differentwind speeds

表2為風(fēng)速為10 m/s時(shí)列車氣動(dòng)力系數(shù)計(jì)算值與風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)試驗(yàn)值比較。升力系數(shù)偏差百分比(偏差百分比=(計(jì)算值－試驗(yàn)值)/試驗(yàn)值)為－2.7%，而側(cè)力系數(shù)偏差百分比為－13.4%，相比較而言，三維計(jì)算升力系數(shù)與試驗(yàn)結(jié)果吻合相對(duì)較好，側(cè)力系數(shù)的差別略大，其主要原因是由于相較于升力，黏性力在側(cè)力中所占比例更大［16］，而風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)不能測(cè)得這一部分黏性力?？傮w而言，數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，經(jīng)驗(yàn)證可用來探究車橋系統(tǒng)相互氣動(dòng)影響。

表2 風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值模擬列車氣動(dòng)力系數(shù)對(duì)比Table 2 Comparison between aerodynamic force coefficients from wind tunnel test and CFD simulation

2.2 列車對(duì)橋梁氣動(dòng)性能的影響

為分析列車對(duì)橋梁氣動(dòng)性能的影響，給出橋梁各斷面氣動(dòng)力系數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果如圖4～圖6所示。主梁兩端由于端部效應(yīng)的影響不予考慮。以下列車對(duì)橋梁三分力系數(shù)的影響進(jìn)行分析。

圖4 橋梁各截面阻力系數(shù)Fig.4 Drag coefficients of bridge sections

圖5 橋梁各截面升力系數(shù)Fig.5 Lift coefficients of bridge sections

圖6 橋梁各截面力矩系數(shù)Fig.6 Moment coefficients of bridge sections

(1)阻力系數(shù):橋梁為裸橋時(shí)，表面的壓強(qiáng)分布及周圍風(fēng)速矢量如圖7所示(壓力單位Pa，速度單位m/s，下同)。氣流流向橋梁時(shí)，首先接觸到迎風(fēng)面鈍形翼緣板，氣流被強(qiáng)制分流，往下的氣流受到腹板的阻擋，速度驟降，動(dòng)壓下降，靜壓升高。當(dāng)氣流繞過橋梁上下表面后，在背風(fēng)側(cè)形成一大一小兩個(gè)漩渦區(qū)，漩渦脫落，背風(fēng)側(cè)腹板及翼緣板出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)，從而使得阻力系數(shù)為正。橋梁上有列車時(shí)，橋梁表面的壓強(qiáng)分布及周圍速度矢量如圖8和圖9所示。由于列車的存在阻礙了橋梁上表面氣流運(yùn)動(dòng)，橋梁迎風(fēng)面大部分區(qū)域承受著正壓，且正壓力區(qū)域相較于裸橋工況時(shí)有所擴(kuò)展，峰值有所增大，且背風(fēng)側(cè)腹板處負(fù)壓更大，致橋梁各個(gè)截面的阻力系數(shù)增大15%～20%，橋墩處尤為明顯，迎風(fēng)側(cè)與背風(fēng)側(cè)影響特點(diǎn)一致。

(2)升力系數(shù):梁頂板與迎風(fēng)面腹板交界處，流場(chǎng)在梁段表面附面層出現(xiàn)分離現(xiàn)象，且在橋梁上表面槽道之間形成小的漩渦，上表面出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)，此時(shí)橋梁底板出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)，但總體來講，上下表面壓力差指向上，所以此時(shí)升力為正。由于列車的存在，使得橋梁上下表面的壓力分布發(fā)生巨大的變化，位于列車迎風(fēng)側(cè)的橋面上方形成部分正壓，直接使得升力系數(shù)由正值變?yōu)樨?fù)值。特別是當(dāng)列車位于背風(fēng)側(cè)時(shí)，橋梁上表面大部分靜壓由負(fù)轉(zhuǎn)為正，使得升力系數(shù)向下的趨勢(shì)更大。列車的各節(jié)車廂對(duì)橋梁影響的范圍與阻力系數(shù)分析大致一樣，但是效果卻相反。

圖7 裸橋跨中截面周圍靜壓圖及速度矢量圖Fig.7 Static pressure diagram and velocity vector diagram ofmiddle section of bare bridge

圖8 迎風(fēng)側(cè)跨中截面周圍靜壓圖及速度矢量圖Fig.8 Static pressure diagram and velocity vector diagram ofmiddle section in the windward side

圖9 背風(fēng)側(cè)跨中截面周圍靜壓圖及速度矢量圖Fig.9 Static pressure diagram and velocity vector diagram ofmiddle section in the leeward side

(3)力矩系數(shù):力矩系數(shù)受阻力、升力及矩心影響，各工況中矩心一定，力矩系數(shù)由阻力和升力共同決定。以中跨跨中(即橫坐標(biāo)為0)截面為例說明:裸橋的力矩系數(shù)最大為2.64，列車位于迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)時(shí)，其值分別為0.41和0.87。其他截面與跨中截面類似，表明列車位于橋梁上時(shí)，橋梁的力矩系數(shù)大幅降低，當(dāng)列車位于迎風(fēng)側(cè)時(shí)尤為明顯，是因?yàn)樵摴r下升力作用位置更偏向迎風(fēng)側(cè)。由前述分析可知:相較而言，列車對(duì)橋梁阻力系數(shù)的影響較小，對(duì)升力系數(shù)影響較大，力矩系數(shù)變化規(guī)律與升力系數(shù)的變化規(guī)律相似，可見車下橋梁力矩系數(shù)的變化主要是升力系數(shù)的變化決定。

2.3 橋梁對(duì)列車氣動(dòng)性能的影響

表3對(duì)比了列車在平坦地面、橋上迎風(fēng)側(cè)和橋上背風(fēng)側(cè)等不同路況下的氣動(dòng)力系數(shù)。列車位于橋上時(shí)各節(jié)車氣動(dòng)力力系數(shù)均要比在平坦地面時(shí)大，且列車位于迎風(fēng)側(cè)時(shí)氣動(dòng)力系數(shù)大于在背風(fēng)側(cè)時(shí)。傾覆力矩系數(shù)是直接表征列車側(cè)向傾覆危險(xiǎn)性的1個(gè)系數(shù)，在側(cè)力和升力的共同影響下變化。對(duì)這3個(gè)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理提取出變化百分比:迎風(fēng)側(cè)頭車的側(cè)力系數(shù)、升力系數(shù)以及傾覆力矩系數(shù)相較在平地時(shí)分別增大26.2%、17.1%和22.8%;中車的側(cè)力系數(shù)、升力系數(shù)以及傾覆力矩系數(shù)相較在平地時(shí)分別增大13.6%，18.9%和23.6%;尾車的側(cè)力系數(shù)、升力系數(shù)以及傾覆力矩系數(shù)相較在平地時(shí)分別增大23.2%23%和21.8%;可見列車在橋梁迎風(fēng)側(cè)運(yùn)行時(shí)較其在地面上運(yùn)行安全性大大降低。

表3 不同工況列車氣動(dòng)力系數(shù)Table 3 Train aerodynamic coefficients under different conditions

2.4 列車不同縱向位置對(duì)橋梁氣動(dòng)性能影響研究

考慮到列車對(duì)橋墩的氣動(dòng)力影響有限，本節(jié)討論中只針對(duì)橋梁截面。兩節(jié)車廂模型(頭車+中車)移動(dòng)列車氣動(dòng)性能試驗(yàn)將在風(fēng)洞展開，本節(jié)數(shù)值模擬時(shí)列車計(jì)算模型也取頭車+中車模型，與試驗(yàn)列車一致(通過對(duì)兩車模型和三車模型數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比知:不考慮尾車氣動(dòng)效應(yīng)時(shí)，可以用兩車模型代替三車模型)。

為分析列車從靠近簡(jiǎn)支梁橋一端到完全覆蓋簡(jiǎn)支梁橋過程中對(duì)該簡(jiǎn)支橋梁氣動(dòng)性能影響，建立分析模型如圖10所示。列車的初始位置取為車頭位于d4號(hào)橋墩中心上，此時(shí)y=16m，沿著y的負(fù)方向每4 m一步向前移動(dòng)，當(dāng)列車車頭位于y=－48m時(shí)結(jié)束，共17步。通過對(duì)1#號(hào)梁、2#號(hào)梁和3#號(hào)簡(jiǎn)支梁橋氣動(dòng)性能分析實(shí)現(xiàn)對(duì)列車不同縱向位置時(shí)橋梁氣動(dòng)性能影響研究。包括迎風(fēng)側(cè)與背風(fēng)側(cè)工況在內(nèi)，總共涉及到34個(gè)工況的計(jì)算。

圖10 列車在橋梁上的始末位置圖Fig.10 A view of train’position on the bridge

橋梁三分力的計(jì)算結(jié)果如圖11所示(力單位:N，力矩單位:N·m)。其中橫坐標(biāo)表示車頭最前端(簡(jiǎn)稱為車尖)離簡(jiǎn)支梁跨中位置的距離(單位m)，列車車尖在梁跨中右側(cè)為正值，左側(cè)為負(fù)值。為與風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵恢?，?shù)值模擬橋梁模型只有5跨。為盡可能擴(kuò)大列車縱向位置范圍，在這我們利用相對(duì)位置概念，研究列車從靠近簡(jiǎn)支梁橋一端至離開簡(jiǎn)支梁橋過程中(橫坐標(biāo)變化范圍為48～－28 m，橫坐標(biāo)為－28 m時(shí)頭車車尖離開梁端12 m，整橋被列車覆蓋)橋梁氣動(dòng)力變化情況。對(duì)于靜態(tài)模擬，列車離開橋梁情況可以直接由靠近情況對(duì)稱得到，本文中不再贅述。

由圖可以看出:不管列車位于橋梁迎風(fēng)側(cè)還是背風(fēng)側(cè)，橋梁氣動(dòng)力隨列車縱向位置的變化而變化，且變化規(guī)律基本一致，列車的存在對(duì)橋梁氣動(dòng)力影響范圍基本在車尖靠近及遠(yuǎn)離梁橋跨中20 m范圍內(nèi)。以迎風(fēng)側(cè)為例分析列車不同縱向位置對(duì)橋梁氣動(dòng)性能影響。

(1)阻力:由圖可知，車頭在28～－20 m區(qū)段內(nèi)，隨著列車的靠近，橋梁阻力先增大后減小，總體變化幅值較小。這表明列車在靠近橋梁過程中頭車車尖距橋梁端部10 m左右后才對(duì)橋梁氣動(dòng)阻力略有影響。

(2)升力:28～－20 m區(qū)段內(nèi)，隨著列車的靠近，橋梁的氣動(dòng)升力從開始的正值減小至0后反向增加。48～－28 m及－20～－28 m區(qū)段內(nèi)，橋梁氣動(dòng)升力無明顯變化。這表明列車在靠近橋梁過程中頭車車尖距橋梁端部10 m左右后對(duì)橋梁氣動(dòng)升力有明顯影響;由于列車的尺度大于橋梁尺度，當(dāng)整橋被列車覆蓋后，列車位置改變對(duì)橋梁氣動(dòng)升力影響不大。

(3)力矩:車頭在48～0 m及－20～－28 m區(qū)段內(nèi)，力矩變化很小，在0～－20 m區(qū)段力矩才有較明顯變化。說明力矩受影響范圍要小于阻力和升力，只有當(dāng)列車車尖到達(dá)橋梁跨中后才有較明顯影響。整體而言，力矩變化趨勢(shì)與升力變化趨勢(shì)較一致。究其原因是因?yàn)榱氐淖兓茏枇蜕餐绊?，而阻力和升力反向變化，在列車離橋梁較遠(yuǎn)時(shí)，阻力和升力的變化都較小使得力矩變化不明顯;在阻力和升力變化較明顯范圍內(nèi)，由于升力變化幅值更大，占據(jù)主導(dǎo)地位，力矩變化為升力控制［17］。

圖11 列車在橋上不同縱向位置時(shí)橋梁節(jié)段氣動(dòng)力Fig.11 Aerodynamic forces of the bridge section when train in different vertical location on the bridge

3 結(jié)論

(1)在風(fēng)速為5～25 m/s的范圍內(nèi)，隨著風(fēng)速的加大，車橋氣動(dòng)力系數(shù)變化均不大，說明雷諾數(shù)對(duì)本文所研究的車橋系統(tǒng)氣動(dòng)力系數(shù)影響有限。

(2)車橋系統(tǒng)中由于列車的存在極大的改變了橋梁周圍流場(chǎng)，使橋梁阻力系數(shù)正向增大，升力系數(shù)由正直變?yōu)樨?fù)值，力矩系數(shù)變小;

(3)列車迎風(fēng)面為正壓，背風(fēng)面為負(fù)壓，指向相同，致使列車受到較大的側(cè)向力，為導(dǎo)致車輛傾覆的重要因素。橋上列車比平坦地面上列車的氣動(dòng)安全性差，且列車在橋梁迎風(fēng)側(cè)比在背風(fēng)側(cè)時(shí)更危險(xiǎn)。

(4)隨著列車在橋上縱向位置的不斷變化，在列車影響范圍內(nèi)橋梁三分力系數(shù)不斷發(fā)生變化。在列車靠近橋梁過程中，對(duì)于阻力與升力，列車影響范圍為頭車車尖距橋梁端部10 m左右后，對(duì)力矩只有當(dāng)列車車尖到達(dá)橋梁跨中后才有較明顯影響。

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