張潔，劉堂紅，牛紀(jì)強

(中南大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，軌道交通安全教育部重點實驗室，湖南 長沙，410075)

新疆鐵路自開通以來，一直是我國鐵路事故的高發(fā)區(qū)之一，據(jù)現(xiàn)有不完全資料統(tǒng)計顯示，自1960 年至今，新疆鐵路運輸因風(fēng)沙造成的列車行車安全事故總計38 起。其中因線路積沙造成列車脫軌8 起(脫軌車輛10 輛，傾覆車輛3 輛)[1-4]。尤其在2006-04-09，蘭新(甘肅蘭州—新疆烏魯木齊)鐵路50 km 風(fēng)區(qū)、15 km風(fēng)口出現(xiàn)了約30年一遇大風(fēng)，最大瞬時風(fēng)速達(dá)54.6 m/s(16 級大風(fēng))，使得鐵路沿線近20 km 內(nèi)總延長5.5 km 線路多處被積沙掩埋，嚴(yán)重地段達(dá)1.2 m 深；大風(fēng)卷起的砂石將機車、客車多塊車窗玻璃打碎，列車整體性能嚴(yán)重受損，8 趟旅客列車長時間滯留風(fēng)區(qū)，造成列車停運超過20 h，給鐵路運輸帶來巨大經(jīng)濟損失和惡劣社會影響[1,4]。目前，經(jīng)過長期固沙、阻沙、固阻結(jié)合等防沙措施基本保證了蘭新鐵路運營安全[4-7]，但當(dāng)風(fēng)速超過41.5 m/s(14 級)時，地表仍將發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象形成強大的風(fēng)沙流[3]。列車在路塹中尤其是在低矮路塹中運行時，這股強大的風(fēng)沙流將嚴(yán)重影響列車整體安全性能[8-9]。為了減少路塹線路積沙及砂石對車窗的破壞，烏魯木齊鐵路局通過現(xiàn)場調(diào)研，陸續(xù)修建了一些擋沙墻，對減少和防止列車車窗玻璃受損、線路積沙埋道起到了較好作用，但在一些沒有修建擋沙墻且地表沙石沒有經(jīng)過固化處理地段路塹上，存在大風(fēng)作用下沙石擊打車窗玻璃的安全隱患[10-11]。為此，本文作者對此進(jìn)行研究，以便更好地布置擋沙墻的位置，進(jìn)一步提高低矮路塹防風(fēng)能力，保障列車安全運行。

1 數(shù)值計算模型

本文以運行在蘭新鐵路上的單層客車作為研究對象。根據(jù)文獻(xiàn)[12]，當(dāng)氣流流過車頭一定距離后流場結(jié)構(gòu)已趨于穩(wěn)定，因此，縮短列車模型并不會改變列車周圍流場物理特性，故文中計算模型選取4 車編組，即機車+3 輛客車[13]；同時簡化車體表面結(jié)構(gòu)，僅保留列車整體外形和轉(zhuǎn)向架，車輛之間以風(fēng)擋連接[14]。

蘭新鐵路沿線實測最大風(fēng)速為60 m/s[5]，馬赫數(shù)小于0.3，因此，可認(rèn)為空氣密度保持不變，按不可壓縮流動問題進(jìn)行處理。根據(jù)文獻(xiàn)[2]，蘭新鐵路現(xiàn)有防風(fēng)設(shè)施地段單層客車車速120 km/h 的臨界傾覆風(fēng)速為36 m/s[2]，按照蒲福風(fēng)力等級屬于12 級風(fēng)(32.7～36.9 m/s)，選取12 級風(fēng)中最大風(fēng)速v=36.9 m/s 作為計算環(huán)境風(fēng)速，風(fēng)向角為90°；單層客車寬度l=3.105 m，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，溫度為20 ℃時空氣的運動黏度為1.5×10-5m2/s，雷諾數(shù)Re=7.64×106，遠(yuǎn)大于臨界雷諾數(shù)，列車處在湍流流場中。因此，可采用k-ε雙方程湍流模型[15]描述擋風(fēng)墻后列車周圍流場。圖1(a)和(b)所示分別為蘭新鐵路低矮路塹無、有擋沙墻時的防風(fēng)效果示意圖。

圖1 低矮路塹防風(fēng)效果示意圖Fig.1 Schematic view of windbreak effect of low cutting

從圖1(a)可看到：失穩(wěn)的迎風(fēng)側(cè)地表在遠(yuǎn)方來流帶動下形成一股強大的風(fēng)沙流，當(dāng)遇到路塹迎風(fēng)側(cè)時，橫截面積擴大，風(fēng)沙流發(fā)生下沉，但由于氣流本身具有一定速度，故只略微下沉，因此，直接作用在車體上，導(dǎo)致路塹線路積沙及砂石對車窗造成破壞；隨后，由于車體的阻擋，氣流發(fā)生分離現(xiàn)象，部分氣流向上攀爬，繞過車體；部分氣流向下擠壓，從車底部流過；同時，由于氣流的運動，導(dǎo)致路塹迎風(fēng)側(cè)底部與道床之間、車體后形成了抽空區(qū)域，產(chǎn)生漩渦，最終在風(fēng)沙流的綜合作用下，整個車體受到較大的橫向力作用。而在圖1(b)中，安裝了距離路塹迎風(fēng)側(cè)上緣合適位置擋沙墻后，風(fēng)沙流受到擋沙墻阻擋，底層沙流停滯在擋沙墻前，上層氣流被迫向上流動，使得氣流與水平面之間形成1 個夾角(定義為氣流揚起角)，從而不再直接作用于車體上，并且在擋沙墻后路塹內(nèi)形成1 個大漩渦，在車體前后分別形成1 個小漩渦，因此，車體整體受力較好，擋沙墻起到了良好的防風(fēng)沙效果；另一小部分氣流則向下流向地面，在擋沙墻迎風(fēng)面與地面之間形成了1 個很小的駐渦區(qū)。

圖2 擋沙墻設(shè)置橫截面圖Fig.2 Cross-section of sand control wall installment

根據(jù)以上分析，可知安裝擋沙墻后，在實現(xiàn)防沙效果的同時，提高了列車的整體氣動性能?？梢?，對擋沙墻合理位置進(jìn)行研究很有必要。擋沙墻設(shè)置橫截面如圖2 所示。方案中擋沙墻高為1.00 m，寬為0.15 m，路塹坡比為1.0:1.5。圖2 中，L 為擋沙墻背風(fēng)側(cè)與路塹迎風(fēng)側(cè)上邊緣之間的距離，由于距離路塹上邊緣近時易造成路塹表層結(jié)構(gòu)破壞，故本文中L 分別取2，3，4，5，10，15 和20 m 進(jìn)行分析。

2 計算區(qū)域及邊界條件

本次計算區(qū)域如圖3 所示。選取單層客車高度h作為特征長度，綜合考慮車尾擾流以及橫向流場的充分發(fā)展，沿列車方向速度入口距離車頭為36.1h，橫風(fēng)入口距離線路中心為36.1h，高度方向為22.6h。整個計算流場采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行離散，對車體表面、路塹、擋沙墻及其附近網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，以提高數(shù)值計算的精確度和可靠性，總網(wǎng)格數(shù)約310 萬，車體物面網(wǎng)格見圖4。車體表面定義無滑移壁面邊界條件，在來流入口分別給定列車運行速度120 km/h 和橫風(fēng)速度36.9 m/s；出口均設(shè)為壓力出口邊界；底面(道床、地面、路塹、擋沙墻等)定義為與車速相反的滑移邊界；域的頂部設(shè)置為對稱邊界。

圖3 計算區(qū)域Fig.3 Calculation zone

圖4 車體物面網(wǎng)格Fig.4 Mesh of train surface

3 數(shù)值模擬計算結(jié)果與分析

3.1 數(shù)值計算與實車試驗結(jié)果對比

2009-03—2009-06，烏魯木齊鐵路局組織中南大學(xué)、中國鐵道科學(xué)研究院等單位在蘭新線“百里風(fēng)區(qū)”進(jìn)行了大風(fēng)環(huán)境下列車空氣動力學(xué)綜合試驗[2]。為驗證本文所采用計算方法的正確性，模擬現(xiàn)場試驗的風(fēng)速(26.8 m/s)、擋風(fēng)墻類型(平地土堤式擋風(fēng)墻)、車型(25 型客車)以及編組方式，將其中1 節(jié)客車的數(shù)值計算結(jié)果和試驗結(jié)果進(jìn)行對比，如表1 所示。實車試驗客車上測點布置見圖5，根據(jù)各測點所測得的壓力進(jìn)行分塊積分求得試驗車輛氣動力和力矩。從表1 可以看出：除了升力Fl兩者相差較大外(10%)，橫向力Fs和傾覆力矩M 相對誤差均在6%之內(nèi)。兩者吻合較好，說明本文采用三維湍流模型是合理的。

方法 橫Fs向/kN力傾覆力矩M/(kN·m)實車試驗18.7631.6067.22數(shù)值模擬17.6528.4463.89相對誤差/%5.9210.004.95升力Fl/kN

圖5 實車試驗客車測點布置示意圖Fig.5 Schematic view of measure points on passenger car in full-scale test

3.2 氣動力計算結(jié)果分析

無擋沙墻時，低矮路塹中列車運行所受到的阻力Fr、橫向力Fs、升力Fl和傾覆力矩M 見表2。圖6 和圖7 所示分別為車速120 km/h 時，不同位置擋沙墻下車輛、整車在低矮路塹運行所受到的氣動力。

車輛Fr/kNFs/kN迎風(fēng)線Fl/kNM/(kN·m)Fr/kNFs/kN背風(fēng)線Fl/kNM/(kN·m)機車8.7085.3480.87255.768.8080.8781.45239.07單客17.4856.51100.97188.568.2555.8196.97181.54單客28.2557.5393.86185.018.3355.0386.49171.21單客310.8753.7085.45169.6310.7950.2981.87156.31整車35.30253.08361.15798.9636.17242.00346.78748.13

圖6 氣動力隨擋沙墻距離變化擬合曲線Fig.6 Fitted curves of aerodynamic forces with position

通過分析可知：低矮路塹無擋沙墻時，列車均受到正的橫向力、升力和傾覆力矩作用，單客3 受到阻力最大，其次是機車，單客1 與單客2 相對較?。粚τ跈M向力，機車迎風(fēng)面積最大，所受到的力也最大，3 節(jié)客車的橫向力相差較?。欢ο鄬?fù)雜，單客1的升力最大，其次是單客2，機車所受到升力最??；對于傾覆力矩，機車受到的力矩最大，其次是單客1、單客2 和單客3；當(dāng)在路塹迎風(fēng)側(cè)設(shè)置擋沙墻后，列車氣動力明顯減小，表明本文研究具有重要意義；隨著距離越來越近，氣動力越來越小，當(dāng)L=5 m 時，迎風(fēng)線整車阻力Fr、橫向力Fs、升力Fl和傾覆力矩M分別減少了25.0%，88.9%，75.4%和83.6%，背風(fēng)線整車阻力Fr、橫向力Fs、升力Fl和傾覆力矩M 分別減小44.2%，82.2%，74.4%和76.5%；隨著距離繼續(xù)減小，阻力呈現(xiàn)小幅度上升，橫向力、升力、傾覆力矩等則繼續(xù)減小。

3.3 壓力分布

當(dāng)客車車速為120 km/h 時，在不同位置擋沙墻下，迎風(fēng)線列車以及中間客車的壓力分布見圖8。圖9所示為中間客車車體橫截面流線圖。

圖7 整車氣動力隨擋沙墻距離變化擬合曲線Fig.7 Fitted curves of whole train aerodynamic forces with position

圖8 壓力分布Fig.8 Pressure distributions around train

圖9 流線圖Fig.9 Streamlines around train

從圖8 可以得到：在低矮路塹下無擋沙墻時，在車體迎風(fēng)面受到風(fēng)沙流的直接作用，產(chǎn)生了大面積正壓，頂部由于氣流加速效應(yīng)，形成了一個強負(fù)壓區(qū)；而設(shè)置一定距離的擋沙墻后，車體迎風(fēng)面正壓區(qū)域大幅度減小，且隨著距離越來越近，正壓區(qū)域逐漸變?yōu)樾∝?fù)壓區(qū)域，頂部負(fù)壓較小，整個列車基本處于1 個小負(fù)壓環(huán)境中。列車所受到的橫向力(升力)主要取決于其迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)的壓差(車體底部與頂部的壓差)。因此，無擋沙墻下的列車受到的橫向力、升力遠(yuǎn)比安裝擋沙墻后的大；而機車相對客車來說，整體高度較高，迎風(fēng)面積大，故其橫向力、傾覆力矩最大；客車1 頂部氣流由于受到機車高度的影響，導(dǎo)致負(fù)壓加大，故其升力最大；單客3 即最后1 節(jié)客車由于受到尾部流場復(fù)雜漩渦的影響，其阻力在無擋沙墻時最大。

由圖9 可知：在低矮路塹無擋沙墻下，風(fēng)沙流直接吹向車體，作用于車體后，從車體底部、頂部流過，并且在路塹迎風(fēng)側(cè)下邊緣、車體后分別產(chǎn)生了1 個較小的漩渦；而設(shè)置了合適位置的擋沙墻后，風(fēng)沙流被其阻擋，被迫向上運動，基本沒有氣流作用在車體上；同時，由于氣流被抽空，在車體前后分別形成1 個大漩渦，而在擋沙墻與路塹之間則產(chǎn)生了1 個巨大的漩渦，使得整個車體的處在受力較小的外界環(huán)境中。

4 結(jié)論

1) 在低矮路塹下，列車受到正的阻力、橫向力、升力和傾覆力矩作用，尾車受到的阻力最大，機車受到的橫向力和傾覆力矩最大，而第1 節(jié)客車升力最大。

2) 擋沙墻距離位置對列車的氣動性能影響較大；在不同距離擋沙墻下，L=5 m 為1 個關(guān)鍵點，整車阻力Fr、橫向力Fs、升力Fl和傾覆力矩M 最大分別減少44.2%，88.9%，75.4%和83.6%；隨著距離越來越小，阻力先減小后略微增加，橫向力、升力、傾覆力矩則一直減小。

3) 擋沙墻的設(shè)置直接影響列車周圍壓力情況。在低矮路塹下，車體迎風(fēng)側(cè)和頂部分別為較強的正壓、負(fù)壓區(qū)，而設(shè)置擋沙墻后，隨著距離越來越近，正壓區(qū)域逐漸變?yōu)樾∝?fù)壓區(qū)域，頂部負(fù)壓較小，整個車體基本處于一個小負(fù)壓環(huán)境中，車體整體受力情況改善明顯。

[1] 李熒. 新疆風(fēng)區(qū)列車氣動性能實驗分析[J]. 中國鐵路,2011(12):1-3.LI Ying. Experimental analysis of train aerodynamic performance in the wind field of Xinjiang[J]. Chinese Railways,2011(12):1-3.

[2] 中南大學(xué)交通運輸工程學(xué)院. 新疆鐵路大風(fēng)環(huán)境下列車及防風(fēng)設(shè)施空氣動力學(xué)綜合試驗報告[R]. 長沙: 中南大學(xué)交通運輸工程學(xué)院,2011:47.School of Traffic & Transportation Engineering, Central South University. Train and windbreak facilities aerodynamic performances synthetical test on Xinjiang railway under strong wind[R]. Changsha: Central South University. School of Traffic&Transportation Engineering,2011:47.

[3] 張潔, 梁習(xí)鋒, 劉堂紅, 等. 強側(cè)風(fēng)作用下客車車體氣動外形優(yōu)化[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2011,42(11):3578-3584.ZHANG Jie, LIANG Xifeng, LIU Tanghong, et al. Optimization research on aerodynamic shape of passenger car body with strong crosswind[J]. Journal of Central South University(Science and Technology),2011,42(11):3578-3584.

[4] 葛盛昌, 周林森. 蘭新鐵路沙害成因及防治對策[J]. 鐵路運輸與經(jīng)濟,2007,29(1):33-34.GE Shengchang, ZHOU Linsen. Causes and prevention countermeasures of sand damage along Xinjiang railway[J].Railway Transport and Economy,2007,29(1):33-34.

[5] 葛盛昌, 蔣富強. 蘭新鐵路強風(fēng)地區(qū)風(fēng)沙成因及擋風(fēng)墻防風(fēng)效果分析[J]. 鐵道工程學(xué)報,2009(5):1-4.GE Shengchang, JIANG Fuqiang. Analyses of the causes for wind disaster in strong wind area along Lanzhou—Xinjiang railway and the effect of windbreak[J]. Journal of Railway Engineering Society,2009(5):1-4.

[6] 鄭曉靜, 馬高生, 黃寧. 鐵路擋風(fēng)墻擋風(fēng)效果和積沙情況分析[J]. 中國沙漠,2011,31(1):21-27.ZHENG Xiaojing, MA Gaosheng, HUANG Ning. Shelter effect of wind-break wall and its impact on sand deposition[J]. Journal of Desert Research,2011,31(1):21-27.

[7] 程建軍, 蔣富強, 楊印海, 等. 戈壁鐵路沿線風(fēng)沙災(zāi)害特征與擋風(fēng)沙措施及功效研究[J]. 中國鐵道科學(xué),2010,31(5):15-20.CHENG Jianjun, JIANG Fuqiang,YANG Yinhai, et al.Study on the hazard characteristics of the drifting sand along the railway in Gobi area and the efficacy of the control engineering measure[J].China Railway Science,2010,31(5):15-20.

[8] LIU Tanghong, ZHANG Jie. Effect of landform on aerodynamic performance of high-speed trains in cutting under cross wind[J].Journal of Central South University,2013,20(3):830-836.

[9] 周丹, 田紅旗, 楊明智, 等. 強側(cè)風(fēng)下客車在不同路況運行的氣動性能比較[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2008, 39(3):554-559.ZHOU Dan, TIAN Hongqi, YANG Mingzhi, et al. Comparison of aerodynamic performance of passenger train traveling on different railway conditions under strong cross-wind[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2008,39(3):554-559.

[10] 牛權(quán), 史永革, 張小勇. 新疆鐵路百里風(fēng)區(qū)既有防風(fēng)沙工程薄弱點分析[J]. 鐵道技術(shù)監(jiān)督,2011,39(8):43-45.NIU Quan, SHI Yongge, ZHANG Xiaoyong. Analysis of wind disaster and weak points of existing windbreak engineering in the 100 km wind area along Xinjiang railway[J]. Railway Quality Control,2011,39(8):43-45.

[11] WANG Bingshan. Analysis and optimization of aerodynamic performance of train at transitional zone between cut and wind-break walls[C]// 2010 International Conference on Optoelectronics and Image Processing. Haiko, China: IEEE,2010:234-238.

[12] Cooper R K.The effect of cross-wind on trains[C]// Proceedings of Aerodynamics of Transportation, ASME-CSME Conference.New York,USA,1979:127-151.

[13] 張潔, 劉堂紅. 蘭新鐵路土堤式擋風(fēng)墻階梯式設(shè)計[J].中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2014,45(4):1334-1340.ZHANG Jie, LIU Tanghong. Multistep design of earth type wind-break wall along Lanzhou—Xinjiang railway[J].Journal of Central South University(Science and Technology),2014,45(4):1334-1340.

[14] Hemida H, Krajnovic S. LES study of the influence of the nose shape and yaw angles on flow structures around trains[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2010, 98(1):34-46.

[15] 田紅旗. 列車空氣動力學(xué)[M]. 北京: 中國鐵道出版社,2007:26-32.TIAN Hongqi. Train aerodynamics[M]. Beijing: China Railway Press,2007:26-32.