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橋梁擋風(fēng)屏基本單元多孔介質(zhì)模型數(shù)值建模

張成玉1，2，陳曉麗1，2，許建林1，2，梅元貴1，2

(1.蘭州交通大學(xué) 機電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；

2.甘肅省軌道交通力學(xué)應(yīng)用工程實驗室，甘肅 蘭州 730070)

摘要:基于橋梁擋風(fēng)屏的基本開孔單元，采用基于有限體積方法的軟件數(shù)值求解其周圍的三維常物性定常不可壓縮湍流流動，統(tǒng)計風(fēng)速變化情況下?lián)躏L(fēng)屏前后緩變流動截面上的壓差，得到壓差-風(fēng)速特性曲線和多孔介質(zhì)模型的黏性阻尼系數(shù)、慣性阻尼系數(shù)，研究結(jié)果表明: 開孔率20%和10%擋風(fēng)屏的黏性阻尼系數(shù)與慣性阻尼系數(shù),隨著風(fēng)速的增大,也隨之增加,2種開孔路擋風(fēng)屏的黏性阻尼系數(shù)與慣性阻尼系數(shù)范圍在9.46~16.58,5.20~9.10;38.94~55.65,67.34~96.2，可為以后相關(guān)研究提供基礎(chǔ)參考數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：擋風(fēng)屏；多孔介質(zhì)模型；數(shù)值模擬；黏性阻尼系數(shù)；慣性阻尼系數(shù)

由于采取了降低軸重等輕量化措施，高速列車易受到自然風(fēng)的影響，使側(cè)風(fēng)引起的列車穩(wěn)定性問題近年來成為研究較多的重點課題之一[1]。為減緩風(fēng)害，大風(fēng)區(qū)線路建設(shè)工程中一般采取優(yōu)化線路選線方案、加裝擋風(fēng)設(shè)施、建立大風(fēng)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)、列車運行限速等綜合防控措施[2-3]，其中擋風(fēng)設(shè)施主要有不透風(fēng)的擋風(fēng)墻和可透風(fēng)的擋風(fēng)屏。路塹和路堤上多采用擋風(fēng)墻，橋梁上多采用擋風(fēng)屏以減小結(jié)構(gòu)風(fēng)載荷[4-6]。這些措施為確保高速列車安全通過大風(fēng)區(qū)線路起到了較好的作用。國內(nèi)外針對各種防風(fēng)設(shè)施對高速列車的遮蔽效果開展了較多的研究。Fujii 等[7-8]闡述了日本和歐洲的防風(fēng)柵措施；高廣軍[9]對路堤及橋梁上的擋風(fēng)裝置進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，指出橋梁上采用條縫式透風(fēng)擋風(fēng)結(jié)構(gòu)要優(yōu)于不透風(fēng)式擋風(fēng)結(jié)構(gòu)；郗艷紅[10]基于實際開孔模型，數(shù)值對比研究了圓形大孔徑的單層和雙層空腔式擋風(fēng)結(jié)構(gòu)，指出后者的擋風(fēng)效果較優(yōu)的結(jié)論，但這種結(jié)構(gòu)目前并未推廣使用，研究中劃分的網(wǎng)格數(shù)達(dá)到了6 000萬。向活躍[11]采用風(fēng)洞模型試驗和數(shù)值模擬方法，評估了不同開孔率的圓形孔風(fēng)屏障防風(fēng)效果，并指出數(shù)值研究中采用擋風(fēng)屏的多孔介質(zhì)模型對結(jié)果影響不大，且能有效減少網(wǎng)格數(shù)，降低計算規(guī)模。目前，我國大風(fēng)多發(fā)區(qū)沿線采用的透風(fēng)式擋風(fēng)屏主要有南疆線的弧形鋼板透風(fēng)式擋風(fēng)裝置和蘭新線的平板砌塊透風(fēng)式擋風(fēng)墻，有關(guān)橋梁上透風(fēng)式擋風(fēng)裝置的擋風(fēng)效果、抗風(fēng)性能和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的方法還處于試驗階段。2014年年底開通的蘭新第二雙線，途徑安西風(fēng)口、煙墩風(fēng)區(qū)、百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)口和達(dá)坂城風(fēng)口等五大風(fēng)區(qū)，其中新疆段的百里風(fēng)區(qū)和三十里風(fēng)區(qū)大風(fēng)頻繁，風(fēng)力強勁，最大風(fēng)力達(dá)到12級以上，百里風(fēng)區(qū)的瞬時最大風(fēng)速達(dá)到了60 m/s；為減緩大風(fēng)對鐵路的運營和養(yǎng)護(hù)的危害，線路建有擋風(fēng)墻、防風(fēng)明洞和橋梁擋風(fēng)屏等防風(fēng)措施[3]。

圖1所示為橋梁雙側(cè)擋風(fēng)屏的實物示意圖，由開孔率為10%和20%的長圓形開孔波紋板組成，是一種新的結(jié)構(gòu)，有必要展開針對性的研究分析其防風(fēng)性能。本文利用基于有限體積方法的CFD軟件，以線路實際建設(shè)的擋風(fēng)屏基本開孔單元作為研究對象，數(shù)值模擬其空氣動力性能，通過求解其大風(fēng)下的周圍流場，獲得流經(jīng)擋風(fēng)屏前后風(fēng)場的壓力降擬合公式，為后期研究提供較為準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

(a)單跨擋風(fēng)屏設(shè)計圖；(b)多跨擋風(fēng)屏成片連接；(c)擋風(fēng)屏實體圖圖1　橋梁上的擋風(fēng)屏Fig.1 Windbreak barriers

1橋梁擋風(fēng)屏結(jié)構(gòu)和基本開孔單元

1.1橋梁擋風(fēng)屏結(jié)構(gòu)

目前，國內(nèi)外擋風(fēng)結(jié)構(gòu)主要有5種:分離式橋梁擋風(fēng)結(jié)構(gòu)(蘭新線)、與梁體連接的柵欄式橋梁擋風(fēng)結(jié)構(gòu)、與梁體連接的格柵式橋梁擋風(fēng)結(jié)構(gòu)、具有擋風(fēng)作用的梁體和與梁體連接的板式橋梁擋風(fēng)結(jié)構(gòu)等[3]。本文研究的擋風(fēng)屏結(jié)構(gòu)為橋梁本體連接的板式擋風(fēng)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)吸取了其他4種擋風(fēng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，擋風(fēng)效果明顯、分布合理、使用壽命長且較為美觀協(xié)調(diào)[4]。

本文研究的橋梁擋風(fēng)屏詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖1所示，單跨擋風(fēng)屏上部為開孔率20%的波紋板，下部為開孔率10%的波紋板；波紋板左右焊接在用槽型鋼制成的卡槽中，卡槽的左右兩側(cè)通過緊固件可成片聯(lián)結(jié)，或與其它結(jié)構(gòu)(如擋風(fēng)墻等過渡結(jié)構(gòu))連接。擋風(fēng)屏下部由緊固件安裝到橋梁槽形結(jié)構(gòu)的預(yù)埋件上。2種不同開孔率的波紋板均由單元板組成，每塊單元板高0.5 m，長2 m，厚4 mm；單跨擋風(fēng)屏共有7塊單元板，其中4塊的開孔率為20%，3塊的開孔率為10%。

1.2擋風(fēng)屏單元板和基本開孔單元

(a)正視圖；(b)側(cè)視圖；(c)長形圓孔尺寸圖2　 擋風(fēng)屏單元板結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.2 Structure parameter of windbreak barriers

2橋梁擋風(fēng)屏基本單元網(wǎng)格劃分

2.1數(shù)值模擬網(wǎng)格劃分整體策略

由于需要在不同自由來流風(fēng)速的多個工況下進(jìn)行數(shù)值求解，得出其對應(yīng)的風(fēng)吹過擋風(fēng)屏后的壓力差ΔP，通過數(shù)據(jù)擬合求出其慣性阻力系數(shù)和黏性阻力系數(shù)[12]，故本文采用對擋風(fēng)屏基本開孔單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分及計算的方法，既可以降低計算周期，又可以減少網(wǎng)格數(shù)量，降低數(shù)值模擬對計算機硬件資源的要求。網(wǎng)格劃分難點主要在擋風(fēng)屏單元板長形圓孔處網(wǎng)格質(zhì)量難以保證。由于孔的尺寸較小，使得網(wǎng)格在孔附近會擠壓變形，網(wǎng)格質(zhì)量比較差，影響計算精度。由圖2可知長圓形孔的孔直徑為14 mm，由于孔內(nèi)固體壁面需要拉伸邊界層網(wǎng)格以保證表面網(wǎng)格的正交性以及提高計算的精確性，所以在保證第一層邊界層網(wǎng)格的前提下進(jìn)行適當(dāng)加密，以提高網(wǎng)格質(zhì)量。

(a) 開孔率10%；(b) 開孔率20%圖3　 擋風(fēng)屏單元板幾何模型Fig.3 Geometric of windbreak barriers

2.2計算區(qū)域

為分析空氣流過擋風(fēng)屏單元板前后的壓力降，建立求解計算域。計算區(qū)域大小以擋風(fēng)屏單元板高度H為特征尺度，如圖4所示。

(a)開孔率20%擋風(fēng)屏單元板；(b)開孔率10%擋風(fēng)屏單元板圖4　計算域示意圖Fig.4 Computational domain schematic

圖4(a)表明，對于開孔率為20%的擋風(fēng)屏單元板，其計算區(qū)域的入口距擋風(fēng)屏單元板距離均為3H，出口距離擋風(fēng)屏單元板分別為13H，高度為H，寬度取擋風(fēng)屏單元板寬度。在相同工況下，開孔率減小時對空氣的節(jié)流效應(yīng)更明顯，因此開孔率10%的擋風(fēng)屏單元板比開孔率20%的壓力降要大，尾流區(qū)域影響更遠(yuǎn)，所以開孔率10%擋風(fēng)屏單元板的計算區(qū)域在流向上比開孔率20%的多取了2H，以保證計算域出口處流體得到充分發(fā)展。計算中若初次確定計算域的大小不符合要求，可在多次模擬計算和分析后對計算域大小進(jìn)行修改[10]。

2.3網(wǎng)格分辨率

擋風(fēng)屏單元板附近的流場變化較為劇烈，應(yīng)從固體壁面開始劃分尺度較小的網(wǎng)格。以工況為60 m/s為例，取擋風(fēng)屏單元板高度H為特征尺度，流場雷諾數(shù)Re=2.3×106。取y+=50確定其第1層網(wǎng)格法向厚度為0.67 mm，擋風(fēng)屏壁面網(wǎng)格尺寸為3 mm，第1加密區(qū)網(wǎng)格尺寸為48 mm，第2加密區(qū)網(wǎng)格尺寸為96 mm。

2.4網(wǎng)格劃分方法

網(wǎng)格質(zhì)量對計算的收斂速度和精度非常重要。本流場的計算網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格，其中外流場采用六面體核心網(wǎng)格(Trim網(wǎng)格)，擋風(fēng)屏單元板固體壁面采用棱柱網(wǎng)格(Prism網(wǎng)格)，這樣可以更好地模擬黏性占主導(dǎo)區(qū)域的流動[13]。計算區(qū)域的網(wǎng)格劃分如圖5所示，遠(yuǎn)離擋風(fēng)屏單元板的區(qū)域采用尺寸較大的網(wǎng)格，在流場變化較大的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格局部加密，細(xì)網(wǎng)格到粗網(wǎng)格逐層過渡。網(wǎng)格的尺寸以及與擋屏單元板表面的正交性對近壁區(qū)使用壁面函數(shù)法的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。對于擋風(fēng)屏單元板近壁面區(qū)域采用邊界層網(wǎng)格(Prism網(wǎng)格),并采用合理的層數(shù)及拉伸比以保證邊界層網(wǎng)格與主體網(wǎng)格之間的平緩過渡。本例棱柱網(wǎng)格共拉伸3層，拉伸比為1.2。

2.5網(wǎng)格劃分結(jié)果展示

以開孔率為20%擋風(fēng)屏單元板為例，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖6所示。該套模型為工況35 m/s的計算網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為308萬，擋風(fēng)屏單元板近壁區(qū)網(wǎng)格最密，同時為了正確捕捉尾流區(qū)復(fù)雜的流動，也對其進(jìn)行了網(wǎng)格加密，而沿流向在流場變化緩慢區(qū)域的網(wǎng)格比較粗大。擋風(fēng)屏單元板近壁區(qū)內(nèi)網(wǎng)格數(shù)量占到總網(wǎng)格數(shù)量的55%左右，保證了大部分網(wǎng)格分布在流場變化劇烈的區(qū)域，這樣不僅可以準(zhǔn)確的捕捉流場變化，保證計算的精確性，同時減少了網(wǎng)格數(shù)量，縮短計算時間。

圖5　計算域及網(wǎng)格劃分(開孔率20%)Fig.5 Computational domain and grid

3計算結(jié)果與討論

3.1數(shù)值求解方法和定解條件

本文采用基于有限體積法的SIMPLE算法求解三維常物性定常不可壓湍流流動，即求解連續(xù)方程、動量方程和湍流模型方程。采用二階迎風(fēng)格式離散方程對流項和黏性項采用二階中心差分格式[14]。

圖6　 縱向截面網(wǎng)格Fig.6 Longitudinal cross-section grid

本文采用的邊界條件為速度入口邊界、壓力出口邊界，其中擋風(fēng)屏單元板及立柱為無滑移固體邊界，其余邊界條件為滑移固體邊界。ρ=1.234kg/m3，T=283.75K，P0=92 110Pa。采用高雷諾k-ω SST湍流模型，近壁區(qū)處理辦法采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法。該模型是在工程應(yīng)用中得到廣泛使用的混合模型，在近壁區(qū)有較好的精度和穩(wěn)定性，并對分離流動模擬有較高的準(zhǔn)確性[15-17]。

3.2數(shù)值求解方法的驗證

本文采用3.1節(jié)所述數(shù)值計算方法對通道內(nèi)繞流障板的三維常物性定常不可壓縮湍流流動[18]進(jìn)行數(shù)值模擬，通過與實驗數(shù)據(jù)對比，驗證本文網(wǎng)格劃分方法和數(shù)值方法的合理性。本例劃分網(wǎng)格總數(shù)為50萬，采用逐層過渡方法劃分網(wǎng)格，固體邊界拉伸4層Prism網(wǎng)格，以保證Trim網(wǎng)格與Prism網(wǎng)格之間的良好過渡。

圖7　幾何模型Fig.7 Geometric model

本文主要對比的數(shù)據(jù)為對稱面上取x=0.03 m，0.23 m，0.33m，0.38 m處沿z方向的速度分布，如圖8所示。圖8中的x=0.38 m截面距離障礙物較近，流體經(jīng)過障礙物時會在尾渦區(qū)產(chǎn)生回流，所以沿z方向z=0~0.5 m處其速度為負(fù)值；隨著z值的增大流體速度逐漸增加為正值；當(dāng)z≥0.1 m時隨著z值的增大，障礙物對外圍流體的影響變小，導(dǎo)致其速度變化逐漸緩慢；在z=0，z=0.03 m處即通道底面和頂面，由于兩壁面為無滑移邊界條件，流體的黏性作用導(dǎo)致其兩個壁面處的流體速度為0。

圖8中的x=0.33 m截面正好位于障礙物處，所以在z=0~0.4 m范圍內(nèi)沿x方向的速度為0，z值繼續(xù)增大后由于渦結(jié)構(gòu)的影響同樣會出現(xiàn)速度為負(fù)值的情況。由圖8所示本文計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的對比可知，兩者吻合程度較好，表明本文數(shù)值計算方法是正確的，結(jié)果可信。

圖8　計算結(jié)果與實驗結(jié)果對比Fig.8 Comparison of result

3.3計算結(jié)果與分析

3.3.1典型計算工況的流場分析

由于蘭新線百里風(fēng)區(qū)的瞬時最大風(fēng)速達(dá)到了60 m/s[1]，本文為在可能的大風(fēng)場速度范圍內(nèi)獲得擋風(fēng)屏的多孔介質(zhì)模型的性能參數(shù)，對開孔率為10%和20%的擋風(fēng)屏基本開孔單元模型，分別計算了入口來流速度為2，4，8，10，15，20，25，30，35，40，45，50，55，60和65 m/s時的壓力降，共計26種工況。這里給出對兩種開孔率擋風(fēng)屏單元板典型工況35 m/s時的流場分析，如圖9所示。由圖9速度流線圖可觀察到流體經(jīng)過擋風(fēng)屏單元板后形成的渦結(jié)構(gòu)。開孔率20%擋風(fēng)屏單元板形成了兩個明顯的較大的、對稱的渦結(jié)構(gòu)，其主要原因是在擋風(fēng)屏單元板兩側(cè)邊緣處有立柱的影響。開孔率10%擋風(fēng)屏單元板形成的渦結(jié)構(gòu)與開孔率20%擋風(fēng)屏單元板有所不同，其形成的渦結(jié)構(gòu)為非對稱型。由于開孔率較小，流體經(jīng)過擋風(fēng)屏單元板后壓力降要比開孔率20%的擋風(fēng)屏單元板大，所以由伯努利方程可得其流速也要比開孔率20%擋風(fēng)屏單元板的流速大，這就導(dǎo)致了渦結(jié)構(gòu)流向尺度要比開孔率20%擋風(fēng)屏單元板的大得多，尾流區(qū)域更大，所以增大其計算域尺寸是合理的。

(a)開孔率20%擋風(fēng)屏單元板；(b)開孔率10%擋風(fēng)屏單元板圖9　速度流線圖Fig.9 Speed of streamlines

圖10為2種開孔率情況下，擋風(fēng)屏基本開孔單元周圍的壓力分布示意圖。為了使流體經(jīng)過2種開孔率擋風(fēng)屏單元板時的壓力對比更加明顯，色帶的取值范圍并不相同。從圖10中可以明顯觀察到在同一工況下，流體經(jīng)過開孔率10%擋風(fēng)屏單元板的壓力降更加明顯，壓力先是驟降然后在沿著流動方向逐漸緩慢增加，最后達(dá)到穩(wěn)定。

(a)開孔率10%擋風(fēng)屏單元板壓力云圖；(b)開孔率20%擋風(fēng)屏單元板壓力云圖圖10　壓力云圖分布Fig.10 Schematic of Pressure

3.3.2壓力降處理結(jié)果

為獲得本文各計算工況下的壓力降，在擋風(fēng)屏單元板兩側(cè)流動較穩(wěn)定而且沒有大回流和大波動的緩變流位置創(chuàng)建兩個截面(如圖11所示)，求取這2個截面的壓力差即為所需要求出的Δp=p1-p2。

(a)開孔率10%擋風(fēng)屏單元板壓力云圖；(b)開孔率20%擋風(fēng)屏單元板壓力云圖圖11　截面選取示意圖Fig.11 Schematic of sections

為提高在數(shù)據(jù)擬合的合理性，數(shù)據(jù)處理中補充0 m/s時的情況，這對應(yīng)于無風(fēng)時擋風(fēng)屏前后不產(chǎn)生壓差。由于不同工況的流線分布并不相同，在風(fēng)速較低時流動較穩(wěn)定，且回流區(qū)結(jié)束的位置距擋風(fēng)屏單元板要比風(fēng)速較大的情況更近一些，由圖10壓力云圖可知流體流過擋風(fēng)屏單元板后壓力會驟降，隨后在下游沿流動方向壓力會逐漸回升。若所取兩截面距離擋風(fēng)屏單元板的距離較大這就會導(dǎo)致兩截面的壓力差變小。所以在取截面時要根據(jù)實際情況適當(dāng)調(diào)整截面距擋風(fēng)屏單元板的距離，獲得合理的壓力降Δp數(shù)值，以保證數(shù)據(jù)擬合的準(zhǔn)確性。

表1　開孔率10%擋風(fēng)屏單元板各工況下的壓力降

表2　開孔率20%擋風(fēng)屏單元板各工況下的壓力降

3.3.3數(shù)據(jù)擬合公式

(a)開孔率10%擋風(fēng)屏單元板擬合公式；(b)開孔率20%擋風(fēng)屏單元板擬合公式圖12　擬合公式Figle 12 Fitting equation

vn248101520253035404550556065αb38.9438.9442.7342.7342.7352.3055.6555.6555.6552.3052.3055.6555.6555.6555.65βb67.3467.3473.8973.8973.8990.4496.2496.2496.2490.4490.4496.2496.2496.2496.24

表4　開孔率20%擋風(fēng)屏擬合參數(shù)

4結(jié)論

1)通過對矩形通道內(nèi)越過障板的三維常物性定常不可壓縮湍流流動的數(shù)值模擬，表明本文基于有限體積方法的湍流模擬方法是可行的，結(jié)果是可信的。

2)開孔率為10%的橋梁擋風(fēng)屏，當(dāng)側(cè)風(fēng)風(fēng)速在2~65 m/s變化時，其黏性阻尼因數(shù)為38.94~55.65，慣性阻尼因數(shù)為67.34~96.24。

3)開孔率為20%的橋梁擋風(fēng)屏，當(dāng)側(cè)風(fēng)風(fēng)速在2~65 m/s變化時，其黏性阻尼因數(shù)為9.46~16.58，慣性阻尼因數(shù)為5.20~9.10。

參考文獻(xiàn)：

[1] Joseph A， Schetz. Aerodynamics of high-speed railway trains[J]. Annual Review of Fluid Mechanics, 2001(33): 371-414.

[2] 錢征宇. 西北地區(qū)鐵路大風(fēng)災(zāi)害及其防治對策[J]. 中國鐵路，2009，3(3): 1-4.

QIAN Zhengyu. The high winds and its countermeasures of the northwest railway[J].Chinese Railways, 2009,3(3): 1-4.

[3] 錢偉平. 蘭新第二雙線的大風(fēng)研究及防風(fēng)設(shè)計對策[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報,2012(47): 264-269.

QIAN Weiping.Gale research and wind-proof design countermeasure on the New Lanzhou-Urumqi railway[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2012(47): 264-269.

[4] 權(quán)曉亮. 鐵路大風(fēng)區(qū)橋梁擋風(fēng)屏抗風(fēng)性能研究[D]. 成都: 西南交通大學(xué), 2009.

QUAN Xiaoliang. The wind resistance research on the bridge windshield of railway wind area[D].Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2009.

[5] 張?zhí)? 強風(fēng)場中高速鐵路橋梁列車運行安全分析及防風(fēng)措施研究[D]. 北京: 北京交通大學(xué), 2013.

ZHANG Tian.Study on running safety of trains and windproof measures for high-speed railway bridges in strong wind field[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University,2013.

[6] 馮少華. 防風(fēng)柵對高速列車的擋風(fēng)性能研究[D]. 北京：北京交通大學(xué), 2013.

FENG Shaohua. Windbreak performance of wind fence on high speed train[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University,2013.

[7] Fujii T, Tatsuo Maeda, Hiroaki Ishida,et al. Wind-induced accidents of train/vehicles and their measures in Japan[J]. Quarterly Report of RTRI, 1999,40(1): 50-55.

[8] Baker C J, Cheli F, Orellano A, et al. Cross-wind effects on road and rail vehicles[J]. Vehicle System Dynamics, 2009,47(8): 983-1022.

[9] 高廣軍. 強橫風(fēng)作用下列車運行安全性研究[D]. 長沙:中南大學(xué), 2008.

GAO Guangjun. Research on train operation safty under strong side wind[D].Changsha: Central South University,2008.

[10] 郗艷紅.橫風(fēng)作用下的高速列車氣動特性及運行安全性研究[D]. 北京:北京交通大學(xué), 2012.

XI Yanhong. Research on aerodynamic characteristics and operation safety of high-speed trains under cross winds [D]. Beijing: Beijing Jiaotong University,2012.

[11] 向活躍. 高速鐵路風(fēng)屏障防風(fēng)效果及其自身風(fēng)荷載研究[D]. 成都: 西南交通大學(xué), 2013.

XIANG Huoyu. Protection effect of wind barrier on high speed railway and its wind loads[D].Chengdu: Southwest Jiaotong University,2013.

[12] CD-adapco Inc, STAR-CD methodology version 4.08[M]. CD-adapco nc,2008:1-8.

[13] 姚遠(yuǎn).列車典型區(qū)域非定常氣動特性研究[D]. 北京: 中國科學(xué)院大學(xué), 2013.

YAO Yuan. Study on unsteady aerodynamic characteristics of typical flow regions around high-speed trains[D]. Beijing: University of Chinese Academy of Sciences, 2013.

[14] 李明, 李明高. STAR-CCM+與流場計算[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2011: 3-6.

LI ming, LI Minggao. STAR-CCM+ and the flow field calculation[M]. Beijing: Mechanical Industry Press,2011:3-6.

[15] Pietro Catalano, Marcello Amato. An evaluation of RANS turbulence modelling for aerodynamic applications [J]. Aerospace Science and Technology, 2003,(7): 493-509.

[16] Menter F R, Langtry R, Hansen T. CFD simulation of turbomachinery flows: Verification, validation and modeling [C]//In European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering, 2004: 1-14.

[17] Reichel C, Strohmeier K. Application of models for laminar to turbulent transition to flow around a circular cylinder[M]. Denver. CO. United States，2005：7-11.

[18] CD-adapco Inc. User guide star-ccm+ v7ersion 9.02[M].CD-adapco Inc, 2013: 8346-8379.

(編輯蔣學(xué)東)

A numerical porous media modeling of the basic polyporous unit of windbreak barriers constructed on bridgesZHANG Chengyu1,2, CHEN Xiaoli1,2, XU Jianlin1,2, MEI Yuangui1,2

(1.School of Mechatronic Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China；

2.Mechanics Application Engineering of Faffic safety on Track in Gansy, Lanzhou 730070, China )

Abstract：In order to obtain the viscous resistance and inertial resistance of the windbreak barriers, numerical simulation of basic polyporous unit of them were carried out by using a computational fluid dynamics (CFD) code based on the finite volume method(FVM). The governing equations of three dimensional, steady and incompressible turbulent flow of air with constant thermal properties were solved. The air pressure drop was calculated by picking two sections in slow flow domains. Then the fitting curve of pressure drop serials to velocities were drawn by altering the incoming velocity of air flow and the resistance coefficients of porous baffle were extracted. The research indicate：with the wind increases, the viscous resistance, inertial resistance of the two kinds of windbreak barriers (opening ratio 20%, 10%) will increase accordingly. The viscous resistance and inertial resistance of the two kinds of windbreak barriers range from -9.46~16.58, 5.20~9.10 and 38.94~55.65, 67.34~96.2, respectively. The data can be used in future numerical study related to windbreak barriers.

Key words：windbreak barrier；porous media baffle；numerical simulation; viscous resistance；inertial resistance

中圖分類號：U464.134+.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)01-0117-08

通訊作者：梅元貴(1964-)，男.河南滎陽人，教授，博士，從事列車空氣動力學(xué)研究；E-mail:meiyuangui@163.com

基金項目：中國鐵路總公司科研實驗項目(2014034)

收稿日期：*2015-06-19