牛波,杜禮明

(大連交通大學(xué) 遼寧省高等學(xué)校載運(yùn)工具先進(jìn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116028)

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沙塵暴環(huán)境對(duì)高速鐵路擋風(fēng)墻設(shè)置的影響

牛波,杜禮明

(大連交通大學(xué) 遼寧省高等學(xué)校載運(yùn)工具先進(jìn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116028)

為保證列車(chē)在風(fēng)沙環(huán)境下安全運(yùn)行，需在鐵路沿線設(shè)置擋風(fēng)墻?；跉W拉雙流體模型和大氣底層邊界速度型風(fēng)場(chǎng)模型，通過(guò)數(shù)值模擬方法研究高速列車(chē)在不同車(chē)速和不同沙塵暴等級(jí)下運(yùn)行時(shí)，沙塵對(duì)擋風(fēng)墻高度和距離等參數(shù)的影響。研究結(jié)果表明：與在單純大風(fēng)環(huán)境下運(yùn)行相比，列車(chē)在沙塵暴環(huán)境下運(yùn)行時(shí)所受氣動(dòng)力有所不同：考慮沙塵的影響后，列車(chē)整車(chē)傾覆力矩有所增加。為此，在研究擋風(fēng)墻的設(shè)置時(shí)，應(yīng)考慮沙塵的影響。在沙塵暴環(huán)境下，擋風(fēng)墻的最優(yōu)高度應(yīng)有所增加；當(dāng)擋風(fēng)墻距離一定時(shí)，擋風(fēng)墻的最優(yōu)高度隨著列車(chē)運(yùn)行速度提高而增大，隨著沙塵暴等級(jí)的提高而降低；擋風(fēng)墻高度一定時(shí)，擋風(fēng)墻的最優(yōu)距離隨著列車(chē)運(yùn)行速度提高而減少，隨著沙塵暴等級(jí)的提高而增加；擋風(fēng)墻最優(yōu)距離和高度近似成二次多項(xiàng)式關(guān)系。

鐵路工程；擋風(fēng)墻；數(shù)值模擬；高速列車(chē)；沙塵暴

高速列車(chē)在行駛過(guò)程中，若受到強(qiáng)橫風(fēng)的作用，列車(chē)的氣動(dòng)性能便會(huì)迅速惡化[1-2]，尤其是在風(fēng)沙環(huán)境下，橫風(fēng)將會(huì)嚴(yán)重影響旅客乘坐舒適性并對(duì)運(yùn)行安全造成嚴(yán)重影響[3-6]。為減少事故的發(fā)生，降低橫風(fēng)對(duì)列車(chē)安全運(yùn)行的影響，可在風(fēng)區(qū)鐵路沿線建造擋風(fēng)墻[7-9]。目前，對(duì)于擋風(fēng)墻的研究大致分3類(lèi)：擋風(fēng)墻高度，擋風(fēng)墻至軌道中心線距離和擋風(fēng)墻的結(jié)構(gòu)外形設(shè)計(jì)。劉鳳華[10]分析了4種不同類(lèi)型的擋風(fēng)墻對(duì)列車(chē)的安全防護(hù)效果評(píng)價(jià)；李燕飛等[11]對(duì)高速鐵路開(kāi)孔式擋風(fēng)墻外形進(jìn)行了優(yōu)化研究；葉坤等[12]對(duì)在橫風(fēng)作用下高速鐵路擋風(fēng)墻進(jìn)行了高度和位置的優(yōu)化分析；楊斌等[13]針對(duì)大風(fēng)區(qū)不同路況下的擋風(fēng)墻提出了合理高度；姜翠香等[14]研究了在橫風(fēng)環(huán)境下?lián)躏L(fēng)墻高度和設(shè)置位置對(duì)一線、二線棚車(chē)氣動(dòng)性能的影響。但目前的研究?jī)H考慮了在大風(fēng)環(huán)境下?lián)躏L(fēng)墻的設(shè)計(jì)對(duì)列車(chē)氣動(dòng)性能的影響。實(shí)際上，風(fēng)沙總是伴隨出現(xiàn)的，尤其是在我國(guó)的內(nèi)蒙古和新疆等強(qiáng)風(fēng)沙地區(qū)[15]。因此，單純研究風(fēng)的影響既不能真實(shí)地揭示風(fēng)沙對(duì)列車(chē)運(yùn)行的平穩(wěn)性和安全性影響，也不能體現(xiàn)出擋風(fēng)墻的作用，也就不能很好地指導(dǎo)擋風(fēng)墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過(guò)歐拉雙流體模型模擬風(fēng)沙兩相流，使用大氣底層邊界速度型風(fēng)場(chǎng)模擬自然風(fēng)，分析沙塵暴環(huán)境下?lián)躏L(fēng)墻高度和距離對(duì)列車(chē)橫向氣動(dòng)力矩的影響規(guī)律，以獲得擋風(fēng)墻的最佳高度和最優(yōu)距離的關(guān)系，為高速鐵路擋風(fēng)墻的設(shè)置參數(shù)提供參考依據(jù)。

1　計(jì)算模型及方法

1.1計(jì)算模型與數(shù)值方法

以某高速動(dòng)車(chē)組的幾何尺寸為原型建立數(shù)值計(jì)算模型，由于列車(chē)中部的氣動(dòng)力變化已經(jīng)趨于穩(wěn)定[16]，因此可將列車(chē)模型簡(jiǎn)化為頭車(chē)、中間車(chē)和尾車(chē)3輛車(chē)編組，其長(zhǎng)度分別為25.8 ,24.8和25.8 m，列車(chē)的寬度為3.2 m，高度為3.89 m。同時(shí)，將列車(chē)簡(jiǎn)化為一個(gè)光滑曲面的幾何體，并忽略轉(zhuǎn)向架、受電弓及門(mén)把手等細(xì)部特征[17]。

采用直立式擋風(fēng)墻，其高度定義為路堤上部至擋風(fēng)墻頂部的距離，距離定義為擋風(fēng)墻內(nèi)側(cè)表面至一線軌道中心線的距離，擋風(fēng)墻厚度為1.2 m，路堤高度為5 m，坡腳角度為1∶1.5[13]。

沙塵運(yùn)動(dòng)為兩相流運(yùn)動(dòng)，歐拉雙流體模型將空氣與運(yùn)動(dòng)沙塵均看作是流體，認(rèn)為二者之間相互貫穿滲透，用體積分?jǐn)?shù)來(lái)描述每一相的存在，這樣可以有效避免沙塵顆粒數(shù)目的限制，節(jié)省計(jì)算資源，提高計(jì)算效率[19]。故采用該模型，并選定空氣為第一相，沙粒為第二相。按照《沙塵暴天氣等級(jí)》的規(guī)定，并選取沙塵暴S3，強(qiáng)沙塵暴S4和特強(qiáng)沙塵暴S5 3個(gè)等級(jí)進(jìn)行研究，相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1　風(fēng)沙計(jì)算參數(shù)

沙塵暴中的風(fēng)和沙往往不是就地產(chǎn)生的，因此，采用更接近實(shí)際情況的大氣底層邊界速度型風(fēng)場(chǎng)來(lái)模擬自然風(fēng)[20]，風(fēng)速在大氣邊界層高度的方向上以指數(shù)形式增加。數(shù)值模擬軟件采用商用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬。邊界層使用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，并采用定?？蓧嚎s的N-S方程和標(biāo)準(zhǔn)κ-ε兩方程湍流模型，耦合壓力與速度使用SIMPLE算法，并使用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散。

1.2計(jì)算域及網(wǎng)格劃分

考慮到氣流的繞流和流場(chǎng)的充分發(fā)展，選擇長(zhǎng)、寬、高為320 m×100 m×40 m的長(zhǎng)方體為計(jì)算區(qū)域。計(jì)算區(qū)域如圖1所示。

為保證模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率，需將車(chē)體和擋風(fēng)墻周?chē)W(wǎng)格劃分的較密，而遠(yuǎn)離車(chē)體的外流場(chǎng)網(wǎng)格可以較疏[21]，因此采用尺寸函數(shù)的方法來(lái)劃分網(wǎng)格，劃分后的網(wǎng)格數(shù)量為250萬(wàn)，最終得到計(jì)算域的網(wǎng)格如圖2所示。

(a)正視圖；(b)側(cè)視圖單位：m圖1　計(jì)算區(qū)域及尺寸Fig.1 Computational domain and size

圖2　計(jì)算域網(wǎng)格Fig.2 The grids of calculation field

1.3邊界條件及計(jì)算工況

1)流動(dòng)入口1。入口1設(shè)置為含有沙粒的均勻風(fēng)場(chǎng)，風(fēng)速和沙粒的流入速度均為列車(chē)速度，方向與車(chē)速相反，并且還需根據(jù)工況設(shè)定沙粒的直徑、體積濃度等參數(shù)。

2)流動(dòng)入口2。入口2設(shè)置為含有沙粒的大氣底層邊界速度型風(fēng)場(chǎng)，速度隨高度的變化規(guī)律為vy=vy10﹒(y/y10)0.16，其中y10=10 m，vy10為y=10 m處的橫風(fēng)速度。同樣，還需設(shè)定沙粒直徑、體積濃度等參數(shù)。

3)計(jì)算域流動(dòng)出口。出口1和出口2均使用壓力出口邊界條件。

4)地面、路堤及擋風(fēng)墻。由于地面、路堤及擋風(fēng)墻與列車(chē)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，故將三者設(shè)定為滑移壁面，移動(dòng)速度與車(chē)速大小相同，方向相反[22]。

5)列車(chē)表面和計(jì)算域上表面。按照無(wú)滑移壁面條件設(shè)定。

分別選取列車(chē)速度為200，275和350 km/h；擋風(fēng)墻的高度為2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5以及5 m；擋風(fēng)墻的距離為3.5，3.8，4.2和4.5 m。具體計(jì)算工況如表2所示。

表2　計(jì)算工況

2　結(jié)果與分析

2.1沙塵對(duì)鐵路擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)的影響

車(chē)速為275 km/h，橫風(fēng)速度為25 m/s，擋風(fēng)墻高度為4 m，擋風(fēng)墻距離為4.2 m時(shí)，無(wú)沙塵和有沙塵(沙塵濃度為4.0×10-8)2種工況下，列車(chē)表面的壓力分布云圖，如圖3。

由圖可知，在沙塵暴環(huán)境下列車(chē)表面的壓力均有所增加，尤其是列車(chē)迎風(fēng)側(cè)上部壓力增加明顯。無(wú)沙塵工況下，列車(chē)整車(chē)傾覆力矩為0.169 kN·m；有沙塵工況下，列車(chē)整車(chē)傾覆力矩為2.812 kN·m。考慮了沙塵的影響后，列車(chē)整車(chē)傾覆力矩增加了2.643 kN·m。這是由于與無(wú)沙塵情況相比，沙塵環(huán)境下單位空間體積內(nèi)所含物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)動(dòng)能增加，當(dāng)含有沙塵的大風(fēng)與列車(chē)發(fā)生相互作用時(shí)，列車(chē)所受載荷增加，又由于擋風(fēng)墻的存在改變了流體運(yùn)動(dòng)的路徑，導(dǎo)致列車(chē)迎風(fēng)側(cè)上部所受壓力增加明顯，而列車(chē)背風(fēng)側(cè)的壓力變化不大，使得列車(chē)所受的傾覆力矩增加，列車(chē)向背離擋風(fēng)墻方向扭轉(zhuǎn)的趨勢(shì)增加。因此，考慮到沙塵影響，擋風(fēng)墻高度應(yīng)適當(dāng)增加。由于在沙塵環(huán)境和無(wú)沙塵環(huán)境下，列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中所受的氣動(dòng)力是不同的，所以在研究擋風(fēng)墻設(shè)置參數(shù)時(shí)，有必要考慮沙塵暴環(huán)境對(duì)列車(chē)產(chǎn)生的影響。

(a)無(wú)沙塵工況;(b)有沙塵工況圖3　無(wú)沙塵和有沙塵工況下列車(chē)車(chē)身的壓力云圖Fig.3 Pressure distribution on the surface of the train in wind with sand and without sand

2.2不同擋風(fēng)墻設(shè)置對(duì)列車(chē)外流場(chǎng)的影響

以下分析沙塵暴環(huán)境下?lián)躏L(fēng)墻對(duì)列車(chē)外流場(chǎng)的影響。橫風(fēng)作用下列車(chē)的穩(wěn)定性主要取決于傾覆力矩[23]。圖4為在特強(qiáng)沙塵暴環(huán)境下，車(chē)速為200 km/h，擋風(fēng)墻距離為3.8 m時(shí)，不同高度擋風(fēng)墻的條件下中間車(chē)車(chē)體的壓力云圖。

擋風(fēng)墻高度為2.5 m時(shí)，車(chē)體迎風(fēng)面為正壓區(qū)，由于車(chē)頂空氣流速加快，故出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)，背風(fēng)面上方為負(fù)壓區(qū)，車(chē)體向遠(yuǎn)離擋風(fēng)墻的方向扭轉(zhuǎn)。擋風(fēng)墻高度為3.5 m時(shí)，車(chē)體迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)均出現(xiàn)負(fù)壓，但兩側(cè)壓差不大，車(chē)體逐漸開(kāi)始向擋風(fēng)墻方向扭轉(zhuǎn)。擋風(fēng)墻高度為4.5 m時(shí)，車(chē)體迎風(fēng)面負(fù)壓區(qū)加劇，而背風(fēng)面變化不大，兩側(cè)壓差明顯增加，車(chē)體朝擋風(fēng)墻方向扭轉(zhuǎn)的情況加劇。與只考慮橫風(fēng)情況的文獻(xiàn)[12]相比，具有類(lèi)似的結(jié)論：隨著擋風(fēng)墻高度的增加，車(chē)體逐漸從遠(yuǎn)離擋風(fēng)墻方向扭轉(zhuǎn)變?yōu)槌瘬躏L(fēng)墻方向扭轉(zhuǎn)。

圖5為在特強(qiáng)沙塵暴環(huán)境下，車(chē)速為200 km/h，擋風(fēng)墻高度為3.8 m時(shí)，不同擋風(fēng)墻距離的條件下中間車(chē)車(chē)體的壓力云圖。擋風(fēng)墻距離為3.5 m時(shí)，車(chē)體迎風(fēng)面壓力在-700～-400 Pa范圍內(nèi)，背風(fēng)面壓力在-400～-100 Pa范圍內(nèi)，在兩側(cè)壓差的作用下車(chē)體向擋風(fēng)墻方向扭轉(zhuǎn)，隨著車(chē)體逐漸遠(yuǎn)離擋風(fēng)墻，迎風(fēng)面壓力迅速減小，而車(chē)體背風(fēng)面的壓力變化不大，當(dāng)距離為4.2 m時(shí)，車(chē)體兩側(cè)的壓力差趨近于0。隨著擋風(fēng)墻距離的增加，車(chē)體逐漸從朝擋風(fēng)墻方向扭轉(zhuǎn)變?yōu)楸畴x擋風(fēng)墻方向扭轉(zhuǎn)。只考慮橫風(fēng)情況的文獻(xiàn)[12]也有相同結(jié)論。

(a)擋風(fēng)墻高2.5 m；(b)擋風(fēng)墻高3.5 m；(c)擋風(fēng)墻高4.5 m圖4　不同高度擋風(fēng)墻中間車(chē)體周?chē)膲毫υ茍DFig.4 Distribution of pressure around the middle coach under different heights of wind-break wall

由此可見(jiàn)，當(dāng)擋風(fēng)墻處于某一高度時(shí)，會(huì)使車(chē)體兩側(cè)的氣壓差趨于0，這一高度可確定為這一工況下的最佳高度。同理，把擋風(fēng)墻設(shè)置在某一距離時(shí)，車(chē)體兩側(cè)的氣壓差也會(huì)趨近于0，這一距離可確定為最佳距離。

(a)擋風(fēng)墻距離3.5m；(b)擋風(fēng)墻距離3.8 m；(c)擋風(fēng)墻距離4.2 m圖5　不同擋風(fēng)墻距離中間車(chē)體周?chē)膲毫υ茍DFig.5 Distribution of pressure around the middle coach under different distances of wind-break wall

2.3運(yùn)行速度對(duì)最優(yōu)擋風(fēng)墻高度和距離的影響

列車(chē)運(yùn)行的穩(wěn)定性與其受到的傾覆力矩密切相關(guān)[24]。氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩的作用點(diǎn)一般與車(chē)輛的重心位置并不重合，作用點(diǎn)受車(chē)輛的形狀、大小和環(huán)境風(fēng)的方向等因素影響。氣動(dòng)力矩的簡(jiǎn)化中心定為距路堤高度為1.95 m的車(chē)體中心位置。傾覆力矩為正值時(shí)表示氣動(dòng)力使列車(chē)朝遠(yuǎn)離擋風(fēng)墻的方向扭轉(zhuǎn)，傾覆力矩為負(fù)值時(shí)表示氣動(dòng)力使列車(chē)向擋風(fēng)墻方向扭轉(zhuǎn)。

在特強(qiáng)沙塵暴環(huán)境下，列車(chē)以不同速度行駛情況下列車(chē)傾覆力矩隨擋風(fēng)墻高度和距離的變化規(guī)律見(jiàn)圖6～8，分別分析頭、中、尾車(chē)的傾覆力矩，選擇絕對(duì)值最小的傾覆力矩所對(duì)應(yīng)的擋風(fēng)墻高度和距離則為最優(yōu)方案。

當(dāng)擋風(fēng)墻距離一定時(shí)，頭車(chē)、中間車(chē)和尾車(chē)的傾覆力矩均隨著擋風(fēng)墻高度的增加而逐漸減小。擋風(fēng)墻高度較低時(shí)傾覆力矩為正值，列車(chē)?yán)@著氣動(dòng)中心向背風(fēng)側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)?shù)竭_(dá)某一高度時(shí)傾覆力矩降為0；當(dāng)擋風(fēng)墻高度繼續(xù)增加時(shí)，傾覆力矩為負(fù)值，列車(chē)?yán)@著氣動(dòng)中心向迎風(fēng)側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)。傾覆力矩為0時(shí)所對(duì)應(yīng)的高度為最優(yōu)高度。隨著擋風(fēng)墻距離的增加，頭車(chē)、中間車(chē)和尾車(chē)的最優(yōu)高度也逐漸增加，距離過(guò)小，傾覆力矩為負(fù)值，列車(chē)會(huì)向迎風(fēng)側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)；距離過(guò)大，傾覆力矩為正值，列車(chē)會(huì)向背風(fēng)側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)。

表3為在不同車(chē)速下，擋風(fēng)墻距離在3.5～4.5 m時(shí)，頭車(chē)、中間車(chē)和尾車(chē)擋風(fēng)墻高度的最優(yōu)值。

表3　在不同車(chē)速下?lián)躏L(fēng)墻的最優(yōu)高度

由表3可知，隨著列車(chē)運(yùn)行速度的提高，擋風(fēng)墻的最優(yōu)高度也逐漸增大，車(chē)速?gòu)?00 km/h提升至275 km/h時(shí)，擋風(fēng)墻的最優(yōu)高度增加了0.29 m，車(chē)速?gòu)?75 km/h提升到350 km/h時(shí)，擋風(fēng)墻的最優(yōu)高度增加了0.24 m。當(dāng)列車(chē)以一定速度行駛時(shí)，如果實(shí)際的擋風(fēng)墻高度低于最優(yōu)值，列車(chē)可以通過(guò)降速來(lái)使其達(dá)到最優(yōu)行駛條件，如果實(shí)際的擋風(fēng)墻高度高于最優(yōu)值時(shí)，列車(chē)可以通過(guò)提速來(lái)達(dá)到最優(yōu)行駛條件。

(a)頭車(chē)；(b) 中間車(chē)；(c)尾車(chē)圖6　列車(chē)行駛速度為200 km/h傾覆力矩隨擋風(fēng)墻高度和距離的變化規(guī)律Fig.6 Capsizing moments changing with the height and the distance of wind-break wall at the speed of 200 km/h

(a)頭車(chē)；(b) 中間車(chē)；(c)尾車(chē)圖7　列車(chē)行駛速度為275 km/h傾覆力矩隨擋風(fēng)墻高度和距離的變化規(guī)律Fig.7 Capsizing moments changing with the height and the distance of wind-break wall at the speed of 275 km/h

(a)頭車(chē)；(b) 中間車(chē)；(c)尾車(chē)圖8　列車(chē)行駛速度為350 km/h傾覆力矩隨擋風(fēng)墻高度和距離的變化規(guī)律Fig.8 Capsizing moments changing with the height and the distance of wind-break wall at the speed of 350 km/h

2.4不同沙塵暴等級(jí)下最優(yōu)擋風(fēng)墻高度和距離

列車(chē)速度為275 km/h時(shí)，在不同沙塵暴等級(jí)情況下列車(chē)傾覆力矩隨擋風(fēng)墻高度和距離的變化規(guī)律見(jiàn)圖7，圖9和圖10，分別分析頭、中、尾車(chē)的傾覆力矩，選擇絕對(duì)值最小的傾覆力矩所對(duì)應(yīng)的擋風(fēng)墻高度和距離則為最優(yōu)方案。

特強(qiáng)沙塵暴環(huán)境下傾覆力矩隨擋風(fēng)墻高度和距離的變化規(guī)律見(jiàn)圖7。

(a)頭車(chē)；(b) 中間車(chē)；(c)尾車(chē)圖9　沙塵暴環(huán)境下傾覆力矩隨擋風(fēng)墻高度和距離的變化規(guī)律Fig.9 Capsizing moment changed with the height and the distance of wind-break wall in a sandstorm

(a)頭車(chē)；(b) 中間車(chē)；(c)尾車(chē)圖10　強(qiáng)沙塵暴環(huán)境下傾覆力矩隨擋風(fēng)墻高度和距離的變化規(guī)律Fig.10 Capsizing moment changed with the height and the distance of wind-break wall in a strong sandstorm

Table 4 Optimal heights and distances of wind-break wall in different levels of sandstorm

擋風(fēng)墻距離/m沙塵暴等級(jí)頭車(chē)最優(yōu)/m中間車(chē)最優(yōu)/m尾車(chē)最優(yōu)m綜合最優(yōu)/mS34.304.434.103.5S44.144.183.854.14S53.983.913.61S34.444.524.263.8S44.274.283.954.27S54.073.993.67S34.634.804.454.2S44.424.494.164.42S54.254.183.86S34.844.854.554.5S44.524.524.244.52S54.374.253.90

最優(yōu)方案見(jiàn)表4。固定車(chē)速下?lián)躏L(fēng)墻距離一定時(shí)，頭車(chē)、中間車(chē)和尾車(chē)所確定的擋風(fēng)墻最優(yōu)高度均隨著沙塵暴等級(jí)的提高而降低。文獻(xiàn)[12-13]在考慮橫風(fēng)風(fēng)速對(duì)車(chē)體傾覆力矩的影響時(shí)也得出了類(lèi)似的結(jié)論:隨著橫風(fēng)風(fēng)速的增加，擋風(fēng)墻的最優(yōu)高度是減小的。在某種沙塵環(huán)境下，頭車(chē)、中間車(chē)和尾車(chē)所確定的擋風(fēng)墻最優(yōu)高度均隨著擋風(fēng)墻距離的增加而增加。

綜合在各種沙塵環(huán)境下3節(jié)車(chē)的最優(yōu)值，車(chē)速為275 km/h情況下?lián)躏L(fēng)墻位置分別為3.5，3.8，4.2和4.5 m時(shí)對(duì)應(yīng)的最優(yōu)高度分別是4.14，4.27，4.42和4.52 m。對(duì)這幾對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到擬合曲線及相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。擋風(fēng)墻最優(yōu)距離和高度近似成二次多項(xiàng)式關(guān)系。經(jīng)驗(yàn)證，其他的擋風(fēng)墻高度和距離最優(yōu)組合點(diǎn)均在該擬合曲線附近。

同理可得到車(chē)速為200 km/h和350 km/h的擬合曲線，如圖11所示。

圖11　擋風(fēng)墻最優(yōu)高度和最優(yōu)距離的擬合曲線Fig.11 Fitted curves of optimal heights and distances of wind-break wall

可見(jiàn)擋風(fēng)墻最優(yōu)高度和距離近似成二次多項(xiàng)式關(guān)系。當(dāng)車(chē)速增加或降低時(shí)，最優(yōu)擋風(fēng)墻的高度也要適當(dāng)增加或降低。綜合擋風(fēng)墻最優(yōu)高度、最優(yōu)距離和車(chē)速之間的關(guān)系，得到表達(dá)式：

h=1.424+1.282×10-2v-0.173 3d-2.147×

10-5v2+8.002×10-4vd+0.050 61d2

(1)

式中:h為最優(yōu)擋風(fēng)墻高度，m；v是車(chē)速，km/h；d為最優(yōu)擋風(fēng)墻距離,m。

車(chē)速200 km/h及擋風(fēng)墻的距離為5.7 m時(shí)，根據(jù)式(1)可得到最優(yōu)擋風(fēng)墻高度為4.70 m，而文獻(xiàn)[13]未考慮沙塵影響下得到擋風(fēng)墻合理高度為4.0 ～4.5 m時(shí)可保證列車(chē)安全運(yùn)行(環(huán)境風(fēng)速小于25 m/s)。由此可見(jiàn)，在沙塵暴環(huán)境下?lián)躏L(fēng)墻的最優(yōu)高度應(yīng)有所增加。

3　結(jié)論

1)在沙塵環(huán)境和無(wú)沙塵環(huán)境下，列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中所受的氣動(dòng)力有所不同，在研究擋風(fēng)墻設(shè)置參數(shù)時(shí)，有必要考慮沙塵環(huán)境對(duì)列車(chē)產(chǎn)生的影響。在沙塵暴環(huán)境下，擋風(fēng)墻的最優(yōu)高度應(yīng)有所增加。

2)擋風(fēng)墻距離固定時(shí)，隨著擋風(fēng)墻高度的逐漸增加，列車(chē)由向背風(fēng)側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)橄蛴L(fēng)側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)；擋風(fēng)墻高度固定時(shí)，隨著擋風(fēng)墻距離的逐漸增加，列車(chē)由向迎風(fēng)側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)橄虮筹L(fēng)側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)。

3)擋風(fēng)墻高度一定時(shí)，隨著列車(chē)運(yùn)行速度的提高，擋風(fēng)墻的最優(yōu)距離減少，隨著沙塵暴等級(jí)的提高，擋風(fēng)墻的最優(yōu)距離增加。

4)擋風(fēng)墻距離一定時(shí)，隨著列車(chē)運(yùn)行速度的提高，擋風(fēng)墻的最優(yōu)高度增大，而隨著沙塵暴等級(jí)的提高，擋風(fēng)墻的最優(yōu)高度降低。

5)固定車(chē)速下，擋風(fēng)墻最優(yōu)高度和距離近似成二次多項(xiàng)式關(guān)系。擬合最優(yōu)高度、最優(yōu)距離和車(chē)速之間的關(guān)系，得到表達(dá)式：

h=1.424+1.282×10-2v-0.173 3d-2.147×

10-5v2+8.002×10-4vd+0.050 61d2

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Influence of sandstorms on the setting of wind-break wall of high-speed railway

NIU Bo, DU Liming

(Province Key Lab of Vehicle Engineering Advanced Technology, Dalian Jiaotong University,Dalian 116028, China)

Sandstorm has a serious influence on the safe operation of a train. In order to ensure the safety, wind-break wall is a necessary measure. Based on the Eulerian two-fluid model and the lower atmospheric boundary layer crosswind model, a numerical simulation method was used to stimulate how sandstorms impacted on the setting of wind-break wall, such as the height and the distance, when a high-speed train traveled at different speeds and under different levels of sandstorms. The results show as follows: compared with only wind conditions, aerodynamic forces of a train affected by sandstorms are different, after considering the effect of sand, overturning moment increases. Therefore the effect of sandstorms should be considered in the research. Optimal height should be increased after consideration of it. When the distance is settled, the train turns from leeward side to windward side as the wall’s height increases. When the height is settled, the train turns from windward side to leeward side with the increase of the wall’s distance. When the distance is settled, the optimal height of the wind-break wall increases with the increased speed of the train, but decreases with the increased levels of sandstorm. When the height is settled, the optimal distance increases with the increased speed of the train, but decreases with the increased levels of sandstorm. And there is a quadratic relationship between the optimal heights and distances of wind-break wall.

railway engineering; wind-break wall; numerical simulation ;high-speed train; sandstorm

2016-03-29

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11202043)

杜禮明(1972-)，男，湖北黃岡人，教授，博士，從事機(jī)車(chē)車(chē)輛流體動(dòng)力學(xué)研究：E-mail:dulm@vip.sina.com

U216.413；U271.91

A

1672-7029(2016)08-1457-09