穆 鑫

(中國鐵路總公司機輛部，北京 100844)

接觸網(wǎng)與受電弓的良好接觸是保證列車安全運行的關(guān)鍵，但由于接觸網(wǎng)線長點多，其空間姿態(tài)、位置和連接狀態(tài)都會受環(huán)境風的影響，當風速變化劇烈時，受電弓振動加劇[1-3]，影響正常受流。在蘭新鐵路，部分線路處于我國風害最嚴重的地區(qū)，風區(qū)總長度500 km以上，尤其是百里、三十里風區(qū)，大風頻繁、風力強勁且變化劇烈，最大瞬時風速超過64 m/s[4-5]。為確保列車順利通過大風區(qū)，通常需要對特殊線路結(jié)構(gòu)采取防風措施，如對路堤、橋梁迎風側(cè)加擋風墻(擋風屏)等[6]。擋風墻的設置，雖然可以改善列車的氣動性能[7-11]，但改變了接觸網(wǎng)附近的風場，會使接觸網(wǎng)產(chǎn)生風致振動[12]，特別是在防風過渡段，自然風與列車風相互耦合，使接觸網(wǎng)及承力索附近風場變化更加復雜。因此，需要對防風措施對接觸網(wǎng)處風場的影響進行深入研究，為防風過渡段設計提供依據(jù)。

國外對接觸網(wǎng)防風穩(wěn)定性的研究較早，Bocciolone等[13]基于一種簡化的受電弓模型，考慮在高速氣流下受電弓雙滑板尾流的影響，研究表明受電弓氣動特性對弓網(wǎng)接觸壓力及受流有很大的影響。Pombo等[14]采用有限元和多體動力學方法建立接觸網(wǎng)和受電弓模型，采用Von Karman功率譜密度函數(shù)模擬數(shù)值風場，并將橫風作為時變非線性外載荷分別施加到受電弓和接觸網(wǎng)上，研究結(jié)果表明：橫風會增加受電弓的抬升力，接觸壓力波動更加劇烈，弓網(wǎng)受流惡化。在國內(nèi)，李燕飛[15]通過數(shù)值模擬，研究了蘭新線橫風作用下車輛及弓網(wǎng)的氣動性能。王迎波[16]以蘭新線上強風區(qū)段接觸網(wǎng)的四跨絕緣錨段關(guān)節(jié)為研究對象，分析不同脈動風下結(jié)構(gòu)參數(shù)對接觸網(wǎng)系統(tǒng)防風性能的影響，并提出接觸網(wǎng)可靠性評價方法及標準。施成華等[17]采用三維數(shù)值模擬方法對高速列車在隧道內(nèi)運行過程中所產(chǎn)生的列車風速度變化過程進行分析，計算隧道內(nèi)不同位置的最大風速和最大風壓，并對接觸網(wǎng)懸掛件進行安全性分析。陳榮[18]利用STAR-CD軟件建立列車過隧道的縱斷面動網(wǎng)格模型，分析不同列車運行速度及外形條件下接觸網(wǎng)高度處的流場特性，并將接觸線高度處的風速轉(zhuǎn)化為作用力，加載到接觸線節(jié)點上，對接觸線的偏移量進行分析。從上述研究現(xiàn)狀可以看出，目前僅對特定線路下接觸網(wǎng)的氣動特性進行研究，而對防風過渡段處接觸網(wǎng)的氣動特性研究較少。

本文根據(jù)蘭新鐵路線路的實際結(jié)構(gòu)，列車以250 km/h和350 km/h在30 m/s自然風條件下運行為例，研究隧道與路堤相連處防風過渡段接觸網(wǎng)的風場特性，分析過渡段擋風墻對接觸網(wǎng)風場特性的影響，為防風過渡段設計及列車的安全運行提供一定的參考依據(jù)。

1 列車及線路模型

本文模型選取CRH2型高速列車，車頭車長度25.7 m，中間車長25 m，車體寬3.38 m，高3.7 m。列車運行速度為250 km/h。根據(jù)高速鐵路設計規(guī)范確定隧道橫截面積為92 m2的單洞雙線隧道，隧道口通常為垂直型(明洞)或斜切型(隧道)，斜切形隧道入口如圖1所示。隧道與路堤過渡段如圖2所示，其中路堤高5 m，雙側(cè)擋風墻高度為3 m。擋風墻內(nèi)側(cè)距線路中心5.7 m且直接延伸至隧道洞口。

圖1 斜切型隧道口結(jié)構(gòu)圖圖2 隧道口與路堤擋風墻過渡段

2 防風過渡段風場數(shù)值計算模型與方法

2.1 流場控制方程與數(shù)值計算方法

高速列車沿地面高速運行，由于車頭的擠壓、車身的摩擦及車尾的吸引，帶動列車周圍空氣隨之運動，形成具有強烈脈動效應的列車風[19]。列車風具有典型的三維、非穩(wěn)態(tài)、湍流、黏性流動特征。根據(jù)質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律，可以得到高速列車周圍流場的通用控制方程[20-21]

( 1 )

式中：ρ為流體密度；φ為流場中某一參數(shù)；U為空氣流速，U=Ur+Ug，Ur為相對速度，Ug為遷移速度；Γφ稱為廣義擴散系數(shù)；Sφ稱為廣義源項。φ、Γφ以及Sφ分別取不同的值，式( 1 )即表示不同的控制方程：當φ=1,Γφ=0,Sφ=0時，式( 1 )為連續(xù)性方程；當φ=u,v,w時，式( 1 )為動量方程；當φ=e時，式 ( 1 )為能量方程;當φ=k、ε時，式( 1 )為k方程和ε方程。

式( 1 )是一組非常復雜的非線性偏微分方程，通常需采用數(shù)值計算方法求解。本文選取有限體積法(FVM)離散方程組( 1 )，采用PISO算法求解線性方程組，應用移動網(wǎng)格技術(shù)實現(xiàn)列車的運動[20]。

2.2 計算模型

本文應用大型流體力學計算軟件STAR CCM+計算列車周圍的流場。為分析不同隧道口結(jié)構(gòu)及防風過渡段設置對接觸網(wǎng)周圍風場的影響，分別建立無擋風墻的隧道與路基、斜切型隧道口與5 m高路堤(含雙側(cè)3m擋風墻)以及垂直型隧道口與5 m高路堤(含雙側(cè)3 m擋風墻)三種模型，如圖3所示。

圖3 計算模型

2.3 計算網(wǎng)格及邊界條件

以斜切型隧道與5 m高路堤過渡段為例，計算網(wǎng)格如圖4所示。采用六面體網(wǎng)格，近壁面區(qū)域網(wǎng)格設置邊界層。

圖4 網(wǎng)格劃分

對于邊界條件，列車前后方、計算域頂部及垂直列車運行方向(自然風方向)均設置速度入口邊界，速度大小及方向與自然風相同，路堤、擋風墻、隧道及車身均為墻體邊界。由于擋風屏較薄，表面均勻分布氣孔，將其簡化為厚度可忽略的多孔擋板。

2.4 風洞實驗及數(shù)值計算方法驗證

為驗證上述計算模型及方法準確性，進行風洞實驗并分析過渡段風場特性。實驗在西南交通大學XNJD-3風洞中進行，隧道及車體模型布置如圖5(a)所示，列車截面模型尺寸如圖5(b)所示。風洞斷面尺寸為22.5 m×4.5 m(寬×高)，模型比例為1∶20，路堤的模型總長為7 m，擋風墻模型高度0.175 m。實驗中隧道洞口采用垂直形狀，隧道模型長3 m，模型車長2.5 m。實驗來流名義風速為6 m/s。模型具體尺寸如圖5(c)和圖5(d)所示。

圖5 模型尺寸(單位：mm)

2.4.1測點布置

由于過渡段流場變化顯著，分別對承力索(距軌面0.32 m)及接觸網(wǎng)(距軌面0.265 m)處6列測點進行風速測量。監(jiān)測點布置如圖6(a)所示，風速采用眼鏡蛇多孔探針風速儀測量，該風速儀探針頭部包括4個小孔，可測量監(jiān)測點3個方向的風速，采用支架固定，并可根據(jù)測點位置調(diào)整，如圖6(b)所示。

圖6 測點布置(單位：mm)

2.4.2試驗結(jié)果及與數(shù)值計算的對比

根據(jù)圖6建立過渡段風場計算模型，擋風墻、接觸網(wǎng)及承力索處三方向風速與合成風速的數(shù)值計算與實驗結(jié)果的對比如圖7所示。從圖7中可以看出：數(shù)值模擬結(jié)果與風洞試驗結(jié)果分布規(guī)律相同，相對誤差在15%以內(nèi)，表明上述仿真模型是可行的。

圖7 計算與實驗對比(擋風墻高度0.175 m)

3 隧道與路堤相連處防風過渡段接觸網(wǎng)風場特性計算結(jié)果

為對比防風設施、防風過渡段隧道口結(jié)構(gòu)對接觸網(wǎng)處風場特性的影響，本文分別對無擋風墻和有雙側(cè)3 m擋風墻過渡段的風場進行計算，其中擋風墻的過渡段隧道口分別為斜切型和垂直型兩種結(jié)構(gòu)。

3.1 無擋風墻風場特性

(1)隧道口

當列車以250 km/h速度運行時，隧道口與路基相連處列車周圍的速度分布如圖8所示。從圖8中看出，由于受列車風及自然風的共同作用，列車頂部迎自然風一側(cè)速度較高，而背自然風一側(cè)速度較低。

圖8 列車周圍流場分布

隧道口線路中心上方不同高度處監(jiān)測點各方向速度變化規(guī)律如圖9所示。圖中x為列車運行方向(即與線路平行的方向)，y為豎直高度方向，z為垂直列車的水平方向。從圖9中看出，列車初始在隧道內(nèi)運行，當列車未到達監(jiān)測點附近時，接觸網(wǎng)附近風速基本保持不變，為自然風與隧道活塞風的共同作用。而當列車經(jīng)過監(jiān)測點時，由于列車頭、尾部的繞流作用，導致沿列車運行方向的速度呈現(xiàn)了先減后增大再減小的變化規(guī)律。在豎直方向，由于部分空氣被抬升，使速度不斷增大，當車尾經(jīng)過監(jiān)測點之后，受列車尾渦影響，風速不斷減小直至列車遠離監(jiān)測點后速度再次增大并趨于穩(wěn)定。在垂直列車的水平方向，當列車未經(jīng)過時，監(jiān)測點的風速主要為自然風速，而當列車經(jīng)過時，受來流經(jīng)過車身的繞流作用，使z方向速度急劇增大，直至列車逐漸遠離監(jiān)測點后，風速減小并最后趨于穩(wěn)定。對于監(jiān)測點的合成速度，主要受z方向的影響，其變化規(guī)律與z方向速度基本一致。

圖9 隧道口處線路中心上方的速度變化(無擋風墻)

(2)過渡段

當列車以250 km/h速度運行時，過渡段線路中心上方不同高度處監(jiān)測點各方向速度計算結(jié)果，如圖10所示。由圖10可見，在x方向：當列車到達監(jiān)測點前，速度基本不變，當車頭經(jīng)過監(jiān)測點時，在列車風的作用下，風速不斷增大，直到車頭遠離監(jiān)測點后，速度逐漸衰減并趨于穩(wěn)定，當車尾經(jīng)過監(jiān)測點時，速度再次增大，隨著列車遠離監(jiān)測點，風速再次衰減并逐漸趨于穩(wěn)定。在y方向：列車到達前，速度基本不變，車頭經(jīng)過監(jiān)測點時，推動空氣向前流動，一部分空氣向列車前進方向及列車兩側(cè)擴散，一部分空氣被抬升，使速度不斷增大，列車風與自然風耦合，使速度較列車到達前增大，車尾到達監(jiān)測點時，速度又不斷減小，主要是列車尾部漩渦所致，當列車完全遠離監(jiān)測點，速度逐漸趨于穩(wěn)定并恢復至原來只受自然風影響時的值。在z方向：列車到達前，只受側(cè)風影響，速度基本不變，列車經(jīng)過監(jiān)測點后，橫風經(jīng)過車身繞流作用，氣流在列車頂部發(fā)生分離，并在車身頂部上方出現(xiàn)加速，因此監(jiān)測點速度不斷增大，隨著車頭遠離監(jiān)測點后，速度趨于穩(wěn)定，直到車體完全遠離監(jiān)測點，速度再衰減至原來只受橫風影響時的風速值。同理，由于z方向為自然風速，合成速度仍主要由z方向速度決定，其變化規(guī)律也與z方向速度一致。

圖10 過渡段風速變化規(guī)律

3.2 含雙側(cè)3 m擋風墻風場特性

(1)隧道口

當列車以250 km/h速度運行時，隧道與5 m高路堤相連線路結(jié)構(gòu)、路堤雙側(cè)設3 m高擋風墻時隧道口列車周圍的流場分布如圖11所示。作為例子，圖11給出的是斜切型隧道口附近列車周圍的流場分布。從圖11中可以看出，由于路堤護坡的導流作用，當氣流到達坡頂時，與上層氣流匯聚，風速明顯增大。

圖11 斜切型隧道口列車周圍流場分布

圖12 斜切型隧道口速度變化規(guī)律

圖13 垂直型隧道口速度變化規(guī)律

斜切型及垂直型隧道口線路中心上方不同高度處監(jiān)測點各方向速度變化規(guī)律分別如圖12和圖13所示。由圖12可見，對于斜切型隧道口，在列車運行方向：當列車到達時，由于受列車頭部列車風的影響，監(jiān)測點處的風速先增大后減?。卉嚿斫?jīng)過監(jiān)測點整個過程時，速度基本保持不變，當車尾經(jīng)過監(jiān)測點時，受車尾繞流的影響，風速先減小后增大；直到車尾遠離監(jiān)測點后，活塞風速逐漸衰減，使得監(jiān)測點風速趨于穩(wěn)定。在豎直方向：同樣由于車頭繞流的影響，車頭及車尾經(jīng)過時也均呈現(xiàn)了先增大后減小的變化規(guī)律。在垂直列車的水平方向：當列車頭部到達監(jiān)測點時，由于受列車繞流的影響，列車風與自然風耦合，使監(jiān)測點風速度先減小后增大，而當車尾經(jīng)過時，受尾部繞流及隧道結(jié)構(gòu)的影響，也呈現(xiàn)了先減小后增大的變化規(guī)律。隨著列車逐漸遠離監(jiān)測點后，風速減小并最后趨于穩(wěn)定。合速度的大小主要受z方向的速度影響，其變化規(guī)律與z方向速度基本一致。

由圖13中可見，對于垂直型隧道口，由于隧道口對自然風的影響較小，隧道口處的風場為列車風與自然風的疊加，x，y，z三個方向及合成速度變化規(guī)律呈單峰值性。

(2)過渡段

當列車以250 km/h速度運行時，斜切型及垂直型隧道口過渡段線路中心上方監(jiān)測點風速的變化規(guī)律分別如圖14和圖15所示。由圖14可以看出，在列車運行方向：車頭經(jīng)過監(jiān)測點時，在列車風的作用下，風速不斷增大，直到車頭遠離監(jiān)測點后，速度又逐漸衰減；當車尾經(jīng)過監(jiān)測點時，速度再次增大，受擋風墻影響，幅值略大于受車頭影響的幅值；隨著列車遠離監(jiān)測點，風速再次衰減并逐漸趨于穩(wěn)定。在豎直方向：車頭經(jīng)過監(jiān)測點時，推動空氣向前流動，一部分空氣向列車前進方向及列車兩側(cè)擴散，一部分空氣被抬升，使速度不斷增大；車尾到達監(jiān)測點時，受尾渦影響，速度又不斷減小，當列車完全遠離監(jiān)測點，速度逐漸趨于穩(wěn)定并恢復至原來只受自然風影響時的值。在垂直列車的水平方向：當列車到達監(jiān)測點時，向兩側(cè)排開的空氣與側(cè)向來流匯合，即列車風與自然風耦合，使得該方向速度減小，隨著車頭的遠離，速度又增大并趨于穩(wěn)定；當車尾經(jīng)過監(jiān)測點時，速度又增大，主要是尾部漩渦所致，隨著列車逐漸遠離監(jiān)測點后，風速再次衰減并最后趨于穩(wěn)定。合速度主要由z方向速度決定，其變化規(guī)律與z方向速度基本一致。

對比圖14和圖15可以看出，在過渡段，隧道口結(jié)構(gòu)對過渡段風速變化規(guī)律影響不大，在兩種隧道洞口結(jié)構(gòu)型式下，過渡段接觸網(wǎng)風速變化規(guī)律相似。

圖14 過渡段風速變化規(guī)律(斜切型隧道口)

圖15 過渡段風速變化規(guī)律(垂直型隧道口)

3.3 防風過渡段對接觸網(wǎng)處風速的影響分析

從上述計算結(jié)果可以看出：在路堤上設置擋風墻，不僅改變接觸網(wǎng)處風速的變化規(guī)律，而且影響風速的峰值。為進一步分析在列車從隧道進入過渡段整個過程中接觸網(wǎng)處的風速峰值變化規(guī)律，表1和表2為隧道口、過渡段處接觸網(wǎng)(5.3 m)及承力索(6.4 m)高度各方向速度峰值。從表1和表2可以看出，接觸網(wǎng)高度處，在列車運行方向：無論出口是否設有擋風墻，在列車駛出隧道的過程中接觸網(wǎng)處的速度峰值在隧道口處增大，到達過渡段后降低，這主要是由于列車駛出隧道后進入相對敞開的大氣環(huán)境，使該方向的風速降低；對比有無擋風墻的速度峰值計算結(jié)果還可以看出，有擋風墻的斜切型隧道口處速度增幅達到50%以上，垂直型隧道口接觸網(wǎng)風速增加約20%。在豎直方向：無擋風墻時，列車在駛出隧道過程風速變化規(guī)律與列車運行方向相似，即先增大后減??；當有擋風墻時，斜切型隧道口接觸網(wǎng)處的速度峰值先減小后增大，垂直型隧道口接觸網(wǎng)處的速度峰值則先增大后減小。對于垂直列車的水平方向及合成速度，無擋風墻時，由于受自然風與列車繞流的共同作用，列車駛出隧道的過程中接觸網(wǎng)處速度峰值迅速逐漸增大，特別是從隧道口到過渡段，風速依然在增加；有擋風墻時，垂直列車的水平方向速度峰值先增大后減小，特別是對于斜切型隧道口，該方向及合成速度在過渡段降低明顯。由此可見，3 m高的通透型擋風墻，對于降低接觸網(wǎng)處的風速大小是有幫助的。

表1 接觸網(wǎng)(5.3 m)處不同位置的速度峰值 m/s

表2 承力索(6.4 m)處不同位置的速度峰值 m/s

對于承力索高度處，無擋風墻時各方向速度的變化規(guī)律與接觸網(wǎng)高度處相同，但有擋風墻時豎直方向的風速變化規(guī)律與接觸網(wǎng)處不同，速度逐漸增大。此外，對比表1及表2的結(jié)果還可以看出，在斜切型隧道口雙側(cè)加裝3 m擋風墻時，防風過渡段接觸網(wǎng)及承力索附近的風速均較低。

4 結(jié)論

本文通過對蘭新鐵路隧道與路堤相連處防風過渡段接觸網(wǎng)風場特性，得出如下結(jié)論：

(1)在隧道口與5 m高路基雙側(cè)設3 m高通透型擋風墻，可以使接觸網(wǎng)附近的風速變化平緩，速度峰值降低，使過渡段接觸網(wǎng)附近的風場特性得到改善。

(2)在隧道口位置，由于受路堤護坡及擋風墻的繞流作用，導致垂直列車的水平方向速度增大，可見，當列車從隧道內(nèi)行至隧道口時，受電弓處的風速發(fā)生突變，可能影響受電弓的安全性。

(3)在列車從隧道駛出進入防風段的整個過程中，接觸網(wǎng)處的風速變化較為劇烈，各方向的變化規(guī)律又不盡相同，這不僅影響接觸網(wǎng)自身的安全，而且影響受電弓的氣動特性，應在實際受電弓安全性分析中予以考慮和重視。