高速铁路高架桥挡风墙高度和距离优化分析

高速铁路高架桥挡风墙高度和距离优化分析摘要：为了研究挡风墙对列车横向气动性能的影响，基于可压缩粘性流体Navier-Stokes方程和k-ε两方程湍流模型,采用有限体积法计算了列车在直线和不同半径曲线高架桥上运行时，不同挡风墙高度和距离的275种工况下列车侧向力和侧翻力矩，获得了最佳挡风墙高度和距离。

研究结果表明，车速为200～400km/h，风速为20～40m/s条件下，列车在直线高架桥运行的最佳挡风墙高度和距离分别约为2.40m和3.90m；当弯道半径为1000～7000m时，曲线高架桥最佳挡风墙高度随弯道半径的增大线性减小，最优挡风墙距离与弯道半径关系不大，约为4.50m；风速和车速对挡风墙的最佳高度和最优距离影响很小；如果挡风墙高度过低或距离过近，头车所受侧向力和侧翻力矩方向与尾车相反。

关键词：高速列车；空气动力学；数值模拟；高架桥；挡风墙最佳高度和距离中图分类号: U27；V211 文献标志码: AOptimization analysis of the height and distance of the shelter wind wall forviaduct of high speed railwayAbstract: Based on the Navier-Storkes equations of viscous compressible fluid and the k-ε two-equation turbulent mode, the side forces and rolling moments of trains were calculated by means of the finite volume method. The effect of shelter wind walls on transverse aerodynamic forces acting on trains was investigated, and the optimal heights and distances of walls were obtained. There were 275 cases including the straight viaduct and different radius curve viaduct with different heights and distances of walls. The research results show that, the best height and distance of shelter wind walls on the straight viaduct are about 2.40m and 3.90m respectively under 200~400km/h train speeds and 20~40m/s transverse wind speeds. When the train runs on the curve viaduct with 1000~7000m radius, the optimal height decreases linearly with the increase of the radius, meanwhile the best distance is about 4.50m with little relation to the radius. Wind speeds and train speeds have a few effects on the best height and distance of walls. If the wall height is too low or the distance is too close, the direction of side forces and rolling moments acting on the head and rear train are reverse.Key words: high speed train; aerodynamics; numerical simulation; viaduct; the optimal height and distance of the shelter wind wall近年来，我国的高速铁路建设得到了快速发展。

在高速铁路经过的区域，道路纵横交错且土地资源十分宝贵，高架桥已成为高速铁路建设中的典型路况形式。

据统计，我国在建和拟建的高速铁路中有70％以上的承载结构为图1 铁路高架桥高架桥（图1）。

列车在高架桥上运行时如果受到强横风作用，很容易脱轨或倾覆。

因横风导致的行车安全事故在世界各国时有发生[1-3]，很多国家都曾发生过强风将列车吹至桥下的事件，因此铁路高架桥防风问题尤为突出[4-7]。

为保障列车在高架桥上能安全行驶，国内外多采取建造挡风墙以抵挡横风对列车运行的影响，实践证明挡风墙是行之有效的防风措施。

高架桥挡风墙的设计主要包含四个方面的问题：（1）结构形式；（2）透风率；（3）高度；（4）距轨道中心距离。

从减少列车所受横风作用力角度讲，挡风墙的透风率、高度和距离是最重要的影响因素。

本文讨论在一定透风率前提下，后两个因素对列车横向作用力的影响。

我国的研究人员对直线桥梁上列车的气动性能以及挡风墙的设置已经进行了不少研究，例如文献[8-10]研究了不同高度直线桥梁上列车的气动性能；文献[11-14]采用三维模型计算了直线桥梁上挡风墙的高度、距离和透风率对列车气动性能的影响。

但是高架桥与通常的跨河桥梁有所不同，一是长度很长，可能持续数公里或数十公里；二是会出现大规模弯道。

而到目前为止，这些研究并未得出一致的桥梁挡风墙最佳高度与最优距离，同时，研究横风作用下直线桥梁上运行列车的居多，研究曲线高架桥上运行列车的较少。

与直线高架桥相比，列车运行在侧向力与离心力叠加的曲线高架桥上，所受气动力有显著改变。

关于高速列车在不同半径曲线高架桥运行时的横向气动性能，国内尚未见到相关文献。

随着我国高速铁路的快速发展，研究不同车速，不同风速条件下直线和不同半径曲线高架桥上挡风墙的最佳高度和最优距离问题显得尤为重要。

横风作用下高速列车与挡风墙之间存在相对运动，目前国内外通常采用稳态模拟对列车所受横风载荷进行分析，即列车静止。

这里采用移动网格对高速列车的运行过程进行数值计算，合理模拟列车与挡风墙之间的运动关系，通过分析不同风速、不同车速条件下，列车在直线和不同半径曲线高架桥上运行时挡风墙对列车横向气动力（矩）的影响，试图获得挡风墙的最佳高度和最优距离，以期为高速铁路高架桥挡风墙的设计提供参考。

1 数值计算模型1.1 模型的简化与假设（1）、列车周围流场的雷诺数R>106，空气流动处于紊流状态，采用k-ε两方程紊流模型模拟列车周围紊态流场。

描述列车周围空气流动的控制方程组具体形式见参考文献[15]；（2）、将列车缩减为三节（头车、中间车和尾车），缩短后的列车模型与完整的列车模型相比，流场基本特征变化不大，这是目前国内外处理高速列车问题的常用简化手段；（3）、桥墩相对于高架桥整体尺寸来说较小，对列车周围流场的影响不大，可以忽略；（4）、综合考虑车辆运行时的稳定性、挡风墙所受侧向力、大风吹过挡风墙时的啸叫问题以及挡风墙对车辆运营视觉效果的影响等因素，挡风墙透风率选取20％～30％较为合理[11-13]。

因此模型采用20％等效透风率的挡风墙，其结构为与梁体连接式结构；（5）、直线高架线路，横风以垂直角度作用在车体上时列车所受横向气动载荷最大；曲线高架线路，横风从内轨以90°方向吹向外轨时，与列车运行离心力方向相同，车体所受横向作用载荷最大。

此时为列车运行最危险的情况，因此对横风风向简化如下：横风始终以垂直角度吹在列车车体上。

严格来讲列车所受横风是随时间和空间变化的，但是研究列车的横向作用载荷通常只关注列车所受最大侧向力和侧翻力矩，所以计算时横风按均匀来流处理，同时曲线高架桥路况考虑了轨道的超高。

1.2 计算模型与计算区域列车模型由头车(25.7m)+中间车(25m)+尾车 (25.7m)组成，头车和尾车具有相同的外形，与国产CRH2高速列车头形基本相同。

为了分析对比列车通过直线和不同半径曲线高架桥时的最佳挡风墙高度和距离，设计了直线和4种不同弯道半径的曲线高架线路。

计算域的选取采取了试算分析的方法确定，以流场范围包括列车运行主要的影响区为判据。

图1为直线高架桥计算区域简图。

1.3 计算网格与边界条件直线与曲线模型均采用六面体结构网格对计算区域进行划分, 考虑表面附面层对计算结果的影响，列车及挡风墙近壁面的网格进行了加密处理，远离列车及挡风墙的网格较稀，密网格和稀疏网格之间以一定的增长因子均匀过渡，计算区域总网格数约为400万。

图2为曲线高架桥计算模型局部网格图。

横风入口BDFH为速度入口边界条件，设定Y正方向速度为横风速度；列车表面为移动壁面边界条件，按列车运行速度给定X正方向的速度；桥面为无滑移壁面边界条件；其它边界设置为压力出口边界条件，静压为0。

计算分析利用StarCD软件完成，采用目前应用最广泛且较成熟的有限体积法对方程求解，用SIMPLE算法解决压强-速度耦合关系。

图2 直线高架桥计算区域简图图3 曲线高架桥计算模型局部网格图2 计算结果分析2.1 不同高度挡风墙时的列车流场分析横风作用下列车的稳定性主要取决于侧翻力矩。

受篇幅所限，这里仅从直线高架桥条件下中间车车体周围压力分布图（图4）,分析不同高度挡风墙下车体受到的气动力。

（a）挡风墙高2.0m (b) 挡风墙高2.5m (c) 挡风墙高3.0m图4 不同高度挡风墙车体周围压力分布图从图4可知，当挡风墙的高度较低时，车体迎风面和背风面均为负压，但背风面负压大于迎风面，车厢有向远离挡风墙方向倾倒的趋势；随着挡风墙高度的增加，车体迎风面负压增大，背风面负压减小。

当挡风墙足够高时，车体迎风面气体压力的合力会小于背风面气体压力的合力，车厢有向挡风墙一侧倾倒的趋势。

因此，当挡风墙在某一高度时，有可能使车体两侧气体压力基本相等，车厢所受横风载荷接近于零。

挡风墙距离改变时，车体表面压力的变化规律也会出现类似情况。

所以我们可根据一定横向风速条件下，计算分析的车厢所受横风载荷最小工况，确定挡风墙的最佳高度与最优距离。

2.2 直线高架桥最优挡风墙高度与距离分析计算分析了v=200，300，400km/h三种车速，u＝20，25，30，35，40m/s 五种风速条件下，三种挡风墙高度（2.0m，2.5m，3.0m）和三种挡风墙距离（3.5m，4.0m，4.5m），运行列车所受侧向力与侧翻力矩。