风屏障开孔形式对车桥系统气动特性影响的数值研究

王玉晶， 徐学翔， 管青海， 刘睿

(1.山东建筑大学交通工程学院， 济南 250101； 2.中国交通建设股份有限公司， 北京 100088)

随着中国高铁时代的到来，列车运行速度不断地提高，由此引起的列车安全性也越来越受到人们的关注[1-2]。横风是制约列车提速以及影响列车运行安全性的主要因素，为了保证列车的运行安全，目前较常用的措施是在路堤段设置挡风墙，在桥梁段安装风屏障。其中空隙式风屏障得到很多研究者的青睐，它不但可以为列车提供一个较低的风速安全域，还可以减小桥梁的重量，因此应用广泛[3]。

近年来，中外学者针对风屏障的形式和挡风作用开展了广泛的研究，目前常用的方法主要有风洞试验和数值模拟。苏洋等[4]提出了一种新的多孔型风屏障的二维等效透风率模拟方法，并透风率对流场及风荷载的影响。韩旭等[5]通过阶段模型试验对全封闭声屏障的三分力和表面风压进行了测试。刘叶等[6]对采用风洞试验方法对侧风作用下平层公铁桥梁-列车-风屏障系统进行了研究，分析了风屏障在不同风偏角下倾覆力矩系数的折减系数。徐昕宇等[7]测试了安有不同透风率的风屏障时的车桥系统气动特性，分析了风屏障的防风效果。也有一些学者采用数值模拟的方法进行了研究。雷卿等[8]基于数值模拟方法分析了百里风区吾普尔大桥挡风片的遮蔽效应特性。周蕾等[9]分析了桥型和风屏障透风率对车桥气动特性及流场影响，揭示了风屏障对车桥系统气动特性的影响机理。Gu等[10]研究了风屏障的遮蔽性能和不同风屏障弯曲角度时的风场。Mohebbi等[11]研究了高速轨道旁的多孔风屏障对高速列车模型的影响。Buljac等[12]分析了风障对大跨度桥梁横断面气动特性和气弹特性的影响，以及桥面断面周围的流动特性。但已有研究大多考虑了风屏障高度、透风率及安装位置等因素对防风效果的影响，均未考虑风屏障的开孔形状的影响，并且没有考虑车体形状对车辆气动特性的影响。

为此，基于计算流体力学理论，采用Star CCM+软件建立了全尺寸的CRH2型高速列车模型和简支箱梁模型，对装有不同形式风屏障的车桥系统的风场进行模拟，分析了不同开孔形式下的流场和车体形状对车辆气动特性的影响。根据不同开孔形式风屏障的挡风效率，为不同车辆模型以及车辆位于不同位置时的风屏障选型提供建议。

图1 兰新铁路沿线风区分布Fig.1 Illustration of wind zones along Lanzhou-Xinjiang railway

1 计算模型

1.1 工程背景

20世纪60年代建成的兰新铁路横跨甘肃、新疆，穿越百里风区、三十里风区、安西风区、烟墩风区、达坂城风区五大风区(图1)。由大风导致的列车脱轨、倾覆事故时常发生，并且造成了巨大的经济损失和人员伤亡。桥梁模型为位于大风区的兰新第二双线，该线依然横穿五大风区，风区线路占全线总长的32.6%。

1.2 计算模型

选用CRH2型高速列车为车辆模型，并采用头车-中车-尾车的形式，适当简化掉风挡、转向架、受电弓等附属结构。图2为计算域尺寸和车桥模型分段示意图，头车、中车和尾车的长度分别为25.7、25、25.7 m，总长度为76.4 m。桥梁模型简化掉栏杆和轨道等结构，车辆和桥梁中间有20 cm空隙来模拟轨道结构。计算域的大小为90 m(高)×280 m(宽)×120 m(长)。桥梁和风屏障的长度与计算域的长度相同，并根据车辆的位置将桥梁和风屏障的分为三段有效计算区域：桥A段、桥B段和桥C段，分别对应头车、中车和尾车。风屏障的厚度为0.3 m，各模型尺寸在数值建模中均采用1∶1进行建模。

图2 计算域尺寸和车桥模型分段示意图Fig.2 Calculation domain size and schematic diagram of vehicle-bridge model segmentation

入口(inlet)边界条件为velocity-inlet，侧风风速取20 m/s；出口(outlet)边界条件为pressure-outlet；上边界(top)的边界条件为滑移的壁面；地面(ground)的为无滑移的壁面；车辆和桥梁表面为无滑移的壁面。

1.3 网格划分

图3 网格划分示意图Fig.3 Schematic diagram of meshing

网格质量直接关系到数值模拟的精度[13]。近壁区采用0.01 m的边界层网格以更好的模拟边界层流动情况，其他区域采用结构化的六边形网格以加快计算速度和收敛速度。如图3所示，网格划分采用六面体网格，由于车头和车尾是复杂的三维曲面结构，因此车体表面的网格尺寸最大取0.15 m，桥梁和风屏障表面网格最大尺寸为0.8 m，最小尺寸为0.1 m；分别在车辆和桥梁间的空隙和桥梁车辆和桥梁空隙网格尺寸加密为0.1 m。此外，在桥梁截面周围10 m×8 m的范围内进行网格加密，加密网格的尺寸为0.8 m。在远离车辆和桥梁的位置网格逐渐稀疏，不同的工况中，网格数量在7×106～1×107。

湍流计算模型采用 SSTk-w模型(k为湍动能，w为比耗散率)，湍流强度为0.5%,黏性系数为10。边界条件：迎风面取为速度进口边界条件, 设定来流速度为20 m/s, 对应的雷诺数为4.67×105, 背风面取压力出口边界条件, 计算域上下边界以及模型取为壁面。

1.4 气动力系数定义及模型验证

车辆在横风作用下，会产生气动侧力FD、气动升力FL和气动力矩M，将车辆和桥梁的气动三分力系数定义为

(1)

式(1)中：ρ为空气密度,取1.225 kg/m3;U为来流风速；AH为车辆在来流方向的迎风面积；AV为车辆在竖向的面积；B为车辆宽度；FD、FL和M分别为横风时车辆受的侧力、升力和力矩；CD、CL、CM分别为侧力系数、升力系数和力矩系数。

为验证本文模型网格的准确性，采用车桥系统风洞试验数据进行验证，结果如表1所示。可以看出，数值结果与试验结果都较为接近，车辆和桥梁的阻力系数误差分别为11.2%和10.5%，说明所采用的数值模拟方法可行。

表1 数值结果与试验结果的对比Table 1 Comparison of numerical and experimental results

2 开孔形式对车桥系统气动特性的影响

2.1 风屏障的开孔形式

为了充分考虑风屏障的不同开孔形式对车辆气动特性的影响，取所有风屏障的高度为4 m，开孔率为30%。图4为不同开孔形式的风屏障，风屏障的开孔方式有：格栅形、正三角形、正四边形、正五边形和圆形。所有形式的开孔面积均相同，在建模过程中以1 m×1 m的矩形为基本单元，孔洞中心与矩形单元的型心重合，以此建立沿桥梁全长的风屏障。

2.2 对不同车辆模型气动性能影响

高速列车在设计时，头部和尾部的外形表面光滑、平顺，且采用大曲面的设计，保证了头车和尾车的流线型，这与中车不同。为研究风屏障的开孔形式对头车、中车和尾车各自的影响，选取车辆位于迎风侧的风屏障-车-桥系统为研究对象进行数值分析，各车辆及其对于桥段的三分力系数分别如图5、图6所示。

图4 不同开孔形式的风屏障Fig.4 Wind barriers with different openings

图5 不同车辆的三分力系数Fig.5 Tri-component coefficients of vehicles

图5为不同风屏障开孔形式下各车辆的气动力系数。可以看出：①风屏障的开孔形式对车辆的阻力系数影响较大，且随着开孔边数的增加各车辆的阻力系数先减小后增大，开孔形式为格栅形时阻力系数最大，且开孔除圆形外，中车的阻力系数都大于头车和尾车的阻力系数；②风屏障的开孔形式对车辆的升力系数影响也较大，由于升力数值较小，导致开孔形式为三角形、四边形和圆形时的各车辆系数相差较大，这是由于来流风穿过孔洞后会在车辆迎风面的上下两个拐角处出现涡，并且不断地发生脱落，开孔形式为四边形时中车的升力系数与头

图6 不同桥段的三分力系数Fig.6 Tri-component coefficients of different bridge segments

车和尾车的升力系数符号不同，这是由于升力数值较小，数值有所波动；③各车辆的力矩系数随开孔边数的增加先减小后增加又减小，当开孔形式为格栅形时各车辆的力矩系数最大，且均为正值。当采用这五种开孔形式的风屏障时，中车的力矩系数均大于头车和尾车的力矩系数，采用格栅形式时中车比头车的力矩系数大了63.6%；④在计算车辆动力响应时，应分别计算头车、中车和尾车的三分力系数。

图6为不同风屏障开孔形式下各桥段的气动力系数。可以看出：①在横风作用下，风屏障的开孔性转对桥梁阻力系数的影响较小，且当风屏障开孔形状相同时桥梁各段的阻力系数也相近；②桥A段和桥C段较为接近，且安装这5种风屏障时，桥B段的升力系数都小于桥A段和桥C段。当采用圆形的风屏障时，两者相差最小，为0.56%。采用三角形风屏障时相差最大，为17.2%，这是由于风屏障开孔位置的影响；③桥梁各段的力矩系数随风屏障开孔边数的变化先减小后增大，开孔为五边形时力矩系数最小，安装各种风屏障时桥A段和桥C段的力矩系数都很接近，且小于桥B段的力矩系数，这是因为桥梁的迎风面积较大，气动力系数主要受本身尺寸的影响最大；④在计算桥梁动力响应时，可采用桥A段和桥C段的三分力系数。

2.3 对不同位置车辆的影响

为研究风屏障开孔形式对不同位置车辆的影响，建立了车辆位于迎风侧和背风侧的风屏障-车-桥系统模型并进行分析，如图7所示。

只考虑中车的三分力系数受线路位置和风屏障开孔形式的影响，计算结果如表2所示。

图7 车辆和桥梁的布置图Fig.7 Layout of vehicle and bridge

表2 车辆位于不同线路上时中车的三分力系数Table 2 Three-component force coefficients of the middle car when the train is on different routes

表2为车辆位于不同线路上时中车的三分力系数。可以看出：①开孔形式为格栅形时中车的三分力系数均相差较大，这是由于车辆位置不同造成的，当车辆位于背风侧线路时，风屏障和车辆中间孔隙较大，产生的涡也较大；②中车的阻力系数和力矩系数随开孔边数的增加基本呈下降趋势，位于背风侧时的中车阻力系数和力矩系数变化较缓；③位于迎风侧和背风侧的中车的升力系数随开孔边数的增加基本呈上升趋势，但开孔形式为五边形时，迎风侧中车的升力系数出现了负值，这是因为开孔形状影响了风屏障后漩涡脱落的尺寸和脱落速度；④在计算车辆动力响应时，应考虑车辆位置对三分力系数和车辆动力响应的影响。

2.4 对风屏障挡风效率的影响

在桥梁上安装风屏障之后，由于风屏障阻挡了气流，使得作用于车体上的风荷载减小。与此同时，由于风屏障和桥梁相连接，作用在风屏障的风荷载也传递给了桥梁。对于给定高度和透风率的风屏障，开孔面积相同，但是由于开孔形式不同，对风场的影响也不同，主要体现在桥梁三分力中占的比重。因此，定义风屏障的贡献率(contribution rate of wind barrier，CRWB)为

(2)

式(2)中：CRWB为风屏障的贡献率；Ftotal为风屏障和桥梁整体的三分力；FB为桥梁单体的三分力；当三分力分别取FD、FL、M时，CRWB分别对应CRWBD、CRWBL、CRWBM，其中CRWBD、CRWBL、CRWBM分别为风屏障对阻力系数、升力系数和力矩系数的贡献率。

为研究风屏障开孔形式对风屏障挡风效率的影响，选取车辆位于迎风侧时的工况进行讨论，根据式(4)分别计算不同开孔形式下桥A段、桥B段和桥C段的风屏障贡献率，结果如图8所示。

图8为5种风屏障对各段桥梁气动力的贡献率。可以看出：①风屏障对阻力的贡献率CRWBD都超过了50%，可见风屏障的存在为桥梁增加了超过50%的侧力。随着风屏障开孔边数的增加，桥A段、桥B段和桥C段的CRWBD都呈增加趋势，其中桥B段的贡献率增加最多，增加了12.2%；②随着风屏障开孔边数的增加，3个桥段的CRWBL都呈减小趋势，且当风屏障开孔形式为三角形时风屏障对升力贡献率最低；③除开孔形式为五边形的桥A段和桥B段外，风屏障对力矩的贡献率CRWBM也都超过了50%，可见风屏障的存在为桥梁增加了一半多的力矩，且CRWBM随风屏障开孔边数的变化先减小后增大，当开孔形式为五边形时CRWBM最小。综上所述，风屏障承担了桥梁一半多的阻力和力矩，增加了桥梁的不安全性。

3 开孔形式对流场的影响

风屏障开孔形式不同会直接影响作用于车体上的风压，以1.2节中的模型为研究对象，分析侧风速度为20 m/s时车体表面的风压分布。如图9所示，为了清晰看出车体表面的风压分布，将中车左侧的部分风屏障隐藏(计算时，风屏障与桥梁长度相同)。

图8 风屏障对桥梁气动力的贡献率Fig.8 Contribution rate of wind barrier to aerodynamic force of bridge

图9 不同风屏障开孔形式下的风压云图Fig.9 Wind pressure cloud diagrams under different wind barrier opening forms

图9为车桥系统在不同开孔形式风屏障下的表面风压云图。可以看出：①无论风屏障的开孔形式如何，作用在风屏障上的风压最大，且风压数值沿着风屏障高度方向逐渐减小，这是由于风在风屏障的上方发生了绕流；②另一部分来流穿过风屏障的孔洞，作用于列车上，明显可见作用于车体迎风面的压强数值为正值，但是数值明显减小，这是由于来流直接垂直作用于风屏障上后能量发生损失，风速也骤减，导致压强也突增；③风屏障和列车迎风面之间的涡流由于孔洞的存在变化异常复杂，穿过孔洞的气流在车体迎风面和顶面的交界处发生绕流且出现负值；④由图9(b)可见，风屏障开孔形式为三角形时，负压的绝对值最大，出现在列车迎风面与车顶面的交界处，其次为圆形、五边形，开孔形式为四边形时负压绝对值最小，对比列车迎风面的压强可见，安有格栅形风屏障的列车迎风面压强更加均匀些，这是由于风穿过格栅形风屏障时，沿桥梁方向的流动不受限制，只在垂向受限；⑤孔洞形式的风屏障，随着小孔边数越多，压强分布越均匀。这是由于来流风在小孔的拐角处会发生方向突变，边数增加后拐角增大，突变效果也不再明显。

4 结论

建立了不同开孔形式的风屏障-车-桥系统气动模型，采用数值方法进行了模拟，分析了开孔形式对车桥气动特性、风屏障挡风效率和流场的影响，得到以下主要结论。

(1)风屏障的开孔形式对车辆的阻力系数影响较大，且随着开孔边数的增加各车辆的阻力系数先减小后增大，开孔形式为格栅形时阻力系数最大。采用格栅形式时中车比头车的力矩系数大了63.6%。在横风作用下，风屏障的开孔性转对桥梁阻力系数的影响较小，且当风屏障开孔形状相同时桥梁各段的阻力系数也相近。

(2)中车的阻力系数和力矩系数随开孔边数的增加基本呈下降趋势，位于背风侧时的中车阻力系数和力矩系数变化较缓；在计算车辆动力响应时，应考虑车辆位置对三分力系数和车辆动力响应的影响。

(3)随着风屏障开孔边数的增加，桥A段、桥B段和桥C段的CRWBD都呈增加趋势，其中桥B段的贡献率增加最多，增加了12.2%。风屏障对阻力和力矩的贡献率CRWBD、CRWBM基本都超过了50%，风屏障承担了桥梁一半多的阻力和力矩，增加了桥梁的不安全性。

(4)风屏障开孔形式为三角形时，负压的绝对值最大，出现在列车迎风面与车顶面的交界处。对比列车迎风面的压强可见，安有格栅形风屏障的列车迎风面压强更加均匀些。孔洞形式的风屏障，随着小孔边数越多，压强分布越均匀。