沙尘暴环境对高速铁路挡风墙设置的影响.pdf

铁道科学与工程学报
第 13卷 第 8期 Volume 13 Number 8
2016年 8 月 Journal of Railway Science and Engineering August 2016
沙尘暴环境对高速铁路挡风墙
设置的影响
牛波, 杜礼明
大连交通大学辽宁省高等学校载运工具先进技术重点实验室, 辽宁大连116028
摘 要 : 为保证列车在风沙环境下安全运行,需在铁路沿线设置挡风墙。基于欧拉双流体模型和大气底层边界速度型风场
模型, 通过数值模拟方法研究高速列车在不同车速和不同沙尘暴等级下运行时,沙尘对挡风墙高度和距离等参数的影响。
研究结果表明: 与在单纯大风环境下运行相比, 列车在沙尘暴环境下运行时所受气动力有所不同: 考虑沙尘的影响后,列车
整车倾覆力矩有所增加。为此, 在研究挡风墙的设置时, 应考虑沙尘的影响。在沙尘暴环境下, 挡风墙的最优高度应有所
增加;当挡风墙距离定时, 挡风墙的最优高度随着列车运行速度提高而增大,随着沙尘暴等级的提高而降低;挡风墙高度
定时, 挡风墙的最优距离随着列车运行速度提高而减少, 随着沙尘暴等级的提高而增加; 挡风墙最优距离和高度近似成
二次多项式关系。
关键词: 铁路工程;挡风墙;数值模拟;高速列车; 沙尘暴
中图分类号:U216.413;U271.91 文献标志码 :A 文章编号: 1672-7029 2016 08-1457-09
收稿日期:2016-03-29
基金项目: 国家自然科学基金资助项目 1 1 2 0 2 0 :
通讯作者:杜礼明 1 9 7 2 -,男, 湖北黄冈人, 教授, 博士, 从事机车车辆流体动力学研究: E -m ail: dulm vip.sina.com铁道科学与工程学报
第 13卷 第 8期 Volume 13 Number 8
2016年 8 月 Journal 铁 of 道 Ra科 ilwa学 y 与 Sci工 enc程 e a学 nd报 Engineering Augu2s0 t 1260年 168月
沙尘暴环境对高速铁路挡风墙
设置的影响
高速列车在行驶过程中, 若受到强横风的作 采用直立式挡风墙, 其高度定义为路堤上部至
用, 列车的气动性能便会迅速恶化12, 尤其是在 挡风墙顶部的距离, 距离定义为挡风墙内侧表面至
牛波, 杜礼明
线轨道中心线的距离, 挡风墙厚度为1.2 m, 路堤
风沙环境下, 横风将会严重影响旅客乘坐舒适性并
高度为5 m, 坡脚角度为1 : 1.513。
对运行安全造成严重影响M。为减少事故的发
大连交通大学辽宁省高等学校载运工具先进技术重点实验室, 辽宁大连116028
沙尘运动为两相流运动,欧拉双流体模型
生, 降低横风对列车安全运行的影响, 可在风区铁
将空气与运动沙尘均看作是流体, 认为二者之
路沿线建造挡风墙79。目前, 对于挡风墙的研究
摘 要 : 为保证列车在风沙环境下安全运行,需在铁路沿线设置挡风墙。基于欧拉双流体模型和大气底层边界速度型风场
大致分3 类:挡风墙高度, 挡风墙至轨道中心线距 间相互贯穿渗透, 用体积分数来描述每相的
模型, 通过数值模拟方法研究高速列车在不同车速和不同沙尘暴等级下运行时,沙尘对挡风墙高度和距离等参数的影响。
离和挡风墙的结构外形设计。刘凤华1分析了 4
存在, 这样可以有效避免沙尘颗粒数目的限制,
研究结果表明: 与在单纯大风环境下运行相比, 列车在沙尘暴环境下运行时所受气动力有所不同: 考虑沙尘的影响后,列车
节省计算资源,提高计算效率19。故采用该模
种不同类型的挡风墙对列车的安全防护效果评价;
整车倾覆力矩有所增加。为此, 在研究挡风墙的设置时, 应考虑沙尘的影响。在沙尘暴环境下, 挡风墙的最优高度应有所
型, 并选定空气为第相, 沙粒为第二相。按照
李 增加 燕; 飞 当等 挡风 11墙 对 距高 离速 定 铁时 路, 挡 开风 孔墙式 的挡 最风 优墙 高外 度随 形着 进列行 车了 运 行速度提高而增大,随着沙尘暴等级的提高而降低;挡风墙高度
沙尘暴天气等级》的规定, 并选取沙尘暴 S3,
定时, 挡风墙的最优距离随着列车运行速度提高而减少, 随着沙尘暴等级的提高而增加; 挡风墙最优距离和高度近似成
优化研究;叶坤等12对在横风作用下高速铁路挡
二次多项式关系。 强沙尘暴 S4 和特强沙尘暴 S5 3 个等级进行研
风墙进行了高度和位置的优化分析;杨斌等13针
关键词: 铁路工程;挡风墙;数值模拟;高速列车; 沙尘暴
究, 相关参数如表1 所示。
对大风区不同路况下的挡风墙提出了合理高度;姜
中图分类号:U216.413;U271.91 文献标志码 :A 文章编号: 1672-7029 2016 08-1457-09
翠香等14研究了在横风环境下挡风墙高度和设置
表1 风沙计算参数
位置对线、 二线棚车气动性能的影响。但目前的
研究仅考虑了在大风环境下挡风墙的设计对列车
风速 m ? 5r 1 颗粒直径um
沙尘等级 体积浓度
气动性能的影响。实际上, 风沙总是伴随出现的,
沙尘暴S3 15 20 6.0XKT8
尤其是在我国的内蒙古和新疆等强风沙地区15。
强沙尘暴 S4 20 40 2.〇x l〇 s
因此, 单纯研究风的影响既不能真实地揭示风沙对
特强沙尘暴S5 25 100 4.〇x l〇-8
列车运行的平稳性和安全性影响, 也不能体现出挡
风墙的作用, 也就不能很好地指导挡风墙的结构设
沙尘暴中的风和沙往往不是就地产生的,因
计。通过欧拉双流体模型模拟风沙两相流, 使用大
此, 采用更接近实际情况的大气底层边界速度型风
气底层边界速度型风场模拟自然风, 分析沙尘暴环
场来模拟自然风2, 风速在大气边界层高度的方
境下挡风墙高度和距离对列车横向气动力矩的影
向上以指数形式增加。数值模拟软件采用商用计
响规律, 以获得挡风墙的最佳高度和最优距离的关
算流体动力学软Fluent进行数值模拟。边界层使
系, 为高速铁路挡风墙的设置参数提供参考依据。
用标准壁面函数, 并采用定常可压缩的W S 方程
和标准K 两方程湍流模型, 耦合压力与速度使
1 计算模型及方法
用 SIMPLE算法, 并使用二阶迎风格式进行离散。
1 . 1 计算模型与数值方法 1 . 2 计算域及网格划分
以某高速动车组的几何尺寸为原型建立数值
考虑到气流的绕流和流场的充分发展, 选择
计算模型,由于列车中部的气动力变化已经趋于稳
长、 宽、 高为320 m X lO O mx40 m 的长方体为计算
定16, 因此可将列车模型简化为头车、中间车和尾 区域。计算区域如图1所示。
车 3 辆车编组,其 长 度 分 别 为 25.8,24.8和
为保证模拟计算的准确性和计算效率, 需将车
25.8 m, 列车的宽度为3.2 m,高度为3.89 m。同
体和挡风墙周围网格划分的较密, 而远离车体的外
收稿日期:2016-03-29
时, 将列车简化为个光滑曲面的几何体, 并忽略 流场网格可以较疏21,因此采用尺寸函数的方法
基金项目: 国家自然科学基金资助项目 1 1 2 0 2 0 :
通讯作者:杜礼明 1 9 7 2 -,男, 湖北黄冈人, 教授, 博士,