兰新铁路第二双线挡风墙防风效果仿真分析.pdf

铁道建筑
Railway Engineering
November, 2015
文章编号:1003-195(2015)11-0080-04
兰新铁路第二双线挡风墙防风效果仿真分析
刘磊,李红梅,侯福国,付连著
(中国铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心,北京100081)
摘要:利用 CFD ICEM建立兰新铁路第二双线V区(大风频繁区)路堤、路塹地段4.0m挡风墙和槽形
梁两侧3.5m高挡风墙计算模型,采用流体カ学软件 FLUENT对不同型式的防风结构的防风效果开展
仿真分析。結果表明:环境风遭遇挡风墙阻挡,气流沿着挡风墙上部自由空间移动,形成加速效应,使得
吹至挡风墙上部的环境风被加速放大;环境风吹过挡风墙后风速明显减小,挡风墙有效遮蔽了环境风,
防风效果明显;路堤挡风墙后环境风速残余系数在0.3~0.6,路塹挡风墙后环境风速残余系数在0.25
0.50,桥梁两侧挡风墙后环境风速残余系数在0.3以下,桥梁两侧挡风墙防风效果优于路堤和路堑挡
风墙。
关键词:兰新铁路第二双线大风区挡风墙防风效果环境风速残余系数
中图分类号:U213.1;TU352.2文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.24
兰新铁路第二双线是我国《中长期铁路网规划》应、下坡风和局地大气对流的影响较大,具有风速高、
的重点项日之一,东起兰州,西至鸟鲁木齐,横跨甘肃、风期长、季节性强、风向稳定、起风速度快等特点。风
青海、新疆维吾尔自治区三省区,线路全长1776km。区最大瞬时风速达60m/s,局部地段大于8级风的大
该线所经地区属中温带干早大陆性气候区,春、秋多大数超过了200d,风向稳定且主风向大约在NWO°
风,是世界上穿越风区最长的铁路。仝线通过安西风20°。
区、烟墩风区、百里风区、三十里风区、达坂城风区五大
根据大风观测报告,综合考虑瞬时风速、2min平
风区,长度合计579.6km,占线路全长的32.6%
均最大风速、10min平均最大风速,结合沿线地形地
由于特殊的地理环境,既有兰新铁路自建成通车貌、植被情况,参考既有铁路、公路对应段落风害情况,
起就饱受大风灾害的威胁,仅因风灾所造成的列年脱分析沿线大气环流特征及风蚀影像(卫星、航片)特
轨、倾覆事故就达数十起,其它因大风所造成的诸如列征,对大风区防风工程进行分区,分为1区(大风极少
车停运、限速等问题更是十分普遍,毎年因大风停运造区)、区(大风低发区)、皿区(大风一般区)、N区
成的直接经济损失达2亿多元。为了提高兰新铁路(大风易发区)、V区(大风頻繁区)い。
第二双线的防风能力,保证线路开通后列车的安全运
防风工程的总体设计原则:以大风条件下列车基
行,需要对其防风工程的防风效果进行研究。
本不停运、尽量少限速为运营目标,在大风区已主动防
本文以计算流体动力学为基础,利用 CFD ICEM风为主,通过合理的防风工程最大程度地减弱大风对
建立兰新铁路第二双线V区(大风频繁区)路堤、路堑
列车运行的影响。
地段4.0m挡风墙和槽形梁两侧3.5m高挡风墙计算
根据不同的大风设计分区采取相应的防风措施
模型,采用流体力学软件 FLUENT对不同型式的防风
I区未设置防风工程,根据风力、风向、频率、地形及线
结构的防风效果开展仿真分析,为进一步优化防风工
路条件,Ⅱ,Ⅲ,N,V区路基设置了不同型式及高度的
程和大风条件下铁路运营管理相关标准制定提供技术
挡风墙,桥梁设置了不同透风率及高度的挡风墙。
支持。
路基挡风墙采用钢筋泥凝土结构,主要有悬臂式、
1防风工程概述
扶臂式、柱板式3种类型,墙高有3.5,4.0m两种,插
兰新铁路第二双线风区受地形地貌引起的狹管效板厚度有18,20,22cm3种。根据桥梁所处风区和桥
面高度,挡风墙高有3.5,4.0m炳种,立柱及波形板钢
收稿日期:2015-08-10;修回日期:2015-09-20
材采用耐候钢,其中百里风区采用槽形梁,槽形梁两侧
作者简介:刘磊(1984-),男,助理研究员,博士。
设3.5m高挡风墙
7-10
2015年第11期
刘磊等:兰新铁路第二双线挡风墙防风效果仿真分析
2模型的建立
本文利用 CFD ICEM建立兰新铁路第二双线V区
(大风频繁区)路堤、路堑地段4.0m高挡风墙和槽形
梁两侧3.5m高挡风墙计算模型。为了考虑流场的充
分发展,计算区域应远大于模型尺寸,所以计算中选取
80mx200m为计算区域。由于风区风速一般<60m/s,
马赫数<0.3,空气流动按不可压缩流处理。以大风风
速30m/s作为入口速度边界条件,大风风速为定值,
图1路堤挡风墙周围流场分布
并假定挡风墙周围流场为定常流"。出口边界选
择压力出口,出口压力为大气压。挡风墙、地面及计算
为正,内侧为负,以下同)、迎风侧坡脚Z=7.2m处和
区域顶面按光滑壁面处理,给定无滑移边界条件。
挡风墙内车辆限界外缘l=-2.1,-8.2,-13.6m
空间流场处于湍流状态,采用工程上应用较广的
应用较广的处、背风侧坡脚/=-207m,高度=1,2,3,4,5.6m
处(以轨面为基准,以下同)的流场风速,结果如图2
k-s双方程模型进行计算。采用 SIMPLE算法进行计所示。环境风速30m/s时仿真计算结果如表1所示,
算求解。它是一种主要用于求解不可压缩流场
的数值计算方法。其基本思想是:对给定的压力场求
挡风墙的防风效果可以用环境风速残余系数(计算风
速与环境风速之比)表示,环境风速残余系数越小,防
解离散形式的动量方程,得到速度场。由压力修正方
风效果越好。由于环境风遭遇路堤和挡风墙阻挡产生
程得出压力修正值,通过修正后的压力场得到新的速
度值,然后检查是否收敛,若不收敛继续迭代计算,如
加速效应,风速在挡风墙外上部增大,挡风墙外迎风侧
此反复直到计算结果收敛为止。
路肩1=1.5m、高度h=6m处环境风速残余系数
1.14。路堤挡风墙后轨道上方(=-2.1~-13.6m)
3挡风墙防风效果仿真分析
风速较小,风速残余系数在0.3~0.6,环境风经过挡
风墙后风速减小,挡风墙有效遮蔽了环境风,路堤挡风
3.1路堤挡风墙
仿真计算得到的路堤挡风墙周围流场分布如图1墙防风效果明显。
所示。外部吹来的环境风,行进至路堤迎风坡一侧后,
遭遇路堤和挡风墙阻挡,气流沿着路堤迎风坡向挡风
·-1m-6-2
3m--4m
墙上部自由空间移动,形成了加速效应,使得吹至挡风
5m -e6 In
墙上部的环境风遭遇阻挡后风速被加速放大。路堤挡
E区
风墙后轨道上方风速较小,表明路堤挡风墙有效遮蔽
了环境风,防风效果明显。环境风绕流越过挡风墙后,
在背风侧路堤坡面附近形成涡流,远离挡风墙一侧轨
10
道外风速增大。
为了全面反映路堤挡风墙周围流场的分布,计算
22.5-20-17.5-15-12.5-10-7.5-5-2.502.557.510
路堤挡风墙外迎风侧路肩l=1.5m处(l为距挡风墙
距挡风墙外侧面的距离加m
外侧面的距离,以挡风墙外侧面为基准,挡风墙外侧
图2环境风速30m