兰新铁路挡沙墙位置对低矮路堑中客车气动性能的影响

张洁，刘堂红，牛纪强

(中南大学 交通运输工程学院，轨道交通安全教育部重点实验室，湖南 长沙，410075)

摘要：采用计算流体力学方法对兰新(甘肃兰州—新疆乌鲁木齐)铁路挡沙墙对低矮路堑中客车气动性能的影响进行数值模拟。研究结果表明：低矮路堑无挡沙墙时，列车受到较大的横向力、升力和倾覆力矩作用，当在路堑迎风侧设置距离上边缘一定距离的挡沙墙后，列车气动力明显减小；当距离L=5 m时，迎风线整车阻力、横向力、升力和倾覆力矩分别减少25.0%，88.9%，75.4%和83.6%，背风线整车阻力、横向力、升力和倾覆力矩分别减少44.2%，82.2%，74.4%和76.5%；设置挡沙墙后，随着距离越来越近，车体迎风侧正压区域逐渐变为小负压区域，顶部负压减小，整个车体基本处于小负压环境中，车体整体受力情况明显改善。

关键词：挡沙墙；低矮路堑；气动性能；数值模拟

中图分类号：U270.11             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2014)11-4043-07

Effect of sand control wall’s position on aerodynamic performance of passenger train in low cutting along Lanzhou—Xinjiang railway

ZHANG Jie, LIU Tanghong, NIU Jiqiang

(Key Laboratory of Traffic Safety on Track of Ministry of Education,

School of Traffic & Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Abstract: Using CFD (computational fluid dynamics) method, numerical simulation of effect of sand control wall’s position on the aerodynamic performance of a passenger train in low cutting along Lanzhou—Xinjiang railway was performed. The results show that in low cutting without sand control wall, aerodynamic forces of the train are larger. When the sand control wall is located some distances from the windward side of the cutting, the aerodynamic forces decrease obviously. When the distance L=5 m, the resistance force, side force, lift force and overturning moment of the whole train on the windward line reduce by 25.0%, 88.9%, 75.4% and 83.6%, respectively, while on the leeward line, they reduce by 44.2%, 82.2%, 74.4% and 76.5%. With the decrease of the distance, the pressure on the windward surface of train changes from positive to negative and the negative pressure on roof of train reduces. The whole train body is basically in a little negative pressure environment so that the stress condition is improved significantly.

Key words: sand control wall; low cutting; aerodynamic performance; numerical simulation

新疆铁路自开通以来，一直是我国铁路事故的高发区之一，据现有不完全资料统计显示，自1960年至今，新疆铁路运输因风沙造成的列车行车安全事故总计38起。其中因线路积沙造成列车脱轨8起(脱轨车辆10辆，倾覆车辆3辆)^[1-4]。尤其在2006-04-09，兰新(甘肃兰州—新疆乌鲁木齐)铁路50 km风区、15 km风口出现了约30年一遇大风，最大瞬时风速达54.6 m/s(16级大风)，使得铁路沿线近20 km内总延长5.5 km线路多处被积沙掩埋，严重地段达1.2 m深；大风卷起的砂石将机车、客车多块车窗玻璃打碎，列车整体性能严重受损，8趟旅客列车长时间滞留风区，造成列车停运超过20 h，给铁路运输带来巨大经济损失和恶劣社会影响^{[1, 4]}。目前，经过长期固沙、阻沙、固阻结合等防沙措施基本保证了兰新铁路运营安全^[4-7]，但当风速超过41.5 m/s (14级)时，地表仍将发生失稳现象形成强大的风沙流^[3]。列车在路堑中尤其是在低矮路堑中运行时，这股强大的风沙流将严重影响列车整体安全性能^[8-9]。为了减少路堑线路积沙及砂石对车窗的破坏，乌鲁木齐铁路局通过现场调研，陆续修建了一些挡沙墙，对减少和防止列车车窗玻璃受损、线路积沙埋道起到了较好作用，但在一些没有修建挡沙墙且地表沙石没有经过固化处理地段路堑上，存在大风作用下沙石击打车窗玻璃的安全隐患^[10-11]。为此，本文作者对此进行研究，以便更好地布置挡沙墙的位置，进一步提高低矮路堑防风能力，保障列车安全运行。

1  数值计算模型

本文以运行在兰新铁路上的单层客车作为研究对象。根据文献[12]，当气流流过车头一定距离后流场结构已趋于稳定，因此，缩短列车模型并不会改变列车周围流场物理特性，故文中计算模型选取4车编组，即机车+3辆客车^[13]；同时简化车体表面结构，仅保留列车整体外形和转向架，车辆之间以风挡连接^[14]。

兰新铁路沿线实测最大风速为60 m/s^[5]，马赫数小于0.3，因此，可认为空气密度保持不变，按不可压缩流动问题进行处理。根据文献[2]，兰新铁路现有防风设施地段单层客车车速120 km/h的临界倾覆风速为36 m/s^[2]，按照蒲福风力等级属于12级风(32.7~36.9 m/s)，选取12级风中最大风速v=36.9 m/s作为计算环境风速，风向角为90°；单层客车宽度l=3.105 m，在标准大气压下，温度为20 ℃时空气的运动黏度为 1.5×10^{-5 m2}/s，雷诺数Re=7.64×10⁶，远大于临界雷诺数，列车处在湍流流场中。因此，可采用k-ε双方程湍流模型^[15]描述挡风墙后列车周围流场。图1(a)和(b)所示分别为兰新铁路低矮路堑无、有挡沙墙时的防风效果示意图。

从图1(a)可看到：失稳的迎风侧地表在远方来流带动下形成一股强大的风沙流，当遇到路堑迎风侧时，横截面积扩大，风沙流发生下沉，但由于气流本身具有一定速度，故只略微下沉，因此，直接作用在车体上，导致路堑线路积沙及砂石对车窗造成破坏；随后，由于车体的阻挡，气流发生分离现象，部分气流向上攀爬，绕过车体；部分气流向下挤压，从车底部流过；同时，由于气流的运动，导致路堑迎风侧底部与道床之间、车体后形成了抽空区域，产生漩涡，最终在风沙流的综合作用下，整个车体受到较大的横向力作用。而在图1(b)中，安装了距离路堑迎风侧上缘合适位置挡沙墙后，风沙流受到挡沙墙阻挡，底层沙流停滞在挡沙墙前，上层气流被迫向上流动，使得气流与水平面之间形成1个夹角(定义为气流扬起角)，从而不再直接作用于车体上，并且在挡沙墙后路堑内形成1个大漩涡，在车体前后分别形成1个小漩涡，因此，车体整体受力较好，挡沙墙起到了良好的防风沙效果；另一小部分气流则向下流向地面，在挡沙墙迎风面与地面之间形成了1个很小的驻涡区。

根据以上分析，可知安装挡沙墙后，在实现防沙效果的同时，提高了列车的整体气动性能。可见，对挡沙墙合理位置进行研究很有必要。挡沙墙设置横截面如图2所示。方案中挡沙墙高为1.00 m，宽为0.15 m，路堑坡比为1.0:1.5。图2中，L为挡沙墙背风侧与路堑迎风侧上边缘之间的距离，由于距离路堑上边缘近时易造成路堑表层结构破坏，故本文中L分别取2，3，4，5，10，15和20 m进行分析。

图1  低矮路堑防风效果示意图

Fig. 1  Schematic view of windbreak effect of low cutting

图2  挡沙墙设置横截面图

Fig. 2  Cross-section of sand control wall installment

2  计算区域及边界条件

本次计算区域如图3所示。选取单层客车高度h作为特征长度，综合考虑车尾扰流以及横向流场的充分发展，沿列车方向速度入口距离车头为36.1h，横风入口距离线路中心为36.1h，高度方向为22.6h。整个计算流场采用非结构网格进行离散，对车体表面、路堑、挡沙墙及其附近网格进行加密处理，以提高数值计算的精确度和可靠性，总网格数约310万，车体物面网格见图4。车体表面定义无滑移壁面边界条件，在来流入口分别给定列车运行速度120 km/h和横风速度36.9 m/s；出口均设为压力出口边界；底面(道床、地面、路堑、挡沙墙等)定义为与车速相反的滑移边界；域的顶部设置为对称边界。

图3  计算区域

Fig. 3  Calculation zone

图4  车体物面网格

Fig. 4  Mesh of train surface

3  数值模拟计算结果与分析

3.1  数值计算与实车试验结果对比

2009-03—2009-06，乌鲁木齐铁路局组织中南大学、中国铁道科学研究院等单位在兰新线“百里风区”进行了大风环境下列车空气动力学综合试验^[2]。为验证本文所采用计算方法的正确性，模拟现场试验的风速(26.8 m/s)、挡风墙类型(平地土堤式挡风墙)、车型(25型客车)以及编组方式，将其中1节客车的数值计算结果和试验结果进行对比，如表1所示。实车试验客车上测点布置见图5，根据各测点所测得的压力进行分块积分求得试验车辆气动力和力矩。从表1可以看出：除了升力F_l两者相差较大外(10%)，横向力F_s和倾覆力矩M相对误差均在6%之内。两者吻合较好，说明本文采用三维湍流模型是合理的。

表1  数值计算与实车试验结果对比

Table 1  Result comparison of numerical computation and full-scale test

图5  实车试验客车测点布置示意图

Fig. 5  Schematic view of measure points on passenger car in full-scale test

3.2  气动力计算结果分析

无挡沙墙时，低矮路堑中列车运行所受到的阻力F_r、横向力F_s、升力F_l和倾覆力矩M见表2。图6和图7所示分别为车速120 km/h时，不同位置挡沙墙下车辆、整车在低矮路堑运行所受到的气动力。

表2  无挡沙墙下列车运行气动力

Table 2  Aerodynamic forces of running train without sand control wall

图6  气动力随挡沙墙距离变化拟合曲线

Fig. 6  Fitted curves of aerodynamic forces with position

通过分析可知：低矮路堑无挡沙墙时，列车均受到正的横向力、升力和倾覆力矩作用，单客3受到阻力最大，其次是机车，单客1与单客2相对较小；对于横向力，机车迎风面积最大，所受到的力也最大，3节客车的横向力相差较小；而升力相对复杂，单客1的升力最大，其次是单客2，机车所受到升力最小；对于倾覆力矩，机车受到的力矩最大，其次是单客1、单客2和单客3；当在路堑迎风侧设置挡沙墙后，列车气动力明显减小，表明本文研究具有重要意义；随着距离越来越近，气动力越来越小，当L=5 m时，迎风线整车阻力F_r、横向力F_s、升力F_l和倾覆力矩M分别减少了25.0%，88.9%，75.4%和83.6%，背风线整车阻力F_r、横向力F_s、升力F_l和倾覆力矩M分别减小44.2%，82.2%，74.4%和76.5%；随着距离继续减小，阻力呈现小幅度上升，横向力、升力、倾覆力矩等则继续减小。

3.3  压力分布

当客车车速为120 km/h时，在不同位置挡沙墙下，迎风线列车以及中间客车的压力分布见图8。图9所示为中间客车车体横截面流线图。

图7  整车气动力随挡沙墙距离变化拟合曲线

Fig. 7  Fitted curves of whole train aerodynamic forces with position

图8  压力分布

Fig. 8  Pressure distributions around train

图9 流线图

Fig. 9  Streamlines around train

从图8可以得到：在低矮路堑下无挡沙墙时，在车体迎风面受到风沙流的直接作用，产生了大面积正压，顶部由于气流加速效应，形成了一个强负压区；而设置一定距离的挡沙墙后，车体迎风面正压区域大幅度减小，且随着距离越来越近，正压区域逐渐变为小负压区域，顶部负压较小，整个列车基本处于1个小负压环境中。列车所受到的横向力(升力)主要取决于其迎风侧和背风侧的压差(车体底部与顶部的压差)。因此，无挡沙墙下的列车受到的横向力、升力远比安装挡沙墙后的大；而机车相对客车来说，整体高度较高，迎风面积大，故其横向力、倾覆力矩最大；客车1顶部气流由于受到机车高度的影响，导致负压加大，故其升力最大；单客3即最后1节客车由于受到尾部流场复杂漩涡的影响，其阻力在无挡沙墙时最大。

由图9可知：在低矮路堑无挡沙墙下，风沙流直接吹向车体，作用于车体后，从车体底部、顶部流过，并且在路堑迎风侧下边缘、车体后分别产生了1个较小的漩涡；而设置了合适位置的挡沙墙后，风沙流被其阻挡，被迫向上运动，基本没有气流作用在车体上；同时，由于气流被抽空，在车体前后分别形成1个大漩涡，而在挡沙墙与路堑之间则产生了1个巨大的漩涡，使得整个车体的处在受力较小的外界环境中。

4  结论

1) 在低矮路堑下，列车受到正的阻力、横向力、升力和倾覆力矩作用，尾车受到的阻力最大，机车受到的横向力和倾覆力矩最大，而第1节客车升力最大。

2) 挡沙墙距离位置对列车的气动性能影响较大；在不同距离挡沙墙下，L=5 m为1个关键点，整车阻力F_r、横向力F_s、升力F_l和倾覆力矩M最大分别减少44.2%，88.9%，75.4%和83.6%；随着距离越来越小，阻力先减小后略微增加，横向力、升力、倾覆力矩则一直减小。

3) 挡沙墙的设置直接影响列车周围压力情况。在低矮路堑下，车体迎风侧和顶部分别为较强的正压、负压区，而设置挡沙墙后，随着距离越来越近，正压区域逐渐变为小负压区域，顶部负压较小，整个车体基本处于一个小负压环境中，车体整体受力情况改善明显。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2013-11-12；修回日期：2014-01-14

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51075401，U1134203，U1334205)；霍英东青年基金资助项目(132014) (Projects(51075401, U1134203, U1334205) supported by National Natural Science Foundation of China; Project(132014) supported by Youth Foundation of HUO Yingdong)

通信作者：刘堂红(1976-)，男，湖南新化人，副教授，从事列车空气动力学研究；电话：13975165740；E-mail: lthjd@163.com