横风作用下高速列车车―桥系统气动性能分析

【摘要】基于流体力学原理，本文采用数值模拟的方法对横风作用下高速列车车桥的气动性能进行了系统研究。分析了列车自身的气动性能，并且考虑了列车对桥梁抗风性能的影响;计算了列车分别位于左线、右线以及交汇情况下昆阳特大桥主梁的三分力系数和列车的气动三分力系数。该研究成果对于风场作用下车桥系统气动性能计算模型的简化和选取具有重要借鉴意义。

【关键词】车桥系统;数值模拟;三分力系数

1.引言

近年来，高铁技术得到了快速的发展，高铁在给人类带来便利的同时也给工程界提出了大量的技术难题。随着列车运行速度的提高，列车在桥上运行时受横向风作用而引起的稳定性问题引起了学术界的高度重视;铁路运输的基本要求就是保证列车安全运行，横向风作用下的列车横向稳定性是衡量列车安全运行的重要指标。连接亚欧大陆的兰新线，地处新疆戈壁区，在百里风区瞬时最大风速高达64m/s，在世界铁路中也是罕见的，通车以后，数次发生列车被强风吹翻的事故，给铁路运输造成严重后果[1]。因此研究风荷载对车-桥系统的作用，分析列车在桥上运行的安全性、以及乘客乘坐的舒适度等问题，从而使桥梁工程师者全面估算风对列车和桥梁的影响就显得尤为必要。

2.数值模型

本文选择温福铁路线上的昆阳特大桥作为桥梁模型和常见的高速列车作为车辆模型;采用计算流体力学（CFD）技术，基于Fluent软件研究了车桥系统气动性能研究。昆阳特大桥主梁采用单箱双室变高度箱型截面，跨中梁高3.5m。

2.1 计算风速

从“全国基本风压分布图”可以看出昆阳特大桥位于1000Pa等压线内，根据《铁路桥涵设计基本规范》第4.4.1条规定，风速计算如下：U20=（1.6W0）0.5=40m/s再换算到Z=10m高处的基本风速为35.736m/s [2]，桥址处地表粗糙度接近Ⅱ类，风速剖面指数α=0.16，桥面距地面约9.42m，按指数律计算可得昆阳特大桥桥面处风速为35.4m/s。

2.2 边界条件及湍流模型

计算区域为矩形，主梁断面的高度为h，入口距离迎风面为5h，出口距离背风面10h，上边界距离模型距离8h，下边界距离模型底面距离5h[3]，计算征长度为梁体断面高度（包含声屏障的高度）。采用三角形单元，在近壁区对网格加密;入口边界、上下边界都为速度边界，出口为压力边界，模型表面设为无滑移不可穿透边界条件。

风攻角变化：-6o～6o，采用标准k-ε湍流模型，空气密度取为1.25Kg/m3，空气粘性系数μ取为1.79×10-5 N.S/m2[4]。

3.结果与讨论

考虑了列车左线行驶、右线行驶和双向行驶三种工况，并分别计算三种工况条件下高速列车车-桥系统跨中断面在攻角为-6°～6°下的三分力系数。

表1给出了跨中断面车-桥系统主梁断面静力三分力系数，结果表明：左线行车、右线行车和双线行车对主梁气动性能的影响较小，右线行车和双线行车之间的差别最小。高速列车的行车位置对主梁的气动性能影响差别不大，在研究风场下车桥系统风荷载时可以忽略行车位置的影响。

表2给出了跨中断面车-桥系统高速列车断面静力三分力系数。结果表明：当列车分别位于左线、右线和双线行驶时，列车的阻力系数，右线最大，左线和双线迎风侧基本一致，双线背风侧最小。列车的升力系数，右线最小，左线和双线迎风侧差别不大，而列车的力矩系数，左线、右线和双线迎风侧差别不大，但远远大于双线背风侧。列车左线行驶时，由于声屏障阻挡来流，列车的迎风面积比右线行驶时的少，使得左线阻力系数略小于右线，且双线行驶时，由于迎风侧列车的阻挡，使得背风侧的阻力系数大幅减少。

表1 跨中断面车-桥系统主梁断面静力三分力系数

图1-3给出了车辆和桥梁周围的速度矢量图，结果表明：左线行驶、右线行驶和双线行驶时车桥模型绕流流场的分布不同。左线行驶时列车的背风侧和右线行驶时列车的迎风侧都出现一个大尺度的漩涡，列车顶部风速较大。由此也可以看出，双线行驶迎风侧和左线行驶这两种工况列车车体表面压力分布差别较小。而右线行驶和双线行驶背风侧的差别较大，这也解释了双线行驶背风侧三分力系数比其他三种情形下的差别大。

图1 跨中截面左线流场速度矢量图

图2 跨中截面右线流场速度矢量图

图3 跨中截面双线流场速度矢量图

4.结语

通过数值模拟，本文系统的研究了在横风作用下车-桥系统在列车左线行驶、右线行驶和双线行驶时主梁的气动性能和列车的气动性能，得出以下结论：

（1）左线行车、右线行车和双线行车三者对主梁气动性能影响的差别较小，说明高速列车的行车位置对主梁的气动性能影响较小，在研究风场下车桥系统风荷载时可以忽略行车位置的影响。

（2）双线行驶时迎风侧列车和左线行驶时列车的气动性能差别较小，右线行驶和双线行驶时背风侧列车的气功性能差别较大，但后者的各项指标都远远小于前者，在以后的研究中可以减少对双线行驶时背风侧列车的考虑。

（3）对于左线行驶、右线行驶和双线行驶的情况，流场中列车和桥梁表面的压力分布、速度分布以及漩涡位置、尺度、形态都存在明显差异，详细分析风场下车-桥系统的绕流场的分布具有重要意义。

参考文献

[1]高广军，田红旗，姚松，刘堂红，毕光红.兰新线强横风对车辆倾覆稳定性的影响[J].铁道学报，2004.

[2]TB 10002.1-2005/J 460-2005.铁路桥涵设计基本规范.北京：中国铁道出版社.2005.

[3]曾凯.计算风工程几个关键影响因素分析[C].第十二届全国结构风工程学术会议论文集.2005.

[4]JTG/T D60-01-2004.公路桥梁抗风设计规范.北京：人民交通出版社.2004.