高速铁路高架桥挡风墙高度和距离优化分析

高速铁路高架桥挡风墙高度和距离优化分析

摘要：为了研究挡风墙对列车横向气动性能的影响，基于可压缩粘性流体Navier-Stokes方程和k-ε两方程湍流模型,采用有限体积法计算了列车在直线和不同半径曲线高架桥上运行时，不同挡风墙高度和距离的275种工况下列车侧向力和侧翻力矩，获得了最佳挡风墙高度和距离。研究结果表明，车速为200～400km/h，风速为20～40m/s条件下，列车在直线高架桥运行的最佳挡风墙高度和距离分别约为2.40m和3.90m；当弯道半径为1000～7000m时，曲线高架桥最佳挡风墙高度随弯道半径的增大线性减小，最优挡风墙距离与弯道半径关系不大，约为4.50m；风速和车速对挡风墙的最佳高度和最优距离影响很小；如果挡风墙高度过低或距离过近，头车所受侧向力和侧翻力矩方向与尾车相反。

关键词：高速列车；空气动力学；数值模拟；高架桥；挡风墙最佳高度和距离

中图分类号: U27；V211 文献标志码: A

Optimization analysis of the height and distance of the shelter wind wall for

viaduct of high speed railway

Abstract: Based on the Navier-Storkes equations of viscous compressible fluid and the k-ε two-equation turbulent mode, the side forces and rolling moments of trains were calculated by means of the finite volume method. The effect of shelter wind walls on transverse aerodynamic forces acting on trains was investigated, and the optimal heights and distances of walls were obtained. There were 275 cases including the straight viaduct and different radius curve viaduct with different heights and distances of walls. The research results show that, the best height and distance of shelter wind walls on the straight viaduct are about 2.40m and 3.90m respectively under 200~400km/h train speeds and 20~40m/s transverse wind speeds. When the train runs on the curve viaduct with 1000~7000m radius, the optimal height decreases linearly with the increase of the radius, meanwhile the best distance is about 4.50m with little relation to the radius. Wind speeds and train speeds have a few effects on the best height and distance of walls. If the wall height is too low or the distance is too close, the direction of side forces and rolling moments acting on the head and rear train are reverse.

Key words: high speed train; aerodynamics; numerical simulation; viaduct; the optimal height and distance of the shelter wind wall

近年来，我国的高速铁路建设得到了快速

发展。在高速铁路经过的区域，道路纵横交错

且土地资源十分宝贵，高架桥已成为高速铁路

建设中的典型路况形式。据统计，我国在建和

拟建的高速铁路中有70％以上的承载结构为图1 铁路高架桥

高架桥（图1）。列车在高架桥上运行时如果受到强横风作用，很容易脱轨或倾

覆。因横风导致的行车安全事故在世界各国时有发生[1-3]，很多国家都曾发生过

强风将列车吹至桥下的事件，因此铁路高架桥防风问题尤为突出[4-7]。为保障列车在高架桥上能安全行驶，国内外多采取建造挡风墙以抵挡横风对列车运行的影响，实践证明挡风墙是行之有效的防风措施。高架桥挡风墙的设计主要包含四个方面的问题：（1）结构形式；（2）透风率；（3）高度；（4）距轨道中心距离。从减少列车所受横风作用力角度讲，挡风墙的透风率、高度和距离是最重要的影响因素。本文讨论在一定透风率前提下，后两个因素对列车横向作用力的影响。

我国的研究人员对直线桥梁上列车的气动性能以及挡风墙的设置已经进行了不少研究，例如文献[8-10]研究了不同高度直线桥梁上列车的气动性能；文献[11-14]采用三维模型计算了直线桥梁上挡风墙的高度、距离和透风率对列车气动性能的影响。但是高架桥与通常的跨河桥梁有所不同，一是长度很长，可能持续数公里或数十公里；二是会出现大规模弯道。而到目前为止，这些研究并未得出一致的桥梁挡风墙最佳高度与最优距离，同时，研究横风作用下直线桥梁上运行列车的居多，研究曲线高架桥上运行列车的较少。与直线高架桥相比，列车运行在侧向力与离心力叠加的曲线高架桥上，所受气动力有显著改变。关于高速列车在不同半径曲线高架桥运行时的横向气动性能，国内尚未见到相关文献。随着我国高速铁路的快速发展，研究不同车速，不同风速条件下直线和不同半径曲线高架桥上挡风墙的最佳高度和最优距离问题显得尤为重要。

横风作用下高速列车与挡风墙之间存在相对运动，目前国内外通常采用稳态模拟对列车所受横风载荷进行分析，即列车静止。这里采用移动网格对高速列车的运行过程进行数值计算，合理模拟列车与挡风墙之间的运动关系，通过