风屏障对不同开孔率下气动力系数的影响

风屏障对不同开孔率下气动力系数的影响

在中国，尤其是在新疆和沿海地区，强风经常发生，道路和铁路交通的坍塌通常由强风引起。因此，研究侧向风作用下列车空气动力学作用，特别是复杂风环境下气动特性是必要的。列车在桥上运行，其所受侧向风荷载不仅取决于风速大小，而且与桥梁、车辆外形有关，而桥梁受到的风力也与车辆相关。因此，准确计算侧向风荷载对列车运行安全和桥梁设计至关重要。目前相关规范中规定的桥梁风荷载为桥梁单独存在时受到的风荷载，对车辆也是如此，并未考虑车辆-桥梁作为组合体共同存在时对各自气动特性的影响。已有研究表明：车桥共同存在时会增大各自气动力系数，因此在设计中应予以重视。我国很多在建和既有桥梁，穿越强风区，例如兰新铁路跨越5大风区，为确保列车安全运营和乘车舒适性，在线路或桥梁上设置风屏障。因此在分析车桥系统气动力特性时，应考虑风屏障对车桥系统气动特性的影响。目前对车桥共同存在时关于其气动特性的试验和数值模拟研究较少，同时考虑风屏障作用的研究尚未见相关文献。本文以新建兰新第二双线铁路为例研究风屏障对车桥系统气动特性的影响。1风屏障开孔率新建兰新第二双线铁路跨越风区，为分析风荷载作用下桥梁和列车动力响应，需要确定车辆-桥梁组合体气动力系数，以便正确计算桥梁和车辆上所受风力。计算模型见图1，桥梁采用新建兰新二线中32m常用简支箱形梁，考虑德国ICE高速列车在桥上，忽略车顶设备、转向架、车下设备、桥侧人行道上栏杆和桥上轨道。计算时风攻角变化范围为-5°～5°，分别计算车辆位于迎风侧和背风侧情况。由于兰新第二双线在强风区段设置了不同类型风屏障，应考虑安装风屏障后，桥梁和车辆气动力系数变化。根据有关风屏障高度应与防护高度接近的研究结论，计算时风屏障高度取为4m。为对比不同开孔率风屏障对车辆及桥梁气动性能影响，设置风屏障开孔率为0、10%、20%、30%、40%、50%；风攻角为0°，来流风速设为15m/s。安装风屏障后的车桥系统见图2。2流场控制方程和计算模型的定义2.1湍流场模型在侧向风中，车辆单体和简支箱梁桥单体可近似当作二维处理，并且来流风速远低于0.3倍音速，流场可当作不可压；不考虑温度变化；静力计算按定常处理；湍流模型采用标准k-ε模型；压力与速度耦合方式采用SIMPLE算法。根据上述条件，流场运动二维不可压控制方程采用张量方法，可表示为式中：“—”为取各物理量的时间平均；u为流体速度；p为流体压强；ρ为流体的密度；ν称为运动黏度；k为湍动能；ε为湍动能耗散率；Ck=0.09,Cε=0.07,Cε1=1.44,Cε2=1.92；νt为涡运动黏性系数，其式为Pk为湍动能生成项，其式为其中，Cν为模型系数，通常取为0.09。2.2模型网格划分及结果分析为保证计算准确性，并顾及计算机计算能力和效率，应选择合理的计算区域。根据文献，当外边界区域大于模型断面特征尺寸的20倍时，可尽量避免物体后部卷起的分离涡打到外边界上反射回来，同时也使外边界附近的流场参数分布较好地与所提边界条件相容，求解可以达到很好的收敛性；计算分析结果表明：取外边界区域长度和宽度均大于模型断面宽度30倍的矩形时效果较好。本文取入流边界与结构中心距离为20倍截面宽度，出流边界为25倍，上下边界距截面中心均大于20倍截面高度。采用三角形非结构化网格划分模型，并在结构物及车体壁面处对网格进行细化处理，见图3。近壁面网格的y+值在30～60之间取值，按Δyp=y+μ/（ρCμ1/4k1/2）计算近壁面网格尺寸。其中：Δyp为壁面中心单元到壁面的法向距离；k为壁面单元中心湍流动能；Cμ为常数，与所采用的湍流模型有关；μ为流体动力黏度；ρ为流体密度。计算时对同一个模型多次反复计算，不同划分计算结果相差不大时终止计算。设车辆和桥梁静止，计算车辆单体、桥梁单体、车辆-桥梁组合体，入流边界为速度入口条件，上下边界均为给定无滑移壁面条件，出流边界为压力边界条件；桥梁及车体表面为壁面条件。雷诺数是所有相似参数里最难模拟的参数，一般认为，由于非流线型物体具有尖锐棱角，当气流流过时，流场分离点位置几乎是固定不变的，即流场对雷诺数变化不敏感。由于雷诺数差异导致空气动力系数差异很小以致可以忽略不计。3不同风攻角下的模型分析桥梁和车辆单位长度的气动力系数可定义为式中：ρ为空气密度，珔u为平均风速；Lst、Dst和Mst分别为结构物的气动升力、阻力（侧力）及力矩；CL（α）、CD（α）和CM（α）是根据结构的截面形状、气流作用方向等确定的无量纲气动力系数，其值随气流攻角α变化；H为结构高度（包括栏杆等附属结构物高度）；B为结构宽度。计算无挡风屏障时桥梁气动力系数，H取为桥梁高度，B取为桥梁宽度；计算有挡风屏障时桥梁气动力系数，H取桥梁安装有挡风屏障后高度，B为桥梁宽度；计算车辆气动力系数时，H取为车辆高度，B取为车辆宽度；规定车辆绕转动轴顺时针转动为正，计算及试验获得气动力系数均为体轴坐标系下的值。对车辆单体、桥梁单体及车辆-桥梁组合体模型分别进行计算，得到不同风攻角下各模型中车辆、桥梁气动力系数及其压强场特性。车辆气动力矩系数计算结果见表1；桥梁气动阻力系数和车辆的气动侧力系数随攻角变化曲线见图4；图5为桥梁和车辆气动升力计算结果。从图4可以看出：车桥组合体时桥梁阻力、车辆侧力均比单独存在时大；当车辆位于桥上，攻角在-5°～5°时，桥梁阻力系数单调增大，车辆阻力系数单调减小。同时，由表1可以得出：桥上车辆侧滚力矩系数明显大于车辆单独存在情况，且车辆位于桥上迎风侧时大于车辆位于背风侧时。从图5可以看出：车桥组合体时车辆升力系数绝对值显著增加，而对于桥梁升力系数，车辆位于迎风侧时桥梁升力远大于车辆位于背风侧时，车辆位于背风侧时桥梁升力较小。车辆单体、桥梁单体及车桥组合体在0°攻角下压强等值线见图6。由于升力由结构物上、下表面压力差产生，阻力由结构物前、后表面压力差产生，由图6可知：当考虑车桥组合体在风场中时，组合体整体高度比各自单体都要高，高度和宽度比值增大，迎风面峰值压力增大，且高压区范围变大，同时在背风区形成的空气负压区绝对值增大，压强差增大造成车辆侧力和桥梁阻力增大，相应地，车体和桥体阻力系数CD也都呈一定幅度增大；且当车辆位于背风侧时，高压区范围大于车辆位于迎风侧时，高压区覆盖桥梁范围明显增大，因此车辆位于背风侧时桥梁阻力系数更大。另外，由于桥梁顶面和车体底面流场相互干扰，车体底部流动受阻，负压绝对值增大；而车体上部由于高度增加使流速明显增大，上下表面压力差增大导致车辆升力系数明显增加。对于桥梁升力系数，车辆位于迎风侧时桥梁升力远大于车辆位于背风侧时桥梁升力，这是由于当车辆位于迎风侧时，由于车辆遮挡，在其后方形成较大负压区，比车辆位于背风侧时覆盖桥梁顶部区域大得多，而车辆位于背风侧时桥梁顶部主要由高压区覆盖，此时桥梁升力较小，取决于桥梁截面形式。由上述分析可见：车辆-桥梁组合体存在时，对各自气动力特性都有影响，且对车辆影响更大，所以应分析车桥组合体的气动特性。4开孔率对阶段风险的影响由于兰新第二双线铁路的防风要求，在桥上安装风屏障后，对车辆-桥梁系统周围流场产生明显影响，并且与风屏障开孔率关系密切，为此应分析风屏障开孔率对车桥系统气动性能的影响。计算时，风攻角取为0°，来流风速为15m/s。图7为安装风屏障后车桥组合体压强等值线图，开孔率分别为0、10%。从图7可以看出：开孔率越大，流过屏障的气流越多，桥梁前后表面压差减小，而车体前后表面压差增大，且车体底部和桥梁顶部相互影响，使车体下部形成较大负压，开孔率越大，车体上部压强越大。计算得到桥梁和车辆气动力系数结果见表2。从表2可以看出：桥梁阻力和力矩系数随开孔率增加而降低，阻力系数下降更明显，这是由于开孔率越大，流过屏障的气流越多，且风的作用面积减小，使桥梁前后表面压差减小；而桥梁升力系数由负变正，随开孔率单调增加。比较有无风屏障时车辆力矩系数可以发现：当风屏障开孔率为40%时，安装风屏障后车辆力矩系数大于无风屏障情况。因此为防止车辆倾覆，保证风屏障有效性，风屏障开孔率应小于40%为宜。然而，车辆侧力系数和力矩系数随开孔率增大而增大，升力系数绝对值随开孔率增加而增大。这是由于开孔率越大，流过声屏障气流越多，作用于车体上使其前后表面压差增大；且车体底部和桥梁顶部相互影响，使车体下部形成较大负压，开孔率越大，车体上部压强越大，因此升力系数绝对值随开孔率增加而增大，且升力向下。为验证计算结果的准确性，将桥梁气动力系数结果与风洞试验结果进行比对，见表3。从表3可以看出：箱梁气动力系数数值模拟计算结果与风洞试验结果吻合较好，说明了数值模拟的准确性。5安装风屏障对桥梁升力系数影响分析根据数值模拟结果分析，可得到以下结论：(1）侧向风作用下，车桥组合体模型桥梁阻力和车辆侧力均比单独存在时大，车辆位于背风侧时桥梁阻力系数更大；桥梁升力系数变化与车