風(fēng)屏障對不同開孔率下氣動力系數(shù)的影響

風(fēng)屏障對不同開孔率下氣動力系數(shù)的影響

在中國，尤其是在新疆和沿海地區(qū)，強(qiáng)風(fēng)經(jīng)常發(fā)生，道路和鐵路交通的坍塌通常由強(qiáng)風(fēng)引起。因此，研究側(cè)向風(fēng)作用下列車空氣動力學(xué)作用，特別是復(fù)雜風(fēng)環(huán)境下氣動特性是必要的。列車在橋上運(yùn)行，其所受側(cè)向風(fēng)荷載不僅取決于風(fēng)速大小，而且與橋梁、車輛外形有關(guān)，而橋梁受到的風(fēng)力也與車輛相關(guān)。因此，準(zhǔn)確計(jì)算側(cè)向風(fēng)荷載對列車運(yùn)行安全和橋梁設(shè)計(jì)至關(guān)重要。目前相關(guān)規(guī)范中規(guī)定的橋梁風(fēng)荷載為橋梁單獨(dú)存在時受到的風(fēng)荷載，對車輛也是如此，并未考慮車輛-橋梁作為組合體共同存在時對各自氣動特性的影響。已有研究表明：車橋共同存在時會增大各自氣動力系數(shù)，因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)予以重視。我國很多在建和既有橋梁，穿越強(qiáng)風(fēng)區(qū)，例如蘭新鐵路跨越5大風(fēng)區(qū)，為確保列車安全運(yùn)營和乘車舒適性，在線路或橋梁上設(shè)置風(fēng)屏障。因此在分析車橋系統(tǒng)氣動力特性時，應(yīng)考慮風(fēng)屏障對車橋系統(tǒng)氣動特性的影響。目前對車橋共同存在時關(guān)于其氣動特性的試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究較少，同時考慮風(fēng)屏障作用的研究尚未見相關(guān)文獻(xiàn)。本文以新建蘭新第二雙線鐵路為例研究風(fēng)屏障對車橋系統(tǒng)氣動特性的影響。1風(fēng)屏障開孔率新建蘭新第二雙線鐵路跨越風(fēng)區(qū)，為分析風(fēng)荷載作用下橋梁和列車動力響應(yīng)，需要確定車輛-橋梁組合體氣動力系數(shù)，以便正確計(jì)算橋梁和車輛上所受風(fēng)力。計(jì)算模型見圖1，橋梁采用新建蘭新二線中32m常用簡支箱形梁，考慮德國ICE高速列車在橋上，忽略車頂設(shè)備、轉(zhuǎn)向架、車下設(shè)備、橋側(cè)人行道上欄桿和橋上軌道。計(jì)算時風(fēng)攻角變化范圍為-5°～5°，分別計(jì)算車輛位于迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)情況。由于蘭新第二雙線在強(qiáng)風(fēng)區(qū)段設(shè)置了不同類型風(fēng)屏障，應(yīng)考慮安裝風(fēng)屏障后，橋梁和車輛氣動力系數(shù)變化。根據(jù)有關(guān)風(fēng)屏障高度應(yīng)與防護(hù)高度接近的研究結(jié)論，計(jì)算時風(fēng)屏障高度取為4m。為對比不同開孔率風(fēng)屏障對車輛及橋梁氣動性能影響，設(shè)置風(fēng)屏障開孔率為0、10%、20%、30%、40%、50%；風(fēng)攻角為0°，來流風(fēng)速設(shè)為15m/s。安裝風(fēng)屏障后的車橋系統(tǒng)見圖2。2流場控制方程和計(jì)算模型的定義2.1湍流場模型在側(cè)向風(fēng)中，車輛單體和簡支箱梁橋單體可近似當(dāng)作二維處理，并且來流風(fēng)速遠(yuǎn)低于0.3倍音速，流場可當(dāng)作不可壓；不考慮溫度變化；靜力計(jì)算按定常處理；湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型；壓力與速度耦合方式采用SIMPLE算法。根據(jù)上述條件，流場運(yùn)動二維不可壓控制方程采用張量方法，可表示為式中：“—”為取各物理量的時間平均；u為流體速度；p為流體壓強(qiáng)；ρ為流體的密度；ν稱為運(yùn)動黏度；k為湍動能；ε為湍動能耗散率；Ck=0.09,Cε=0.07,Cε1=1.44,Cε2=1.92；νt為渦運(yùn)動黏性系數(shù)，其式為Pk為湍動能生成項(xiàng)，其式為其中，Cν為模型系數(shù)，通常取為0.09。2.2模型網(wǎng)格劃分及結(jié)果分析為保證計(jì)算準(zhǔn)確性，并顧及計(jì)算機(jī)計(jì)算能力和效率，應(yīng)選擇合理的計(jì)算區(qū)域。根據(jù)文獻(xiàn)，當(dāng)外邊界區(qū)域大于模型斷面特征尺寸的20倍時，可盡量避免物體后部卷起的分離渦打到外邊界上反射回來，同時也使外邊界附近的流場參數(shù)分布較好地與所提邊界條件相容，求解可以達(dá)到很好的收斂性；計(jì)算分析結(jié)果表明：取外邊界區(qū)域長度和寬度均大于模型斷面寬度30倍的矩形時效果較好。本文取入流邊界與結(jié)構(gòu)中心距離為20倍截面寬度，出流邊界為25倍，上下邊界距截面中心均大于20倍截面高度。采用三角形非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分模型，并在結(jié)構(gòu)物及車體壁面處對網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化處理，見圖3。近壁面網(wǎng)格的y+值在30～60之間取值，按Δyp=y+μ/（ρCμ1/4k1/2）計(jì)算近壁面網(wǎng)格尺寸。其中：Δyp為壁面中心單元到壁面的法向距離；k為壁面單元中心湍流動能；Cμ為常數(shù)，與所采用的湍流模型有關(guān)；μ為流體動力黏度；ρ為流體密度。計(jì)算時對同一個模型多次反復(fù)計(jì)算，不同劃分計(jì)算結(jié)果相差不大時終止計(jì)算。設(shè)車輛和橋梁靜止，計(jì)算車輛單體、橋梁單體、車輛-橋梁組合體，入流邊界為速度入口條件，上下邊界均為給定無滑移壁面條件，出流邊界為壓力邊界條件；橋梁及車體表面為壁面條件。雷諾數(shù)是所有相似參數(shù)里最難模擬的參數(shù)，一般認(rèn)為，由于非流線型物體具有尖銳棱角，當(dāng)氣流流過時，流場分離點(diǎn)位置幾乎是固定不變的，即流場對雷諾數(shù)變化不敏感。由于雷諾數(shù)差異導(dǎo)致空氣動力系數(shù)差異很小以致可以忽略不計(jì)。3不同風(fēng)攻角下的模型分析橋梁和車輛單位長度的氣動力系數(shù)可定義為式中：ρ為空氣密度，珔u為平均風(fēng)速；Lst、Dst和Mst分別為結(jié)構(gòu)物的氣動升力、阻力（側(cè)力）及力矩；CL（α）、CD（α）和CM（α）是根據(jù)結(jié)構(gòu)的截面形狀、氣流作用方向等確定的無量綱氣動力系數(shù)，其值隨氣流攻角α變化；H為結(jié)構(gòu)高度（包括欄桿等附屬結(jié)構(gòu)物高度）；B為結(jié)構(gòu)寬度。計(jì)算無擋風(fēng)屏障時橋梁氣動力系數(shù)，H取為橋梁高度，B取為橋梁寬度；計(jì)算有擋風(fēng)屏障時橋梁氣動力系數(shù)，H取橋梁安裝有擋風(fēng)屏障后高度，B為橋梁寬度；計(jì)算車輛氣動力系數(shù)時，H取為車輛高度，B取為車輛寬度；規(guī)定車輛繞轉(zhuǎn)動軸順時針轉(zhuǎn)動為正，計(jì)算及試驗(yàn)獲得氣動力系數(shù)均為體軸坐標(biāo)系下的值。對車輛單體、橋梁單體及車輛-橋梁組合體模型分別進(jìn)行計(jì)算，得到不同風(fēng)攻角下各模型中車輛、橋梁氣動力系數(shù)及其壓強(qiáng)場特性。車輛氣動力矩系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表1；橋梁氣動阻力系數(shù)和車輛的氣動側(cè)力系數(shù)隨攻角變化曲線見圖4；圖5為橋梁和車輛氣動升力計(jì)算結(jié)果。從圖4可以看出：車橋組合體時橋梁阻力、車輛側(cè)力均比單獨(dú)存在時大；當(dāng)車輛位于橋上，攻角在-5°～5°時，橋梁阻力系數(shù)單調(diào)增大，車輛阻力系數(shù)單調(diào)減小。同時，由表1可以得出：橋上車輛側(cè)滾力矩系數(shù)明顯大于車輛單獨(dú)存在情況，且車輛位于橋上迎風(fēng)側(cè)時大于車輛位于背風(fēng)側(cè)時。從圖5可以看出：車橋組合體時車輛升力系數(shù)絕對值顯著增加，而對于橋梁升力系數(shù)，車輛位于迎風(fēng)側(cè)時橋梁升力遠(yuǎn)大于車輛位于背風(fēng)側(cè)時，車輛位于背風(fēng)側(cè)時橋梁升力較小。車輛單體、橋梁單體及車橋組合體在0°攻角下壓強(qiáng)等值線見圖6。由于升力由結(jié)構(gòu)物上、下表面壓力差產(chǎn)生，阻力由結(jié)構(gòu)物前、后表面壓力差產(chǎn)生，由圖6可知：當(dāng)考慮車橋組合體在風(fēng)場中時，組合體整體高度比各自單體都要高，高度和寬度比值增大，迎風(fēng)面峰值壓力增大，且高壓區(qū)范圍變大，同時在背風(fēng)區(qū)形成的空氣負(fù)壓區(qū)絕對值增大，壓強(qiáng)差增大造成車輛側(cè)力和橋梁阻力增大，相應(yīng)地，車體和橋體阻力系數(shù)CD也都呈一定幅度增大；且當(dāng)車輛位于背風(fēng)側(cè)時，高壓區(qū)范圍大于車輛位于迎風(fēng)側(cè)時，高壓區(qū)覆蓋橋梁范圍明顯增大，因此車輛位于背風(fēng)側(cè)時橋梁阻力系數(shù)更大。另外，由于橋梁頂面和車體底面流場相互干擾，車體底部流動受阻，負(fù)壓絕對值增大；而車體上部由于高度增加使流速明顯增大，上下表面壓力差增大導(dǎo)致車輛升力系數(shù)明顯增加。對于橋梁升力系數(shù)，車輛位于迎風(fēng)側(cè)時橋梁升力遠(yuǎn)大于車輛位于背風(fēng)側(cè)時橋梁升力，這是由于當(dāng)車輛位于迎風(fēng)側(cè)時，由于車輛遮擋，在其后方形成較大負(fù)壓區(qū)，比車輛位于背風(fēng)側(cè)時覆蓋橋梁頂部區(qū)域大得多，而車輛位于背風(fēng)側(cè)時橋梁頂部主要由高壓區(qū)覆蓋，此時橋梁升力較小，取決于橋梁截面形式。由上述分析可見：車輛-橋梁組合體存在時，對各自氣動力特性都有影響，且對車輛影響更大，所以應(yīng)分析車橋組合體的氣動特性。4開孔率對階段風(fēng)險(xiǎn)的影響由于蘭新第二雙線鐵路的防風(fēng)要求，在橋上安裝風(fēng)屏障后，對車輛-橋梁系統(tǒng)周圍流場產(chǎn)生明顯影響，并且與風(fēng)屏障開孔率關(guān)系密切，為此應(yīng)分析風(fēng)屏障開孔率對車橋系統(tǒng)氣動性能的影響。計(jì)算時，風(fēng)攻角取為0°，來流風(fēng)速為15m/s。圖7為安裝風(fēng)屏障后車橋組合體壓強(qiáng)等值線圖，開孔率分別為0、10%。從圖7可以看出：開孔率越大，流過屏障的氣流越多，橋梁前后表面壓差減小，而車體前后表面壓差增大，且車體底部和橋梁頂部相互影響，使車體下部形成較大負(fù)壓，開孔率越大，車體上部壓強(qiáng)越大。計(jì)算得到橋梁和車輛氣動力系數(shù)結(jié)果見表2。從表2可以看出：橋梁阻力和力矩系數(shù)隨開孔率增加而降低，阻力系數(shù)下降更明顯，這是由于開孔率越大，流過屏障的氣流越多，且風(fēng)的作用面積減小，使橋梁前后表面壓差減?。欢鴺蛄荷ο禂?shù)由負(fù)變正，隨開孔率單調(diào)增加。比較有無風(fēng)屏障時車輛力矩系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)風(fēng)屏障開孔率為40%時，安裝風(fēng)屏障后車輛力矩系數(shù)大于無風(fēng)屏障情況。因此為防止車輛傾覆，保證風(fēng)屏障有效性，風(fēng)屏障開孔率應(yīng)小于40%為宜。然而，車輛側(cè)力系數(shù)和力矩系數(shù)隨開孔率增大而增大，升力系數(shù)絕對值隨開孔率增加而增大。這是由于開孔率越大，流過聲屏障氣流越多，作用于車體上使其前后表面壓差增大；且車體底部和橋梁頂部相互影響，使車體下部形成較大負(fù)壓，開孔率越大，車體上部壓強(qiáng)越大，因此升力系數(shù)絕對值隨開孔率增加而增大，且升力向下。為驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，將橋梁氣動力系數(shù)結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對，見表3。從表3可以看出：箱梁氣動力系數(shù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，說明了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。5安裝風(fēng)屏障對橋梁升力系數(shù)影響分析根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果分析，可得到以下結(jié)論：(1）側(cè)向風(fēng)作用下，車橋組合體模型橋梁阻力和車輛側(cè)力均比單獨(dú)存在時大，車輛位于背風(fēng)側(cè)時橋梁阻力系數(shù)更大；橋梁升力系數(shù)變化與車