侧向风作用下车桥系统气动性能及风屏障的影响研究.pdf

侧向风作用下车桥系统气动性能及风屏障的影响研究 张 田， 郭薇薇， 夏 禾 摘 要：采用计算流体力学软件建立桥梁单体、车辆单体以及车桥组合体模型，湍流模型取标准k-ε模型，计算各 模型在不同风攻角时侧向风作用下的气动力系数。考虑风屏障对车辆、桥梁气动性能影响，建立风屏障、桥梁与 车辆组合体模型，分析风屏障不同开孔率时车辆、桥梁气动力系数变化规律。结果表明：车辆位于桥上时，桥梁阻 力和车辆侧力会增大；桥上车辆侧滚力矩系数明显大于车辆单独存在的情况，且车辆位于桥上迎风侧大于背风侧 的情况；安装风屏障后，桥梁阻力和力矩系数随开孔率增大而降低，车辆侧力系数和力矩系数随开孔率增大而增 大；为保证风屏障有效性，风屏障开孔率应小于40%。 关键词：车桥系统；气动力系数；风攻角；风屏障；开孔率 AerodynamicCharacteristicsofVehicle-bridgeSystemunder CrosswindsandEffectofWindBarriers 在我国，尤其是新疆及沿海地区，强风频繁出现， 列车在桥上运行，其所受侧向风荷载不仅取决于 由强风作用导致的公路和铁路交通翻车事故时有发 风速大小，而且与桥梁、车辆外形有关，而桥梁受到的 生。因此，研究侧向风作用下列车空气动力学作用，特 风力也与车辆相关。因此，准确计算侧向风荷载对列 别是复杂风环境下气动特性是必要的。 车运行安全和桥梁设计至关重要。目前相关规范[1]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，并未考虑车辆一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[2-3]：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。 可当作不可压；不考虑温度变化；静力计算按定常处 我国很多在建和既有桥梁，穿越强风区，例如兰新 理；湍流模型采用标准k-ε模型；压力与速度耦合方式 铁路跨越5大风区，为确保列车安全运营和乘车舒适 采用SIMPLE算法。根据上述条件，流场运动二维不 性，在线路或桥梁上设置风屏障。因此在分析车桥系 可压控制方程采用张量方法，可表示为[6] 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[2-4]，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 工程背景 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，需要确定车辆一桥梁组合 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 式中：“-’’为取各物理量的时间平均；u为流体速度；p 略车顶设备、转向架、车下设备、桥侧人行道上栏杆和 为流体压强；jD为流体的密度；v称为运动黏度；k为湍 桥上轨道。计算时风攻角变化范围为-5°～5°，分别 动能；ε为湍动能耗散率；Ck=0.09，C。-0.07，Cε1= 计算车辆位于迎风侧和背风侧情况。 1.44，Cε2=1.92；vt为涡运动黏性系数，其式为 其中，Cv为模型系数，通常取为0.09。 2.2模型设置 为保证计算准确性，并顾及计算机计算能力和效 由于兰新第二双线在