挡风墙的疏透度对列车运行安全影响因素

　　摘 要：离列车稍远的区域，列车运动对这个区域空气流场的影响趋于平稳，因此网格的尺寸可以适当的放大。根据离列车越远流场就越平稳的原则，网格的尺寸应该随与列车距离的增大而逐渐增大。这种由密逐渐变疏的计算区域网格可以使得模拟计算在列车附近真实反映空气动力特性，又严格的控制了网格的数量，从而减少了对计算机资源的占用，缩短了计算时间，提高了计算效率。

　　关键词：高速列车,安全性,侧风,数值模拟,侧倾力矩,挡风墙,疏透度

　　近年来,因侧向风导致的行车安全事故在世界各国时有发生,给人民生命财产造成严重威胁。仅在中国的新疆地区就曾经发生过大风吹翻列车13 次,总计翻车79 辆的风环境事故。在大风段铁路迎风侧修建挡风墙对列车安全运行有很好的防护效果。本文中借助计算流体软件FLUENT 作为研究工具，针对不同疏透度的挡风墙结构，对侧风环境中高速列车在有挡风墙保护下的空气动力特性进行研究。希望能通过对问题进行的模拟研究，为高速列车处于特殊环境下安全运行提供依据，为改造高速列车的挡风墙积累数据，并为相关科研问题的试验研究指引方向。

　　1 物理模型及计算方法

　　1.1 列车动力学模型

　　一列完整的列车由机车和许多节车辆组成，长度较长。本文将采用三节车的模型进行模拟，即整个列车模型由一节头车、一节中间车和一节尾车组成。头车和尾车具有一样的外形，本文列车模型由头车(25m)+中间车(25m)+尾车 (25m)组成，列车长、宽、高分别为75m、3.2m、3.2m。为了分析出高速列车中容易发生危险的部位，我们有针对的把头车、中间车、尾车每大节都分成5 小节。每小节5m。共15 小节。进行细致化的分析可以得到细致化的结果。由于离车头一定距离以后，列车中部的流场结构基本保持稳定，所以，缩短成三节的列车模型和完整列车模型相比，其流场的基本特征变化不大。这是目前国内外处理高速列车问题的常用简化手段。

　　为了研究挡风墙对高速铁路的防风效果，采用了使用最为广泛的2.5m 高度，1m 宽度的L 型板式挡风墙，挡风墙在来风一侧，挡风墙距离两轨中心为3.5m。沿轨道方向挡风墙形状、高度和位置均一致。

　　再把挡风墙每隔5m 留出来一个缝隙。通过改变缝隙的大小来控制挡风墙的疏透度。通过模拟计算找到最佳的疏透度，使列车运行最安全。

　　1.2 计算区域

　　本论文所选取的计算区域为：列车前部距计算区域长度达到125m，列车尾部距计算区域长度达到250m。区域总长450m(z 方向)。列车上部距计算区域高度达到30m，路堤高度为2m,列车底部与路堤之间狭缝为0.2m。区域总高度35.4m(y 方向)。列车两侧计算区域宽度都为30m。区域宽度为63.2m(x 方向)。此时，列车和周围流场基本达到充分发展，计算区域更大时，计算结果改变很小。

　　1.3 计算网格

　　网格的划分既要考虑到模拟计算收敛的时间、计算机计算能力的限制，又要充分考虑高速列车在挡风墙保护下强风环境中外流场特性模拟的准确性，根据高速列车在强风作用下外流场的特点，列车与挡风墙之间的空气流场变化最为剧烈，这个区域和列车周围的区域和挡风墙周围区域是本次模拟研究主要关注的区域，因此这三个区域的网格要求最为严格。

　　根据以上原则，对列车与挡风墙周围流场区域，单元线长度为0.25m，从靠近列车侧向外侧发散区域的单元线长度从0.25m 扩大至1m，直至模型最外侧，单元线长度扩大至4m。整个计算区域的网格数约100 万。

　　1.4 数学模型

　　高速列车和外流场中流体简化为黏性、不可压缩、定常、绝热流体，对应的时均方程组包括：连续性方程、动量方程、k 方程、e 方程，这6 个方程和一系列壁面函数就构成了本次模拟计算完整的数学模型。

　　1.5 边界条件

　　模拟计算中，设定列车是静止不动的，入口风速采用合成风。合成风是列车速度与风速矢量的叠加。由于在不同风向角下，相同车速和风速的合成速度并不相同，即车辆受到的气动力不仅与列车运行速度、环境风速度有关，还与环境风的风向角有关。侧风与火车运行方向之间的风向角α 分别取0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°，105°，120°，135°，150°，165°，180°。外来风速分别取10m/s，20 m/s，30 m/s 和40 m/s 四种情况。40m/s 的风速基本达到自然风速的最大值。列车运行速度选定为75 m/s(270 公里每小时)。边界条件设定为：

　　1：入口边界条件：列车和侧风合成速度人口;

　　2：出口边界条件：自由出流;

　　3：列车表面边界条件：固体壁面边界;

　　4：地面与挡风墙边界条件：相对列车的速度为反方向的列车运行速度。

　　2 计算结果分析

　　为便于分析列车受气动力作用后的偏转趋势，对列车气动力和气动力矩在直角坐标系中进行分解，从头车指向尾车方向为z 方向，竖直向上的从地面指向天空的方向为y 方向，水平面上与列车运行方向垂直的方向为x 方向。形成x 方向侧向力、y 方向升浮力、z 方向阻力。为了研究侧风对列车倾覆危险性的影响，对列车细分成的15 个小节的每一小节，都以背风侧钢轨的中点为原点，对列车的每一小节以各自的原点分别取矩。得到对x 轴的仰俯力矩、对y 轴的侧偏力矩、对z 轴的侧倾力矩。

　　x 方向侧向力是影响列车运行安全的重要因素。该力越大，列车侧向危险性越大。y 方向升浮力是影响列车稳定性的重要因素，该力越大，列车漂浮感越大，稳定性越小。z 方向阻力对列车运行安全影响较小。x 轴的仰俯力矩对列车的影响较小，因为列车重力较大，通过仰头翻的可能性较小。y 轴的侧偏力矩对列车稍有影响，它会导致列车因为扭头出轨发生危险。z 轴的侧倾力矩对列车影响最大。侧倾力矩过大直接导致列车翻车。为了避免侧倾力矩过大造成危险。应该对该项参数进行重点分析。

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文章名称： 挡风墙的疏透度对列车运行安全影响因素

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