轨道交通百叶窗型风屏障防风效果研究
史康 褚杨俊 何旭辉 秦红禧 李欢 于可辉
摘要： 为提高列车在复杂风环境中行车的安全性，提出了一种新型百叶窗型风屏障。并以重庆某轨道专用桥为工程背景进行了风洞试验，探究了横风作用下新型风屏障不同叶片旋转角度、不同风屏障布置形式对车桥系统气动特性的影响，对比分析了百叶窗型与普通格栅式风屏障的挡风效果，同时运用CFD对新型风屏障的防风机理进行了进一步阐述。研究结果表明：百葉窗型风屏障可较大幅度降低车、桥系统的力矩系数，相对同等透风率下的普通格栅式风屏障其防风效果更好；百叶窗型风屏障叶片的旋转角度对车桥系统三分力系数均有一定影响，从行车安全性考虑，建议旋转角度控制在90°内最合适；风屏障的布置形式对车桥系统气动特性影响较小，沿桥梁主导风一侧布置即可取得较好的防风效果。关键词： 风洞试验；轨道交通；百叶窗型风屏障；三分力系数；CFD
中图分类号： U260.11； U216.41+3文献标志码： A文章编号： 10044523（2017）04063008
DOI：10.16385/j.cnki.issn.10044523.2017.04.014
引言
随着高速铁路逐步向西部山区、东部沿海延伸以及城市、城际轨道交通的快速发展，保证复杂风环境下列车运行安全已引起了广泛关注[13]。目前解决复杂风环境下列车行车安全主要有两种途径，即制定合理的行车管理措施（限速或停止运行）和可靠的工程措施（设置风屏障、优化列车气动外形等）[4]。然而，通过限速或停止列车的运行将直接影响铁路运行效率，也给旅客出行带来极大的不便。因此，现阶段国内外大多采用安装风屏障的工程措施来保证列车的行车安全，如日本的新干线[5]、中国的兰新高铁[6]等。
近些年，国内外对风屏障进行了大量研究，如Hrvoje Kozmar[7]采用风洞试验并结合PIV技术研究了风屏障的挡风机理；M OguetaGutierrez[8]探究了曲线风屏障与直线风屏障对桥梁气动三分力系数的影响；X H He[910]通过测压试验研究了不同风屏障高度、不同透风率对列车气动特性的影响，并从流体力学角度进行了解释；项超群[11]采用CFD研究了32 m典型简支梁截面在不同风屏障高度下的气动力系数变化趋势；李永乐[12]通过风洞试验讨论了平地路基、高路堤、桥梁3种典型线路情况下风屏障设置方式、风屏障高度对轨道上方风压分布的影响，并分析了风屏障的气动机理；张田[13]对比分析了桥梁单体、列车单体和车桥耦合下列车与桥梁各自的三分力系数。从现有研究来看，大多集中于风屏障的不同高度、不同透风率、不同车桥组合形式对列车气动力的影响，且风屏障形式大多为格栅式或路堤式。而这些风屏障自安装后透风率一般较为固定，使得其较难适应西部山区等复杂地形的风场特性。因此，有必要研发适应性更强、使用更灵活的新型风屏障。基于以上研究背景，本文利用百叶窗的透光原理研发了一种新型风屏障，并采用风洞试验和数值模拟方法探究了其防风效果。研究成果旨在为新型百叶窗型风屏障在复杂风环境下的应用提供指导。
第4期史康，等： 轨道交通百叶窗型风屏障防风效果研究振 动 工 程 学 报第30卷1试验概况〖*2〗1.1百叶窗型风屏障百叶窗型风屏障是基于百叶窗改变透光率和透光方向的原理，利用可转动的挡风叶片实现风屏障透风率和气流方向的改变。叶片旋转角度为0°～180°，假定叶片与竖直方向角度0°时为初始状态，此时风屏障透风率为0%。旋转角度为0°～90°时，叶片上倾；角度为90°～180°时，叶片下倾；旋转角度为90°时，透风率达到最大值；旋转角度180°时叶片回到初始状态，其基本工作原理如图1所示。该风屏障实际应用时叶片旋转角度主要是依据风速大小来进行自动调节，这样可通过改变气流的流动方向，可有效避免来流对列车的直接冲击。
图1百叶窗型风屏障工作原理
Fig.1The working principle of louvertype wind barrier1.2试验模型
试验以重庆某轨道专用桥为研究背景，大桥为主跨340 m的双塔双索面混合梁斜拉桥，梁高3.0 m，宽19.6 m。考虑风洞试验高速段尺寸、阻塞率等因素，确定模型几何缩尺比为1∶40。基于条带假定[14]，桥梁和列车模型长度均设为2 m。经计算，模型的阻塞率为4.2%（小于规范5%的规定，可忽略阻塞率对试验结果的影响[15]），模型横截面尺寸如图2所示。试验模型仅考虑车桥的气动外形，忽略桥梁附属设施和列车轮对、转向架等影响，桥梁模型采用优质木材制作，并配以钢芯梁骨架，以确保模型具有足够的强度和刚度。
图2模型横断面图（单位：mm）
Fig.2Geometric dimensions of the model （Unit：mm）
文献[16]研究表明，最佳挡风墙高度为2.5～3.0 m，因此，为制作方便，百叶窗型与普通格栅式风屏障均按实际3 m的高度进行缩尺设计，缩尺比例（1∶40）与车桥模型一致。格栅式风屏障透风率选择叶片旋转角度为30°，45°和60°时对应透风率分别为12%，26%和42%。试验进行了不同叶片层数对车桥系统气动力的影响研究，但基于篇幅有限，本文只对两层叶片形式展开对比分析。据文献[17]研究表明，风屏障开孔形式对列车气动力影响有限，且孔径大小取8～12 mm较为合适。故本试验格栅式风屏障采用方孔阵列式。百叶窗型和格栅式风屏障模型尺寸如图3所示。
图3风屏障模型尺寸（单位：mm）
Fig.3Model dimensions of wind barriers（Unit：mm）
1.3测试系统
试验采用自主研发的一套车桥同步分离测力装置[18]，如图4所示。车桥模型两端各装有2台动态测力天平，天平选用日本NITTA公司生产的IFS型六分量动态天平。测力分辨率0.02 N，采样频率1 kHz，采样时长30 s。专业数据采集软件可将各天平数据同步记录到电脑上，以实现列车和桥梁模型的同步分离测试。试验在中南大学风洞实验室高速段进行，试验段尺寸为长×宽×高=15.0 m×3.0 m×3.0 m，风速在5～94 m/s范围内连续可调，湍流度0.5%。据文献[14]研究表明车桥系统三分力系数对雷诺数效应不明显，因此仅选择横风10 m/s作为此次试验的来流风速，且来流为均匀流。为获得真实的试验风速，在车桥模型系统上游1.5 m处布置一参考点，且保证参考点高度与车桥主梁模型顶面一致。参考点风速采用澳大利亚TFI公司的眼镜蛇探针测量。风洞试验现场如图5所示。
图4车桥同步测力装置示意图
Fig.4Schematic diagram of vehiclebridge dynamometric device图5风洞试验现场照片
Fig.5The site picture of wind tunnel test1.4三分力系数
体轴坐标系下，列车与桥梁的三分力方向规定如图6所示。
图6体轴坐标下桥梁与列车三分力方向示意图
Fig.6Threecomponent direction schematic diagram of vehiclebridge in body axis
其三分力系数为：CiD=2FixρU2Hi（1）
CiL=2FiyρU2Bi（2）
CiM=2MiρU2（Bi）2（3）式中Fix，Fiy，Mi（i=b或t）分别为桥梁（列车）的阻力、升力和力矩；CiD，CiL，CiM（i=b或t）分别为桥梁（列车）的阻力系数、升力系数和力矩系数；ρ为空气密度，取ρ=1.225 kg/m3；U为参考点风速；Hi和Bi（i=b或t）分别为桥梁（列车）模型的特征高度和宽度，具体数值如图2所示；其中列车力矩原点选择背风侧轨道中心点处，而桥梁力矩选择模型形心作为其力矩原点。
2试验结果分析〖*2〗2.1与格栅式风屏障比较百叶窗型风屏障与格栅式风屏障试验结果如图7所示。图7还给出了无风屏障工况下桥梁与列车的三分力系数值。从图7（d）～（f）可看出，风屏障可以显著减小列车三分力系数，其力矩系数降低尤为明显；而对于桥梁三分力系数而言，由于安装风屏障后增加了桥梁气动特征高度，使其三分力系数有所增大，因此安装风屏障时需综合考虑车桥系统的影响。对比百叶窗与格栅式风屏障的防风效果，相同透风率下，尽管百叶窗型风屏障可能增大了桥梁升力（升力负值代表方向）系数与列车阻力系数，但却较大程度降低了桥梁与列车的力矩系数，其中桥梁最大降幅程度达51%，列车最大达23%。因此，相对格栅式风屏障挡风效果而言，百叶窗型风屏障对列车行车安全更有利。
2.2风屏障叶片旋转角度的影响
选择0°，30°，45°，60°，90°，120°，135°和150°作为测试旋转角度，且保证两侧叶片同时转动至相同角度。测试列车位于桥梁迎风侧，具体试验工况如表1所示。
表1不同叶片旋转角度试验工况
Tab.1Cases of different rotation angles
旋转角度
α/（°）车桥组合相对位置转动
形式布置
形式0，30，45，60，90，120，135，150对称
转动双侧
布置图7百叶窗型与普通格栅式风屏障桥梁/列车的三分力系数比较
Fig.7Comparison of three component coefficients of bridge and vehicle between louvertype and grilletype wind barriers
试验结果如图8所示。由图可知，桥梁与列车三分力系数随叶片旋转角度的增大均存在一定程度影响，尤以阻力系数变化最明显。桥梁阻力系数随旋转角度的增大呈先减小后增大趋势，90°时取最小值；而相反，列车阻力系数先增大后减小，90°时取最大值。这是由于旋转角度在0°～90°变化时，风屏障透风率逐渐增大，90°时达到最大值。透风率越大，风屏障挡风效果越弱。对桥梁而言，风屏障对其阻力越小；而对列车，因作用于列车表面来流越多，列车迎风侧表面承受正压越大，使列车阻力与力矩系数相应也越大。当旋转角度在90°～150°时，风屏障透风率开始减小，此时桥梁与列车阻力系数均表现与0°～90°相反的趋势。
图8不同叶片旋转角度下桥梁、列车的三分力系数
Fig.8Three component coefficients of bridge and vehicle in different rotation angles
升力系数方面，桥梁升力系数在30°有一增大趋势（负号代表升力方向向下），30°～90°间变化趋势不明显，而当旋转角度大于90°后，桥梁升力系数呈微弱减小趋势；列车升力系数变化趋势与桥梁存在较大差异，主要表现于升力系数在30°～120°一直呈增大趋势，在120°取最大值。其主要原因是当旋转角度增大至120°时，尽管风屏障透风率有所减小，但此时叶片向下倾斜，气流集中吹向列车底部，进而其升力在90°基础上进一步增大。當旋转角度继续增大时，一方面风屏障透风率继续减小，另一方面气流被逐步引导而偏移列车底部，两方面原因使列车升力系数又开始呈减小趋势，但数值依然大于旋转角度在 0°～90°变化值。
力矩系数方面，桥梁力矩系数受叶片旋转角度影响较小，0°～150°旋转时力矩系数大致在0.1上下波动，总体变化平稳。而列车力矩系数主要受阻力影响，故其变化趋势与阻力系数变化趋势一致。综上分析表明，为有效提高列车行车安全性，建议百叶窗风屏障旋转角度控制在90°内更合适。
2.3不同风屏障布置形式的影响
实际工程中，通常选择在桥梁两侧均布置风屏障以确保行车安全；然而对一些主导风基本稳定地区，往往也有仅在桥梁主导风方向一侧布置风屏障的情况。基于以上工程背景，本试验还研究了沿桥梁单、双侧布置风屏障的工况，具体试验工况如表2所示。
表2不同风屏障布置形式试验工况
Tab.2Cases of different arrangements
设置
形式单侧双侧工况
说明不同风屏障布置形式下桥梁与列车三分力系数试验结果如图9所示。由图可知，桥梁单侧、双侧布置风屏障对车桥系统气动特性影响较小。究其原因是本文测试列车位于桥梁迎风侧，而背风侧风屏障主要影响背风侧列车的气动特性，对迎风侧影响较小。阻力系数方面，旋转角度小于90°时，双侧风屏障布置情况下桥梁阻力系数试验值大于单侧值，大于90°后两者相差较小；而对列车阻力系数，一直表现为双侧试验值略大于单侧值。升力系数而言，桥梁与列车均表现出双侧试验值大于单侧值，特别是当旋转角度大于90°后，列车升力系数表现的趋势更明显。从力矩系数分析可知，桥梁力矩系数基本不受风屏障布置形式影响，而列车力矩系数也表现出双侧试验值略大于单侧的趋势。综合以上分析表明：车桥系统气动特性对风屏障布置形式不敏感，从列车行车安全性考虑，优先选择在桥梁主导风方向布置风屏障即可取得较好的挡风效果。
图9不同风屏障布置形式桥梁、列车的三分力系数
Fig.9Three component coefficients of bridge and vehicle in different arrangements3风屏障影响机理
为解释百叶窗型风屏障挡风机理，利用CFD技术进一步研究车桥系统三分力系数受叶片旋转角度的影响。计算域范围按实际风洞尺寸设定，即长×宽×高=15.0 m×3.0 m×3.0 m。桥梁与列车雷诺数分别为4.9×104和7.3×104。入口边界采用速度边界条件，来流风速与湍流度均按实际取值；出口为恒压边界条件，压力设为一个标准大气压；计算域上、下边界以及车桥表面设为无滑移壁面条件。由于横风马赫数小于0.3，计算按不可压缩定常流体处理[19]。采用非结构化网格划分模型。离散格式为一阶迎风格式（First order upwind）。为保证计算结果的可靠性，对计算模型进行了网格无关性分析（如图10所示），确定最小网格尺寸为8 mm，并在结构物与车体壁面处对网格进行细化处理。湍流模型采用SSTk-ω模型，考虑边界层影响，数值模拟网格划分如图11所示。运用稳态计算，压力与速度耦合方式采用SIMPLE算法。计算关键参数与网格尺寸的设定均进行了敏感性分析，通过反复试算以确保模拟值与试验值间误差在可接受范围内。因为篇幅有限，本文仅给出列车与桥梁阻力系数数值模拟与风洞试验值对比图（见图12），由图可知，数值模拟计算结果与风洞试验值吻合较好，两者误差控制在5%内，证明了数值模拟结果的可靠性。
图10网格无关性分析
Fig.10Grid independence analysis results图11车桥系统网格划分
Fig.11Model grid of trainbridge system图12数值模拟与风洞试验对比图
Fig.12Comparison of numerical simulation and test results
典型旋转角度下车桥系统压力云图如图13所示。由图13（a）～（d）可知，当旋转角度为0°时，列车迎风侧与背风侧均为负压，随着叶片旋转角度增大，列车迎风侧风压由负到正，且正压区面积也随之增大，旋转角度为90°时列车风压值及正压区面积均达到最大值。而旋转角度大于90°后，气流被引导而吹向列车底部并随角度的增大逐步向下倾斜，使列车迎风侧风压值及正压面积又开始逐渐减小。相对列车迎风侧，背风侧风压一直为负压，风压值受叶片旋转角度影响也较小。由于气动阻力主要由模型前后表面的压力经积分合成得到，因此，结合以上分析即可解释列车阻力系数随旋转角度增大呈先增大后减小趋势，且在90°取最大值的原因。
图13典型旋转角度下车桥系统压力云图
Fig.13Pressure nephogram of trainbridge system in typical rotation angles
列车升力系数方面，叶片在0°～90°旋转时顶部风压绝对值由62 Pa增大到80 Pa，而车底风压变化不明显。当旋转角度为120°时，气流集中吹向列车底部，加速了底部气流流动速度。车底负压存在明显减小趋势，风压值绝对值由36 Pa减小为23 Pa，而顶部负压变化不明显。因此，旋转角度为120°时列车上下表面压力差得到进一步增大。但旋转角度大于120°后，气流被进一步引导而偏移列车底部，加上透风率继续减小，使列车上下表面气压差开始呈减小趋势。同理，气动升力主要由模型上下表面的压力经积分合成得到。综上分析，解释了列车升力系数在30°～120°呈逐渐增大，而在120°～150°呈逐渐减小趋势的原因。
列车力矩系数主要由列车气动升力和气动阻力分别对背风侧轨道中心点取矩合成得到，因此，力矩系数主要随气动升力和阻力的变化而变化。由于以上已分别对列车气动升力和阻力变化趋势作了较为详细的阐述，列车力矩系数随叶片旋转角度增大的变化趋势在此不作进一步解释。
4结论
本文通过风洞试验研究了横风作用下新型百叶窗型风屏障的防风效果，并运用CFD对其进行了解释，得到以下结论：
（1）对比普通格栅式风屏障的防风效果，百叶窗型风屏障可较大幅度降低桥梁与列车的力矩系数，桥梁与列车最大降幅程度分别达51%和23%，表明百叶窗型风屏障对行车安全更有利；
（2）风屏障叶片旋转角度对车桥系统三分力系数均有一定的影响，其中阻力系数变化最明显。桥梁阻力系数随旋转角度增大呈先减小后增大趋势，而列车阻力系数恰好相反。升力系数方面，桥梁与列车均先增大后减小，桥梁在60°取最大值，而列车在120°取最大值，且30°～120°一直呈增大趋势。桥梁力矩系数对旋转角度不敏感，但列车力矩系数变化较明显并呈先增大后减小趋势，在90°达到最大值。基于行车安全性考虑，建议百叶窗风屏障旋转角度控制在0°～90°内最合适；
（3）车桥系统三分力系数受风屏障布置形式影响较小。单、双侧布置情况下，车桥系统三分力系数变化趋势一致。数值上表现为沿桥梁双侧布置的氣动力略大于单侧值。因此，在主导风基本稳定地区，可只在桥梁主导风一侧布置风屏障即可取得较好挡风效果。
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Study on windshield performance of the louverstyle wind barrier of rail transit
SHI Kang1，2， CHU Yangjun3， HE Xuhui1，2， QIN Hongxi1，2， LI Huan1，2 ， YU Kehui1，2
（1.School of Civil Engineering， Central South University， Changsha 410075，China；
2.National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction， Changsha 410075， China；
3. China Three Gorges Projects Development Co.， Ltd， Baihetan Project Construction Department，
Chengdu 615421， China）
Abstract： In order to adapt to the complicated wind field environment and improve the safety of vehicle running， a new type of louver wind barrier was developed. Based on a national standard metro bridge as the research object， the louvertype wind barrier was employed to wind tunnel test at the National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction located in Central South University. The effects of aerodynamic characteristics for vehiclebridge system were studied when the louvertype wind barriers were installed on the bridge in different vane rotation angles， and different arrangement conditions. The windshield performance was also discussed between louvertype and ordinary gridtype wind barriers. Computational Fluid Dynamics（CFD） technology was also applied to explain mechanism of the wind barrier. The results show that the louvertype wind barriers can significantly reduce the moment coefficient of trainbridge system. Moreover， windshield performance of louvertype is more evident in comparison with ordinary grilletype wind barrier. Threecomponent coefficients of trainbridge system are certain influenced by vane rotation angles. It is suggest that rotation angles should control within 90°considering the running of vehicles. The effects of arrangement condition is limited， so it can make better effect along installment the wind barriers on the bridge of dominant wind direction.Key words： wind tunnel test； rail transit； louvertype wind barrier； threecomponent coefficients； CFD作者简介： 史康（1988—）， 男， 博士研究生。电话： 18508431296； Email： 478491139@qq.com
