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      高速鐵路擋風(fēng)墻防風(fēng)沙效果研究

      2012-11-15 07:03:24袁先旭楊明智許良中
      實(shí)驗(yàn)流體力學(xué) 2012年4期
      關(guān)鍵詞:擋風(fēng)墻蘭新沙礫

      周 丹,袁先旭,楊明智,許良中,黃 莎,張 雷

      (1.中南大學(xué)軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長沙 410075;2.中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 空氣動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 綿陽 621000)

      0 引 言

      新建蘭州至烏魯木齊第二通道(簡稱蘭新第二雙線)為客運(yùn)專線鐵路,全長1776.9km,是世界上一次建成最長的高速鐵路,也是世界首條穿越大風(fēng)區(qū)的高速鐵路。線路在甘肅和新疆境內(nèi)穿越五大風(fēng)區(qū)總長超過500km,其中舉世聞名的百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū),是世界上內(nèi)陸風(fēng)力最為強(qiáng)勁的地區(qū)之一。區(qū)內(nèi)風(fēng)速高、風(fēng)期長,起風(fēng)速度快,最大瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)64m/s,部分地區(qū)大風(fēng)還伴隨著沙礫,風(fēng)沙曾多次造成既有蘭新鐵路翻車、沙礫掩埋鐵路、擊碎車窗玻璃等事故,給鐵路運(yùn)輸帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的社會(huì)影響[1]。蘭新第二雙線計(jì)劃運(yùn)營速度高達(dá)350km/h,以如此高的速度通過大風(fēng)頻繁,風(fēng)力強(qiáng)勁的風(fēng)區(qū),這在世界鐵路歷史上是史無前例的,沒有任何可以借鑒的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)。因此,通過防風(fēng)結(jié)構(gòu)研究解決大風(fēng)區(qū)高速鐵路防風(fēng)技術(shù)難題,對(duì)蘭新第二雙線的順利建成、建成后鐵路的運(yùn)輸安全、乃至今后西部內(nèi)陸地區(qū)的高速鐵路建設(shè)均有極為重大的意義。

      防風(fēng)工程的首要任務(wù)是防止列車被大風(fēng)吹翻[2-8]。既有蘭新、南疆鐵路均曾發(fā)生過因大風(fēng)吹翻列車,造成人員傷亡的重大事故,因此既有蘭新鐵路在線路迎風(fēng)側(cè)修建擋風(fēng)墻,有效防止了列車因大風(fēng)傾覆[9-10]。但是既有蘭新線運(yùn)行普速內(nèi)燃機(jī)車,蘭新第二雙線運(yùn)行高速動(dòng)車組,這就引起兩個(gè)問題:首先是動(dòng)車組運(yùn)行速度遠(yuǎn)大于普通客車,相同橫風(fēng)條件下,動(dòng)車組所受到的氣動(dòng)升力和傾覆力矩比低速普客列車大很多,并且動(dòng)車組自重較輕,抗傾覆能力相對(duì)較差,因此,擋風(fēng)墻對(duì)動(dòng)車組的防護(hù)效果需要進(jìn)一步研究。其次,防風(fēng)工程的另一要?jiǎng)?wù)是防止受電弓和接觸網(wǎng)脫離。既有蘭新鐵路運(yùn)行的是內(nèi)燃列車,沒有接觸網(wǎng)的問題,而高速鐵路動(dòng)車組運(yùn)行中如果接觸網(wǎng)在大風(fēng)中偏移太大,將使受電弓和接觸網(wǎng)脫離,突然的電力中斷將導(dǎo)致一系列問題甚至是災(zāi)難性的后果。擋風(fēng)墻能否確保大風(fēng)情況下受電弓和接觸網(wǎng)的接觸安全,是否需要采取其他措施還需進(jìn)一步研究。最后,防風(fēng)工程還必須兼顧防沙的功能,蘭新第二雙線所經(jīng)過的幾大風(fēng)區(qū),特別是煙墩風(fēng)區(qū)和百里風(fēng)區(qū),有極為特殊的次生災(zāi)害,即大風(fēng)往往伴隨著沙礫,嚴(yán)重時(shí)擊碎列車的車窗玻璃,損壞車體結(jié)構(gòu),侵蝕和掩埋軌道,給行車安全帶來嚴(yán)重后果。2006年既有蘭新鐵路就曾發(fā)生沙礫擊碎(T70次)列車的車窗玻璃,導(dǎo)致列車傾覆,多人受傷的重大事故。因此,防風(fēng)工程還必須考慮列車高速通過時(shí)的防沙功能。

      目前,最為經(jīng)濟(jì)和應(yīng)用最廣的防風(fēng)結(jié)構(gòu)是擋風(fēng)墻。本文通過數(shù)值計(jì)算、結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)和現(xiàn)場實(shí)測等研究手段,對(duì)擋風(fēng)墻后動(dòng)車組的傾覆安全特性、接觸網(wǎng)的流場特性以及其防沙能力進(jìn)行了系統(tǒng)研究,為蘭新二線的防風(fēng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

      1 擋風(fēng)墻防動(dòng)車組傾覆研究

      1.1 試驗(yàn)風(fēng)洞和模型

      風(fēng)洞試驗(yàn)在中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心8m×6m風(fēng)洞中進(jìn)行。該風(fēng)洞為直流式、閉口、串列雙試驗(yàn)段大型低速風(fēng)洞,本次試驗(yàn)在第二試驗(yàn)段進(jìn)行。第二試驗(yàn)段截面尺寸為8m×6m,長15m,穩(wěn)定風(fēng)速范圍20~70m/s。

      動(dòng)車組試驗(yàn)?zāi)P腿鐖D1所示,模型的比例為1∶15,本次試驗(yàn)以將在蘭新二線運(yùn)行的CRH2型高速動(dòng)車組為研究對(duì)象,采用三車編組:頭車+中間車+尾車。試驗(yàn)需將測力天平等安置在車內(nèi),因此,動(dòng)車組車體內(nèi)部設(shè)計(jì)成空心結(jié)構(gòu);模型外部采用紅松木,內(nèi)撐角鋼焊接的骨架;每輛模型車的頂部、底部和兩側(cè)都設(shè)計(jì)成可拆卸的方式,以方便天平的安裝和調(diào)試,模型的大風(fēng)擋、轉(zhuǎn)向架也均可拆卸。擋風(fēng)墻離軌面的高度為2.5m。擋風(fēng)墻及高速動(dòng)車組的實(shí)驗(yàn)布置如圖2所示。

      圖1 CRH2(型)高速動(dòng)車組模型(單位:m)Fig.1 CRH2High-speed train model(unit:m)

      圖2 擋風(fēng)墻及高速動(dòng)車組實(shí)驗(yàn)布置圖(單位:mm)Fig.2 Sketch of barrier wall and CRH2High-speed train model(unit:mm)

      測力試驗(yàn)采用一組六分量盒式天平,可同時(shí)測量各模型車所受到的氣動(dòng)力和力矩。為避免風(fēng)洞壁面邊界層的影響,在試驗(yàn)段內(nèi)安裝列車試驗(yàn)地板裝置,該地板由5塊獨(dú)立地板拼接而成,中間地板有一直徑7m、可旋轉(zhuǎn)360°的轉(zhuǎn)盤,其它為固定部分。地板前、后緣加工成流線型,以減少對(duì)氣流的干擾,地板之間有傾斜的縫隙;各塊地板后緣下面,有一角度可調(diào)的斜板伸出下表面,通過該斜板可以產(chǎn)生低壓渦區(qū),能夠被動(dòng)地吸除邊界層,以降低地板邊界層的影響。

      1.2 設(shè)置擋風(fēng)墻后動(dòng)車組氣動(dòng)特性

      由于大風(fēng)環(huán)境下,升力、側(cè)向力和傾覆力矩對(duì)列車的安全有重要影響,因此,要考察擋風(fēng)墻防止列車傾覆的效果,應(yīng)分析列車所受到的升力、側(cè)向力和傾覆力矩的特性。表1列出了風(fēng)洞試驗(yàn)測得環(huán)境風(fēng)速度為50m/s,側(cè)滑角為90°時(shí)(蘭新第二雙線的線路和風(fēng)向基本垂直),動(dòng)車組靜止在平地上,在無防風(fēng)設(shè)施和有2.5m高擋風(fēng)墻兩種情況下,動(dòng)車組頭、中、尾各車的升力系數(shù)、側(cè)向力系數(shù)和傾覆力矩系數(shù)。從該表可以看出:無防風(fēng)設(shè)施時(shí),動(dòng)車組所受氣動(dòng)力比較大,設(shè)置擋風(fēng)墻后,動(dòng)車組受到的氣動(dòng)力顯著減小。這是因?yàn)闆]有擋風(fēng)墻時(shí),氣流在動(dòng)車組的迎風(fēng)面滯止,迎風(fēng)面為正壓,而背風(fēng)面為渦流區(qū),其壓力為負(fù)壓,正壓和負(fù)壓方向一致,產(chǎn)生比較大的側(cè)向力;車體頂部由于氣流的膨脹,產(chǎn)生較大負(fù)壓,導(dǎo)致較大的升力;而傾覆力矩主要由升力和側(cè)向力引起,因此傾覆力矩也比較大。設(shè)置擋風(fēng)墻后,動(dòng)車組受到的氣動(dòng)力顯著下降,主要是擋風(fēng)墻的存在,動(dòng)車組周圍的流場發(fā)生巨大變化,在擋風(fēng)墻和動(dòng)車組之間形成一渦流區(qū),動(dòng)車組的背風(fēng)面也存在一渦流區(qū),動(dòng)車組的側(cè)向力取決于這兩個(gè)渦流區(qū)的壓差,渦流區(qū)壓強(qiáng)均為負(fù)壓,兩負(fù)壓方向相反,相互抵消,側(cè)向力絕對(duì)值減小約29%,方向與無擋風(fēng)墻時(shí)方向相反;動(dòng)車組頂部的負(fù)壓也大幅減小,升力變?yōu)樨?fù)升力,增強(qiáng)了抗傾覆的能力;側(cè)向力和升力的共同變化,最終導(dǎo)致傾覆力矩減小約60%。因此,擋風(fēng)墻有較好的防止列車傾覆的能力。

      表1 動(dòng)車組各車氣動(dòng)力系數(shù)比較表Table1 Aerodynamic coefficient comparison between different cars

      分析動(dòng)車組所受到的力,包括在擋風(fēng)墻后氣動(dòng)力、橫向振動(dòng)加速度、垂向振動(dòng)加速度、離心力、重力等,并進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算可以得到:環(huán)境風(fēng)速為45m/s,擋風(fēng)墻后動(dòng)車組在直線上可以以350km/h的速度安全運(yùn)行。

      2 擋風(fēng)墻防受電弓和接觸網(wǎng)脫離研究

      擋風(fēng)墻能對(duì)動(dòng)車組的傾覆進(jìn)行有效的防護(hù),但擋風(fēng)墻是否可以確保大風(fēng)情況下受電弓和接觸網(wǎng)的接觸安全,需要進(jìn)一步進(jìn)行研究。

      接觸網(wǎng)的風(fēng)偏量是衡量受電弓和接觸網(wǎng)接觸安全的最重要指標(biāo),要得到接觸網(wǎng)的風(fēng)偏量,必須準(zhǔn)確模擬接觸網(wǎng)的運(yùn)動(dòng)。但在風(fēng)洞中準(zhǔn)確模擬和測量接觸網(wǎng)的運(yùn)動(dòng)非常困難,首先接觸網(wǎng)的運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜,包含平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、扭轉(zhuǎn),還包含揮舞和顫振等運(yùn)動(dòng);其次,為滿足流場相似,接觸網(wǎng)必須和列車、擋風(fēng)墻采用相同的縮尺比,縮比后的接觸網(wǎng)的運(yùn)動(dòng)很難反映真實(shí)接觸網(wǎng)的運(yùn)動(dòng)。因此,很難通過直接測量接觸網(wǎng)的風(fēng)偏量來研究擋風(fēng)墻對(duì)接觸網(wǎng)的影響。但是,接觸網(wǎng)處的風(fēng)速?zèng)Q定了其運(yùn)動(dòng)狀態(tài),可以通過研究擋風(fēng)墻對(duì)接觸網(wǎng)處風(fēng)速的影響,來評(píng)估擋風(fēng)墻對(duì)接觸網(wǎng)的影響。

      實(shí)驗(yàn)依然在8m×6m風(fēng)洞中進(jìn)行,擋風(fēng)墻的高度為2.5m。上、下接觸網(wǎng)離開軌道頂部距離分別為5.5m和6.9m。接觸網(wǎng)處風(fēng)速主要采用兩排七孔探針進(jìn)行測量,探針位置安裝在第二節(jié)動(dòng)車組中部對(duì)稱線上方,對(duì)應(yīng)接觸網(wǎng)位置。同排探針測試結(jié)果非常一致,而受擋風(fēng)墻和動(dòng)車組的影響,上、下接觸網(wǎng)處風(fēng)速有所差異。表2列出了風(fēng)洞試驗(yàn)實(shí)測動(dòng)車組靜止在平地一線和二線,沒有防風(fēng)設(shè)施和有2.5m高擋風(fēng)墻兩種情況時(shí),不同接觸網(wǎng)位置處風(fēng)速的無量綱速度。測試表明,沿接觸網(wǎng)長度方向和垂向的風(fēng)速比較小,而對(duì)接觸網(wǎng)橫向偏移影響最大的橫向速度比較大。比較有無擋風(fēng)墻接觸網(wǎng)處風(fēng)速,可以認(rèn)為:擋風(fēng)墻對(duì)接觸網(wǎng)基本沒有起到保護(hù)作用,甚至在6.9m位置處還有加速效應(yīng)。根據(jù)文獻(xiàn)[11]可知,進(jìn)一步增加擋風(fēng)墻的高度,可以減小接觸網(wǎng)處的風(fēng)速,但此時(shí)動(dòng)車組的傾覆力矩隨之增加。鑒于擋風(fēng)墻對(duì)動(dòng)車組的傾覆防護(hù)和弓/網(wǎng)的接觸防護(hù)之間的矛盾,并考慮建筑成本,2.5m左右的擋風(fēng)墻是比較合適的,盡管擋風(fēng)墻無法防護(hù)弓/網(wǎng)的接觸安全,但可以采取減小接觸網(wǎng)立柱之間的距離,增加承力索拉力等措施,加強(qiáng)接觸網(wǎng)自身的抗擺動(dòng)能力,防止接觸網(wǎng)因環(huán)境風(fēng)導(dǎo)致的大幅擺動(dòng),確保大風(fēng)環(huán)境下受電弓和接觸網(wǎng)的接觸安全。

      表2 接觸網(wǎng)處無量綱速度比較表Table2 Nondimentional velocity comparison in catenary section

      3 擋風(fēng)墻防沙能力研究

      3.1 玻璃破碎原因分析

      評(píng)估擋風(fēng)墻防止沙礫擊碎列車的車窗玻璃的能力,首先應(yīng)分析列車玻璃被破壞的原因。列車玻璃在風(fēng)沙流的作用下被破壞,主要因素包括風(fēng)和沙兩個(gè)方面,風(fēng)的因素包括:車窗玻璃所承受的靜態(tài)風(fēng)壓差、動(dòng)態(tài)風(fēng)壓差和長期承受壓力所引起的疲勞;沙的因素主要是不同大小沙礫以不同速度沖擊玻璃。

      在沙礫沖擊玻璃試驗(yàn)中,最關(guān)鍵的技術(shù)是沙礫的大小和速度的測定。本次試驗(yàn)采用基于機(jī)器視覺的原理設(shè)計(jì)了一種空間粒子速度和粒徑實(shí)時(shí)測量和分析系統(tǒng),通過圖像處理技術(shù),得到空間粒子的速度和粒徑。

      大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明玻璃破碎的主要原因是沙礫的擊打,風(fēng)壓和疲勞對(duì)玻璃破碎的作用較小。表3為風(fēng)壓4kPa情況下,不同粒徑多顆擊碎玻璃的破碎速度[12]。從該表可以看出兩點(diǎn):(1)粒徑小于2mm的沙礫對(duì)車窗玻璃威脅很小;(2)結(jié)合百里、三十里風(fēng)區(qū)的風(fēng)速分布和沙區(qū)分布,對(duì)列車玻璃威脅最大的沙礫粒徑大于3mm。

      表3 風(fēng)壓下多顆沙礫擊碎速度Table3 Crush speed of sands under wind pressure

      3.2 含沙量隨高度變化分布規(guī)律

      由于列車玻璃破碎的主要原因是沙礫擊打,那么,沙礫隨高度變化的分布直接關(guān)系到擋風(fēng)墻防止沙礫擊碎列車的車窗玻璃的能力。蘭新鐵路K1476+875~K1477+000,屬于溝口地形,易產(chǎn)生大風(fēng)。中鐵西北科學(xué)研究院在K1476+800附近,擋風(fēng)墻上風(fēng)向設(shè)置集沙儀,對(duì)試驗(yàn)期間該處風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測[13],如圖3所示。

      圖3 集沙儀Fig.3 Sand collector

      觀測時(shí)間為4月16日至21日,各級(jí)大風(fēng)持續(xù)時(shí)間情況見表4。表5為集沙儀顆粒分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)表。從該表可以看出,風(fēng)沙流密度、沙石粒徑隨高度增加急劇減少。對(duì)列車玻璃威脅比較大的、粒徑大于3mm的沙礫基本處于1m以下。離地高度3m以上,沙礫的粒徑只有1~2mm,沙礫量也非常小,只有0.1g。

      表4 試驗(yàn)期間各級(jí)大風(fēng)持續(xù)時(shí)間概況表Table4 Wind duration time of different levels during tests

      表5 集沙儀顆粒分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)表(單位:g)Table5 Sand collector particle data(unit:g)

      3.3 擋風(fēng)墻防沙能力評(píng)估

      如前所述,對(duì)蘭新第二雙線,大風(fēng)區(qū)除了大風(fēng)強(qiáng)勁頻繁以外,沙害也是一個(gè)需要高度重視解決的問題。擋風(fēng)墻防沙能力要從兩個(gè)方面評(píng)估,一是防止大風(fēng)卷起的沙礫擊碎玻璃,二是防止侵蝕和掩埋軌道。

      從沙礫的分布規(guī)律來看,設(shè)置離軌面以上2.5m的擋風(fēng)墻后,越過擋風(fēng)墻的沙礫密度非常小,軌道上即使出現(xiàn)很少量的小沙礫,由于這些沙礫粒徑比較小,在地面會(huì)非常容易隨風(fēng)滾離線路,列車風(fēng)也可以將其吹離線路,因此,不可能造成沙礫侵蝕和掩埋軌道的情況。這樣,離軌面以上2.5m的擋風(fēng)墻,有較好的防止沙礫侵蝕和掩埋軌道的能力。

      對(duì)于大風(fēng)卷起的沙礫擊碎玻璃的情況,需要綜合考慮沙礫的粒徑、密度、沙礫的速度、擋風(fēng)墻和車窗玻璃之間的流場等因素。

      圖4為經(jīng)過數(shù)值求解N-S方程后得到的擋風(fēng)墻周圍流線圖[11]。如圖中所示:氣流的主流經(jīng)過擋風(fēng)墻后有所抬升,在擋風(fēng)墻和列車之間存在一個(gè)大的渦,該渦內(nèi)部的氣流速度非常低,并且渦流的氣流流經(jīng)玻璃附近時(shí),其速度方向是順著玻璃的方向,垂直于玻璃的速度非常小。因此,綜合考慮越過3m高(離地面高度)擋風(fēng)墻沙礫的粒徑、密度以及垂直于列車玻璃的氣流速度,可以認(rèn)為,離軌面以上2.5m的擋風(fēng)墻,有較好的防止沙礫擊碎玻璃的能力。

      圖4 擋風(fēng)墻周圍流線圖Fig.4 Streamline around windbreak wall

      4 結(jié) 論

      針對(duì)蘭新第二雙線的工程需要,以解決大風(fēng)區(qū)高速鐵路防風(fēng)技術(shù)難題為目標(biāo),通過大量試驗(yàn)和數(shù)值模擬,研究了2.5m擋風(fēng)墻對(duì)動(dòng)車組、受電弓和接觸網(wǎng)的防護(hù)能力,防沙能力。得到如下結(jié)論:

      (1)擋風(fēng)墻高度為2.5m時(shí)有相當(dāng)好的防止列車傾覆的能力。在其防護(hù)下,動(dòng)車組的傾覆力矩降低了60%左右;

      (2)2.5m高擋風(fēng)墻對(duì)接觸網(wǎng)的防護(hù)作用比較差,無法保證大風(fēng)環(huán)境下受電弓和接觸網(wǎng)的正常接觸。需要從輸電線路自身采取措施,確保大風(fēng)環(huán)境下受電弓和接觸網(wǎng)的接觸安全;

      (3)風(fēng)沙流環(huán)境下,大風(fēng)卷起沙礫擊打玻璃是列車玻璃破碎的原因,風(fēng)壓和疲勞對(duì)列車玻璃破碎影響不大;

      (4)擋風(fēng)墻高度為2.5m時(shí)具有良好的防沙功能。越過擋風(fēng)墻沙礫的粒徑比較小,數(shù)量也非常少,不會(huì)造成沙礫侵蝕和掩埋軌道的情況;擋風(fēng)墻和列車之間的渦使垂直于玻璃的氣流速度比較小,速度小和小顆粒的沙礫,不會(huì)擊碎列車的玻璃。

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