横风作用下高速列车车—桥系统气动性能分析

横风作用下高速列车车—桥系统气动性能分析

【摘要】基于流体力学原理，本文采用数值模拟的方法对横风作用下高速列车车桥的气动性能进行了系统研究。分析了列车自身的气动性能，并且考虑了列车对桥梁抗风性能的影响;计算了列车分别位于左线、右线以及交汇情况下昆阳特大桥主梁的三分力系数和列车的气动三分力系数。该研究成果对于风场作用下车桥系统气动性能计算模型的简化和选取具有重要借鉴意义。

【关键词】车桥系统;数值模拟;三分力系数

1.引言

近年来，高铁技术得到了快速的发展，高铁在给人类带来便利的同时也给工程界提出了大量的技术难题。随着列车运行速度的提高，列车在桥上运行时受横向风作用而引起的稳定性问题引起了学术界的高度重视;铁路运输的基本要求就是保证列车安全运行，横向风作用下的列车横向稳定性是衡量列车安全运行的重要指标。连接亚欧大陆的兰新线，地处新疆戈壁区，在百里风区瞬时最大风速高达64m/s，在世界铁路中也是罕见的，通车以后，数次发生列车被强风吹翻的事故，给铁路运输造成严重后果[1]。因此研究风荷载对车-桥系统的作用，分析列车在桥上运行的安全性、以及乘客乘坐的舒适度等问题，从而使桥梁工程师者全面估算风对列车和桥梁的影响就显得尤为必要。

2.数值模型

本文选择温福铁路线上的昆阳特大桥作为桥梁模型和常见的高速列车作为车辆模型;采用计算流体力学（CFD）技术，基于Fluent软件研究了车桥系统气动性能研究。昆阳特大桥主梁采用单箱双室变高度箱型截面，跨中梁高3.5m。

2.1 计算风速

从“全国基本风压分布图”可以看出昆阳特大桥位于1000Pa等压线内，根据《铁路桥涵设计基本规范》第 4.4.1条规定，风速计算如下：U20=（1.6W0）0.5=40m/s再换算到Z=10m高处的基本风速为35.736m/s [2]，桥址处地表粗糙度接近Ⅱ类，风速剖面指数α=0.16，桥面距地面约9.42m，按指数律计算可得昆阳特大桥桥面处风速为35.4m/s。

2.2 边界条件及湍流模型

计算区域为矩形，主梁断面的高度为h，入口距离迎风面为5h，出口距离背风面10h，上边界距离模型距离8h，下边界距离模型底面距离5h[3]，计算中特征长度为梁体断面高度（包含声屏障的高度）。采用三角形单元，在近壁区对网格加密;入口边界、上下边界都为速度边界，出口为压力边界，模型表面设为无滑移不可穿透边界条件。

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