《挡风墙的疏透度对列车运行安全的影响研究》

以下是一篇关于挡风墙的疏透度对列车运行安全的影响研究的毕业论文开题报告，欢迎浏览！

摘 要：随着列车速度的不断提高，列车与空气之间的相互作用变得更加强烈。强侧风对高速列车所产生的强大的气动力将影响列车的安全运行，对于高速列车在强风用作下的气动力特性的研究变得越来越重要。本文借助大型流体计算软件FLUENT，对侧风作用下高速列车的气动特性和外部流场进行了数值分析研究。通过对模拟计算结果的理论分析，本文阐述了列车表面压力在风场中分布的原理，得到了强风作用时，侧向力、侧倾力矩、侧偏力矩等重要参数的变化规律。而且在来风一侧增建挡风墙，并得到各种疏透度挡风墙防护下的列车气动力性能，以及列车重要参数随挡风墙疏透度的变化规律。并通过优化分析提出了对列车防护效果最好的挡风墙方案。本文对高速列车防风安全工程提供了新的思路，为挡风墙的优化设计提供了理论依据，具有较大的应用价值。

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。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。

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。

首先我们分析无挡风墙时的列车气动力情况。车速保持75m/s（即270 公里每小时的高速列车）不变。在风速为40m/s 时，列车受到的z 轴的侧倾力矩。当风向角确定时，侧倾力矩沿车身方向的变化规律为：在第1 小节侧倾力矩较小，第2 小节侧倾力矩最大，从头车第3 小节到尾车第13 小节侧倾力矩比较平稳。第14，15小节侧倾力矩急剧减小。列车气动力矩随风向角的变化为：随着风向角从0°到90°的增大，侧倾力矩逐渐增大，风向角在90°的时候达到最大。随着方向角从90°到180°的增大，侧倾力矩逐渐减小。侧倾力矩是列车安全运行最值得关注的因素。如何防止因为侧倾力矩过高而发生危险是改善列车运行环境的主题。由图中我们发现在头车第1 小节与尾车第15 小节，侧倾力矩不如车身处大，不是发生危险的主要部分。而第2 小节是列车因为侧倾力矩过大发生危险最有可能的地方。通过现有的办法，使之减小，是使列车运行安全的有效办法。沿着车身方向，侧倾力矩比较平稳，如何使这个沿着车身方向稳定的侧倾力矩减小也是使列车运行安全的主要因素。

下面我们模拟了实心的挡风墙对列车的防护效果。为高速列车在实心挡风墙防护下的z 轴侧倾力矩。对比无挡风墙时列车z 轴侧倾力矩发现：侧倾力矩沿车身方向有一样的变化规律，即头车第2 小节最大，侧倾力矩沿车身方向变化平稳。侧倾力矩在尾车第15 小节处随着列车形状的差异变化很大。不具有代表意义。车身依然是我们研究列车安全的重点。在无挡风墙时侧倾力矩最大的小节为17.5×104Nm。加挡风墙以后侧倾力矩在车身处仅有2.2×104Nm。侧倾力矩减小到了八分之一以下。侧倾力矩是列车发生危险的最主要因素。如何降低它一直是研究列车安全运行的关键。侧倾力矩主要是由来流直接作用在车体表面，使得列车受来流一侧的力过大造成的。还有就是来流对列车进行绕流以后，使得列车产生升浮力后失去稳定性。加挡风墙以后，来流先冲击到挡风墙，在挡风墙后形成一个大大的涡旋，列车在其中没有与流体的激烈碰撞与突变。受到了很好的保护。修建挡风墙对列车的运行安全有非常好的防护效果。因此，在列车的防风研究中，挡风墙一直发挥着不可替代的作用。

挡风墙的高度、厚度、距离列车的位置同行的科研成果中已给出最合理的优化。本文也是选取的防风效果最好的挡风墙。在挡风墙的高度、厚度、距离列车的位置都固定的前提下，在挡风墙内部有规律的挖出来一些缝隙。我们叫它为挡风墙的疏透度。通过这些缝隙来改变流场，使得原来来流作用在挡风墙上，在后面所形成的大大的涡旋，改变成有规律的细小平稳的涡旋，使得来流对列车所造成的危险降到更低。使得列车的运行更加安全。这个想法是否存在合理性，我们下面的工作正是去验证它。以此为出发点，我们把原来的实心挡风墙修建成了有疏透度的挡风墙。疏透度为缝隙的空间与原来实心挡风墙空间的比例。我们做了5%挡风墙、10%挡风墙、20%挡风墙、25%挡风墙、30%挡风墙、35%挡风墙、40%挡风墙。为了做比较，我们把原来的实心挡风墙，即没有挖缝的挡风墙叫做疏透度为0%的挡风墙。我们把风向角固定在90°，因为在无挡风墙时，风向角90°时，列车最危险。我们做挡风墙的目的就是降低危险。所以我们取有代表性的90°风向角进行研究。一样道理，风速越大越危险。我们去通常情况下自然风速的最大值40m/s。只把挡风墙的疏透度为变量。首先对头车第2 小节进行分析。因为在头车第2 小节，侧倾力矩是最大的，这里最容易发生危险。研究头车第2 小节的侧倾力矩在不同疏透度挡风墙的变化规律很有代表意义。给出了规律的曲线图。x 轴表示的是挡风墙的疏透度，y 轴表示头车第2小节侧倾力矩的具体指。由于发现在挡风墙疏透度为10%的时候，头车第2 小节侧倾力矩有明显下降，因此我们对7%，9%，10.5%，11%，13%疏透度的挡风墙进行了补充模拟。由图我们发现随着挡风墙疏透度的增大，第2 小节的侧倾力矩不是单调增加的，而是在7%疏透度的时候有了第一次降低，在10%疏透度的时候有了第二次降低。而且降低到比0%挡风墙即实心挡风墙时侧倾力矩更低。这就证明了挡风墙在一定的疏透度下，比实心的挡风墙防风效果更好的理论。这就使得挡风墙对高速列车防风研究中提供了新了思考。即当挡风墙有了一个合理的疏透度以后，不仅可以节约耗材，而且防风效果还能更好。

头车第2 小节是最容易发生危险的地方，接下来我们对中间车的第7，第8，第9 小节进行分析。因为沿车身方向z 轴侧倾力矩没有太大变化，比较平稳。因此对中间车的三节进行分析对z 轴侧倾力矩沿车身方向的变化规律有代表意义。为各种疏透度挡风墙防护下的中间车第7 小节z 轴侧倾力矩。侧倾力矩在5%疏透度的时候有第一次降低，在9%疏透度的时候有第二次降低。这与头车第2 小节侧倾力矩随挡风墙疏透度的变化情况不一致。这说明随着挡风墙疏透度的增加，在头车与中间车z 轴侧倾力矩不是同时达到最小值。不过这没关系。我们会找到一个最佳的疏透度，使得这时的挡风墙对列车在整体上防护效果最好。当挡风墙的疏透度在超过15%以后，侧倾力矩随着疏透度的增加而单调增加。

各种疏透度挡风墙防护下的中间车第8 小节z 轴侧倾力矩。侧倾力矩在第8 小节的具体数值上与在第7 小节上的很接近，侧倾力矩在第8 小节上随挡风墙疏透度的变化规律与第7 小节上的大致相仿。在疏透度为10%的时候有唯一一次降低，也是在疏透度超过15%后，侧倾力矩单调增加。

各种疏透度挡风墙防护下的中间车第9 小节z 轴侧倾力矩。在具体数值上，侧倾力矩在第9 小节与第7、8 小节的都很接近。不过侧倾力矩随着挡风墙疏透度的变化很有规律性。侧倾力矩从0%疏透度到7%疏透度逐渐增加，到了9%疏透度开始降低，到10%疏透度的时候达到最低。而且低于0%疏透度。此时的列车第9 小节最安全。疏透度超过10%以后，侧倾力矩开始逐渐增加。从下图发现，在10%疏透度时，侧倾力矩有明显的降低。综合列车第2、7、8、9 小节。我们发现了共同的规律就是在当挡风墙疏透度为10%的时候，这些小节的侧倾力矩都比实心挡风墙的侧倾力矩更低。整体上来看，10%疏透度的挡风墙达到了各个小节侧倾力矩最合理的优化。此时的列车整体上最安全。

侧风在经过挡风墙之后，在列车周围形成了大大的涡旋，列车被包围在涡旋当中，列车顶部流体流速比较大，侧面流速比较小，列车在涡旋作用下，虽然比流体直接作用在列车上安全。但是涡旋里面流体环绕着列车运动，涡旋越大，流体的流速也越大。列车在其中运行，流体对列车的气动力和气动力矩也就越大。当挡风墙有5%的疏透度以后，流体大部分还是绕过挡风墙后在列车周围形成涡旋。由于有一小部分流体从挡风墙的缝隙流过，因此绕过挡风墙在列车周围形成涡旋的流体一定减少。因此涡旋也会变小。而且从缝隙中流过的流体会对形成涡旋的流场进行冲击，使流场趋于平稳和稳定。这个时候，列车处在相对侧向流速不大，流场平稳的环境中。其运行的安全性增大。挡风墙的疏透度由5%增大到10%后，随着从挡风墙缝隙中流过的流体的增多，流过挡风墙后，环绕列车的流体进一步减少。在列车周围会形成减弱了的涡旋，但从挡风墙缝隙中流过的流体是方向垂直于列车的平稳的流体。平稳的流体会使得旋转的涡旋流体变得平稳，涡旋中旋转的流体会使得垂直于列车的流体变得环绕着列车。二者共同作用的结果使得列车周围流场变成了速度小、沿着车身方向的均匀的流场。在这种流场是列车运行的最佳流场。这个最佳流场的存在说明了，当疏透度再大一些，透过挡风墙缝隙的来流流场成为主流，当疏透度再小一点，绕过挡风墙在列车周围形成涡旋的流场成为主流。正是这个最佳流场的存在，使得挡风墙疏透度优化的过程中存在一个值。使得列车的运行安全系数最高。综合头车、中间车和尾车的侧倾力矩随挡风墙疏透度的变化规律。发现挡风墙疏透度为10%的时候，列车整体的安全性达到了一个最大值。这个时候的挡风墙对列车的防护效果比其他疏透度的挡风墙都好，甚至比实心的挡风墙更好。

3 结 论

本文以高速列车为研究对象，在强风环境中对挡风墙的防护效果进行了数值模拟分析。提出了改变挡风墙疏透度的办法，模拟和分析了不同疏透度的挡风墙防护下的列车气动力性能。本文的主要结论如下：

（1）列车的气动力性能沿车身方向较为平稳，但是在车头部位变化较大。因此，进一步提高列车运行速度时，应更加注重车头的气动性能研究。列车的压力沿车身方向变化平稳说明了文中对列车简化为3 大节（头车、中间车、尾车）的合理性。

（2）对比无挡风墙时列车的气动性能和有挡风墙时列车的气动性能，发现挡风墙对列车的防护效果很好。列车的气动力矩在有挡风墙以后可以降低到原来的八分之一以下。大大增加了列车运行的安全性。

（3）分析了列车的气动力性能随挡风墙疏透度的变化规律。当车速和风速一定的时候，随着挡风墙疏透度的不断增加。列车的气动力矩逐渐增加。列车运行危险性增大。但当疏透度增大到一定值的时候，列车的气动力矩开始降低，列车运行危险性降低。当疏透度达到一个最佳值得时候，列车的气动力矩最低，此时的列车运行最安全。而后，随着挡风墙疏透度进一步增大，列车的气动力矩随着挡风墙疏透度的逐渐增加单调增大。结果表明：挡风墙疏透度存在一个最佳值，使得此时的列车运行安全性最好。这时的挡风墙不仅对列车防护效果最好，而且节省了耗材。

本文通过用有限元软件进行的模拟计算，证明了防护效果最好的挡风墙不是实心挡风墙，而是10%疏透度的挡风墙。但本文的研究只是数值模拟的结果。数值模拟有其成本低，见效快的优点。但任何一项科研研究都需要实践的检验。在今后的工作，还需要理论联系实际，以数值模拟为辅，实车实验为主，把这项工作在现实中开展。争取早日在我国修建出防风效果最好又能节约大量材料的挡风墙。