兰新铁路强风地区风沙成因及挡风墙防风效果分析

研究目的:通过对兰新铁路"百里风区"和南疆铁路前百公里强风地区风沙成因进行分析,研究挡风墙后不同高度、不同间距风速变化情况,现场实测挡风墙的"遮蔽效应",对挡风墙的防风效果进行评价.研究结论:兰新铁路强风地区风区大风主要为内陆寒潮性大风,受地形地貌引起的狭管效应、下坡风及局地大气对流效应的影响较大,具有风速高、风期长、季节性强、风向稳定、起风速度快等特点.现场实测表明,挡风墙防风效果显著,3 m高挡风墙后在3 m高内风速较挡风墙外侧风速大大降低,风速20 m/s时有效遮蔽范围超过38 m,有效地减弱了列车的倾覆力矩.不同条件下挡风墙对沙害减弱的影响还需进一步加深研究,这些结论对于今后铁路防风沙具有一定的指导和借鉴作用.     

兰新铁路现有土堤式挡风墙局部加高优化

随着兰新线上通过列车速度的提高,现有土堤式防风墙的防护效果亟需改善,考虑在原有挡风墙顶部进行局部加高改造。基于三维定常、不可压N-S方程与κ-ε双方程湍流模型,采用棚车为代表车型,在横风风速为50 m/s时,分别对不同加高高度的对称和非对称土堤式挡风墙条件下运行速度为120 km/h的货物列车所受气动力进行了数值模拟,以车辆倾覆力矩为考核指标分析挡风墙加高高度对棚车气动性能的影响。研究结果表明,在现有土堤式挡风墙顶部局部加高能有效地提高其对列车的防风作用;其对称土堤式挡风墙合理加高高度为0.28 m,迎风侧高度1 m和2 m的非对称土堤式挡风墙合理加高高度分别为0.62和0.49 m。结果为工程实际应用提供了理论依据。     

强风区挡风墙高度和位置对接触网区域风速的影响

强风区挡风墙的修建能有效保障列车的正常安全行驶。而挡风墙高度和位置的变化直接影响到接触网区域的风速,因此是修建挡风墙时必须考虑的重要因素。采用高雷诺数κ-ε紊流模型,建立了列车分别位于1线和2线时的计算模型,应用计算流体动力学软件STAR-CD对接触网区域在强风区挡风墙作用下的风速和仰角进行了数值模拟计算,得出不同条件下接触网区域风速的分布数据。研究结果表明,挡风墙高度为3 m以上和距线路中心5 m时,是比较适合列车行走的位置。     

戈壁铁路挡风墙背风侧流场特征与挡风功效研究

为了掌握戈壁地区铁路沿线各种既有挡风墙的功效与不足之处,基于流体数值分析方法,对高度为3.0 m的不同形式挡风墙背风侧在不同风速条件下的流场进行了模拟计算分析。得到了不同形式挡风墙背风侧的流场特点、风向和风速变化规律:对拉式挡风墙背风侧的涡流特征显著,其大风遮蔽效应系数呈现出先降后升的规律性变化;而土堤式挡风墙背风侧不仅不存在涡流区,且大风途经土堤式挡墙后流场运动要素变化较小。计算数据显示,对拉式挡风墙的挡风效果优于土堤式;挡风墙高度为3.0 m时,对拉式挡风墙能够满足要求,而土堤式挡风墙则不能满足要求,需要加以改进。以上研究结论为铁路的安全运行与防风沙设计提供参考与依据。     

侧风下挡风墙对CRH2列车一简支梁桥气动性能的影响

以CRH2列车、京沪高铁上32m简支梁桥为研究对象,采用商业计算流体力学软件Fluent,基于三维、定常N—S方程和Realizablek-ε湍流模型,进行侧风作用下挡风墙对车桥系统气动性能影响的数值模拟计算。通过雷诺数、挡风墙等价透风率、挡风墙高度、透风率及风偏角的改变,对车桥气动性能进行研究。计算结果表明：雷诺数对列车气动性能有一定影响。挡风墙高度的增加会使作用于桥梁上的侧力和力矩系数增大,升力系数则变化不明显。在等价透风率挡风墙下栏杆数量多的挡风墙挡风效果优于栏杆数量少的挡风墙。挡风墙高度并非越高越好,而是有一个合理的高度范围。在同一高度挡风墙下,列车气动力系数随着透风率的增大而增大。风偏角对列车气动性能影响的规律基本一致。     

戈壁强风区挡风构筑物限制下列车气动力学特性分析

基于数值模拟分析结论,揭示了在风速为35.1 m/s条件下,2种不同既有挡风构筑物结构形式限制下的列车气动力学特性规律。首先计算得到平坦地表列车所受侧向压力为3 645 N,倾覆力矩为7 900 N.m;路基高度为4.0 m时,侧向压力为7 978 N,倾覆力矩分别为17 820N.m;在平坦地表上设置土堤式挡风墙后,侧向压力与倾覆力矩分别减小45%、36%,设置对拉式挡风墙后,侧向压力与倾覆力矩绝对值分别减小94%和96%;当路基高度为4.0 m时,设置对拉式挡风墙后,压力与倾覆力矩绝对值均减小94%。分析表明,在平坦地表上对拉式挡风墙的防护效果好于土堤式挡风墙,得出各种既有挡风构筑物墙后列车的气动力学特性参数指标,为既有挡风构筑物的优化以及后建工程措施提供参考。     

兰新高铁防风标准研究

研究目的:兰新高铁通过甘肃境内的安西风区和新疆境内的烟墩风区、百里风区、三十里风区、达坂城风区等五大风区,区内风力强劲,大风天数多,严重危及行车安全,影响运输效率。防风标准的研究是防风工程设计的前提,是确定防风工程设计原则、范围的重要依据。为保证列车安全、快速、正常运营,最大限度地减少列车的停轮与限速,需研究兰新高铁防风标准,以采取合理的防风措施。研究结论:防风标准包括风区设置防风工程后允许的限速天数及合理的列车运行速度限值,综合分析大风区不同风速的频率及不同类型的防风结构在大风条件下保证列车安全运行的能力,研究提出:(1)运营预期目标为大风条件下列车原则上尽量少停轮,列车限速天数控制在全年的10%左右;(2)防风结构能力为:大风条件下设挡风墙(屏)地段列车速度限值提高10 m/s,设封闭(半封闭)挡风结构地段列车速度限值提高20 m/s;(3)本研究成果可为戈壁大风区或类似环境地区的铁路工程建设提供借鉴。     

兰新铁路既有防风设施薄弱地段的分析及改造

结合兰新铁路“百里风区”既有挡风墙和其他防风设施,通过数值计算、列车空气动力学实车试验、车辆动力学试验和挡风墙前后风速分布现场试验等,分析在既有防风设施和大风条件下的列车气动性能与速度分布,找出既有防风设施的薄弱环节,提出对土堤式挡风墙、不同形式挡风墙及挡风墙与路堑过渡段、矮路堑的优化方案和改造措施.建议按危险程度分批次逐步实施改造,在补强改造设计时勘察现场,反复论证补强方案的安全性和可行性.     

横风下高速列车通过挡风墙动力学性能

基于列车空气动力学和列车系统动力学数值模拟横风下高速列车通过挡风墙的动力学性能。以运行速度为350km/h的高速列车通过一类挡风墙为例,分析高速列车通过挡风墙的气动力和动力学响应。当高速列车进入和离开挡风墙时,列车的安全性和舒适性指标明显变差。当横风速度为9.56m/s时,车体横向振动加速度最大值达到2.5m/s2;当横风速度为15.0m/s时,列车的脱轨系数超过0.7且轮重减载率超过0.8。在此基础上提出一类具有缓冲装置的挡风墙,使高速列车通过挡风墙时的安全性和舒适性明显改善。     

电气化铁路强侧风条件下列车防风研究

针对新疆地区电气化铁路大风条件下的铁路列车安全进行初步研究。采用数值模拟计算方法,按列车空气动力学理论进行接触网、挡风墙及车辆受到大风空气动力影响的计算。用Fluent流场数值计算软件,按三维黏性流对各种工况接触网、挡风墙及车辆受到的大风空气动力影响分别进行数值模拟计算。根据仿真模拟计算结果,得出初步结论,并提出对于铁路防风工程设置的指导意义。     

大风环境下YW25G型客车横向振动偏移量研究

采用基于机器视觉的车辆动态偏移量检测方法,对YW25G型客车在大风环境下停留和运行时的横向振动偏移量进行了实车测试试验,提出了气动力作用下振动偏移量系数的概念,分析了列车在各种挡风墙后和无挡风墙区段停留时的横向振动偏移量系数,结果表明:得到YW25G型客车在风区停留时的最大横向振动偏移量为67 mm,在风区和非风区运行时的最大横向振动偏移量分别为141 mm和86 mm;无挡风墙时,YW25G型客车的气动力作用下的横向振动偏移量系数最大;在砼枕直插式和砼枕式挡风墙后时,该系数最小;在土堤式挡风墙后的相应系数最大;分别在加筋对拉式、加筋对拉加高式、桥式挡风墙后时,该系数则由小变大.     

加筋土式挡风墙优化研究

研究目的:使车辆受到的气动力减小及挡风墙建设施工具有良好的经济性。研究方法:采用二维粘性不可压缩雷诺平均应力方程,在横风风速为35．1 m／s时,路堤高度、挡风墙高度、设置位置不同条件下,对加筋土式挡风墙背风侧车辆的气动力进行数值模拟计算。研究结果:确定了挡风墙最佳高度和最佳设置位置随路堤高度的变化规律。研究结论:随着路堤高度的增大,挡风墙最佳高度不断的减小,但减小的幅度越来越小,而挡风墙的最佳设置位置变化幅度较小,基本在3．4～3．5之间。     

风沙流对戈壁地区挡风墙响应规律的数值模拟分析

基于FLUENT欧拉双流体模型,对兰新铁路沿线既有挡风墙周围风沙两相流运动特性进行数值模拟,得到挡风墙背风侧的流场分布特点以及积沙情况。结果表明:挡风墙背风侧风速廓线变化规律呈指数增长趋势,在0.5 m至挡风墙自身高度区间内变化较为复杂,呈先减小后增加的趋势;挡风墙背风侧近地表气流速度反向增大后沿着初始速度的方向减小为0且继续增大至初始速度大小,风速最大值增加的幅度保持在50%左右,风速越大,气流的削弱作用越明显;当初始气流速度为较小时,线路上积沙较少,沙粒多数堆积在挡风墙背风侧墙角处;随着风速的增加,单位时间内通过挡风墙的沙粒增多,由于过流断面减小,气流扩散,更多沙粒沉积在线路上;在强风地区,布设挡风墙时应考察线路上风向的地表情况,沙源比较丰富时应采用工程治沙措施来减小风沙流密度,达到防沙的目的。     

强侧风不同挡风墙下棚车气动性能

选用车型为棚车,采用SIMPLEC算法和QUICK精度格式的数值计算方法对强侧风下不同挡风墙类型、不同路堤和挡风墙高度组合棚车的气动性能进行研究.研究结果表明:在防风效果上,土堤式挡风墙最差,加筋对拉式挡风墙相对最优;挡风墙类型为加筋对拉式,当路堤高度一定时,随着挡风墙高度的增加,棚车的倾覆方向由顺风倾覆向逆风倾覆转变...     

土堤式挡风墙加高挡板稳定性分析及研究

在强风以及沙粒共同冲击作用的条件下,为了确定既有土堤式挡风墙加高挡板在各风速下的固定形式,寻找其在风沙两相流情况下的一种安全埋深计算方法。应用数值模拟软件对不同风速下加高挡板周围流场进行分析,探讨流场规律。分别计算风荷载与沙荷载作用下加高挡板的受力,并计算其支座反力,最终确定其在极限条件下埋置深度的近似计算方法,为铁路安全运行与防风沙设计提供参考与依据。     

列车编组方式对运行空气阻力的影响

根据风洞试验结果，分析列车不同混编状况，不同头、尾部形状组合及列车编组长度等对运行空气阻力的影响，为合理确定列车编组方式提供了依据。     

沪昆高铁北盘江特大桥导风栏杆防风效果风洞试验研究

为满足列车在25 m/s风速下以设计速度350 km/h安全通过桥梁,以沪昆高铁北盘江特大桥为工程背景,研发一种桥梁防风装置—导风栏杆。每根导风栏杆由挡风面、导风角、通风孔、加强肋、安装孔构成,挡风面近似为一个扇形结构,上部有导风角,挡风面上部均布通风孔。每根导风栏杆以一定的间距排列,通过螺栓与下部预埋组件相连。通过风洞试验和风-车-桥耦合分析对导风栏杆进行防风效果验证。结果表明:导风栏杆的应用解决了列车在大风情况下的全速安全运行问题,同时提高了列车的乘坐舒适性。导风栏杆兼具挡风、导风、栏杆功能于一体,同时发挥了桥梁防风、行人安全防护的功能。大部分风通过带折角的倾斜导风叶片进行转向,减小了风荷载对导风栏杆的受力,同时减小主梁的受力。