图1 路堤模型断面图/mm
Fig.1 Cross section of embankment model
中国西部山区地形起伏多变，多变的地形导致了线路形式多种多样，各种线路形式相互交隔。已有研究表明，线路横断面形式不但会改变线路上方的风环境也会影响车辆的气动力特性，当处于强横风环境中时，甚至会对列车运行安全产生威胁[1―2]。在日本，出现过列车经过路桥过渡区域时被大风吹翻的事故，事故造成了数人伤亡[3―4]。在中国兰新线，大风导致列车停运100多列次，吹翻列车超过100 节[5―7]。
近些年来，许多学者针对不同的线路形式进行了研究，在研究中，风洞试验和数值模拟是最为常见的两种研究方法。以大跨度桥梁为研究对象，王少钦等[8]建立了风-列车-桥的非线性耦合分析模型，郭薇薇、李永乐等[2,9―10]则探讨了风荷载对列车动力响应的影响和列车运行安全进行了分析。梅元贵等[11]进一步研究了侧风下高速列车绕流的数值模拟方法。Baker[12]通过对现场实测和风洞试验的方法，探究了地形对路堤上方风速的影响。Suzuki等[13]以路堤为研究对象，研究了路堤高度对列车气动特性和路堤上方风剖面的影响。针对路堤风屏障，Avila-Sanchez[14]探究了风屏障参数对列车气动特性的影响。以路堤为研究对象，通过大量的风洞试验，可以得到以下结论：车辆的侧倾力矩与其收到的风速大小相关；以竖向力、横向力以及倾覆力矩为判断标准，湍流积分尺度越大，车辆所受的气动力荷载越大[15―16]。
此外，部分学者也研究了雷诺数对列车气动力的影响[17―18]，探讨了不同类型车辆的气动特性[19]。有些研究人员采用数值模拟的方法，以路堑为研究对象，研究了路堑深度、路堑边坡坡度等对列车气动力的影响[5,20―21]。LIU通过CFD方法，研究了列车经过路堤-路堑过渡段时，挡风墙过渡区域对列车气动力的影响[22]。
结合上述研究，针对线路过渡区域的研究尚少。中国山区地形多变，对线路进行挖方和填方是不可避免的，因此路堤和路堑是十分典型的线路形式：路堤上凸的外形会压缩线路上方的气流，被压缩后的气流会改变路堤上方的风环境，同时也会加速线路上的气流速度从而使得列车所受的气动力增大[18]；而路堑下凹的外形会产生相反的效果，路堑线路上方的气流速度更慢。在路堤-路堑过渡区域的研究尚少，无法准确的确定列车经过时所受的气动力特性以及线路过渡区域上方的风环境。因此本文以高路堤和浅路堑过渡区域为研究对象，在风洞中建立了1∶20大比例尺节段模型，研究了线路交界处不同横向位置和沿线不同位置线路中心处的风环境；同时，以中国CRH2高速动车组为对象，研究了车辆在线路交界处不同横向位置、不同沿线位置的列车气动力。
路堤-路堑过渡段模型由路堤单体模型、路堑单体模型及CRH2列车模型组成，试验采用双线铁路。为了更加准确的模拟路堤-路堑过渡段的风场分布和列车受力特点，应采用大比例模型，模型缩尺比为1/20，路堤、路堑模型长度均为6 m，模型总长度为12 m，模型的轨道中心线间距为250 mm。列车模型共有三列，分别为头车、中间车和尾车，为了减小测试中的车辆晃动，中间车长为 800 mm，其余车辆长度为 1200 mm，列车模型高 175 mm，宽169 mm。路堤模型(如图1所示)以6 m高路堤为设计原型，模型高度300 mm，顶部宽680 mm，底部宽1581.8 mm，路堤单体模型总长度为6000 mm。路堑采用深路堑和浅路堑两种形式，对于浅路堑，车辆顶部暴露在路堑之外，受力较深路堑更为不利，试验中车辆暴露在路堑外的高度约为72 mm(对应实际高度约为1.44 m)，因此，本研究中采用浅路堑作为研究对象。路堑模型(如图 2所示)宽度为680 mm，长度为6000 mm。如图2所示，路堑模型采用支架将其整体抬高，两侧的水平板可以有效的隔离空气，上部的空气组成了路堑上方的风环境，下方架空，允许气流通过，以弱化模型迎风侧边缘对来流流场的影响。在试验中，车辆静止，采用拟动态方式模拟车辆运行，测试了线路不同位置的风剖面以及列车气动力。
图1 路堤模型断面图/mm
Fig.1 Cross section of embankment model
图2 路堑模型断面图/mm
Fig.2 Cross section of cutting model
试验在西南交通大学 XNJD-3工业风洞中进行，风洞尺寸为 22.5 m(B)×4.5 m(H)×36 m(L)，放置在风洞中的模型如图3所示。试验中，采用眼镜蛇脉动风速仪进行风剖面测试，测试了模型上方不同水平位置、不同竖向位置以及不同线路纵向位置的风速，眼镜蛇风速测试仪安装示意图以及测点高度布置如图4所示，不同线路位置测点高度布置测点数量不同，线路交界处的测点包含图4(b)中所示的 13个测点，非线路交界处的测点则不包含带星号的测点，沿线测点布置及测点编号如图5所示。
图3 路堤-路堑过渡段缩尺模型
Fig.3 Scaled model of embankment-cutting transition zone
图4 眼镜蛇风速测试仪及测点高度
Fig.4 Cobra wind velocity instruments and the height of
图5 沿线测点布置及编号/mm
Fig.5 Arrangements along the route and numbering of measuring points
对于列车气动力，采用5 kg动态测力天平进行测试，图6所示为气动力测试示意，动态测力天平位于测试车辆的几何中心，其中心距车辆模型底部87.5 mm。在试验中测试了不同风速(6 m/s、8 m/s、10 m/s)下，沿线不同位置单线车辆和双线车辆(即考虑车辆的迎风侧或背风侧是否存在遮蔽效应)情况下迎风侧和背风侧的车辆气动力系数。在试验中，车辆模型采用三车模型，研究仅针对中间测力车，头车和尾车仅相当于气动过渡段，以保证中间测力车的稳定性，减弱车辆两端的绕流影响。气动力测试点位如图 7所示，沿线路纵向布置，测点间隔200 mm，点位均匀分布在不同的线路上，沿线共布置9处，共计18个测点，路堤段和路堑段的测试点位范围与中间车车长2倍一致，以模拟一节列车完整的经过线路交接处。
图6 CRH2列车气动力测试
Fig.6 Aerodynamic forces test of CRH2 vehicles
图7 测力车辆点位布置图及编号/mm
Fig.7 Measurement points arrangement along and numbering of vehicle
气动力参数是一组描述静风力的无量纲量，其定义如下：
式中：α为来流攻角；ρ为空气密度，取1.25 kg/m3；H、B、L分别为列车阶段模型的高度、宽度及长度；FH(α)、FV(α)、MZ(α)分别为不同风攻角α下，采用体轴坐标系时的侧向阻力、升力和倾覆力矩。气动力系数示意如图8所示。
图8 气动力示意图
Fig.8 Sketch of aerodynamic forces
针对线路交界处，测试了迎风侧、背风侧轨道上方以及线路中心线上方的风速剖面，且在本研究中不考虑风向角的影响。图9为线路交接处不同水平位置上方的平均风速剖面图(以轨面高度为基准，向上为正，测点高度H作为竖轴，测点风速值与来流平均风速的比值U/U0作为横轴)。由图9可知，在线路交界处，线路上方的稳定来流风速很接近来流平均风速值(风洞试验风速U0=10 m/s)，说明过渡区域的影响高度在试验测试高度之内。在线路交接处，对比分析线路不同水平位置、不同高度的风速，可以发现如下规律：线路上的风速变化均为先减小再增大，在测点位置较高的地方(H＞ 2 00 mm )，风速的增幅是远远大于测点位置较低的地方的(H＜ 2 00 mm )。分析图9，测点位于迎风侧时，在40mm高处达到最小值，当高度大于180 mm时，变化趋于稳定；测点位于线路中心处时，在80 mm高度处达到最小，同样在180 mm高处达到稳定；对于背风侧，在100 mm高度处，达到最小值，当高度大于240 mm时，风速趋于稳定。由此可知，交界处的风速影响高度在线路横向有所不同，这可能是线路上方的附属结构导致的。图 10为沿线不同位置(测试位置及编号如图 5所示)，线路中心线上方的风速剖面。由图 10可知，与线路交界处不同的是，在线路非交界处，线路上方的风速是随着测点高度的增加而增加；路堑部分的风速小于试验的来流风速U0，这是因为路堑下凹，对气流有扩散作用；路堤部分的风速大于试验来流风速U0的，这是因为路堤上凸，对气流有压缩作用。
图9 线路交界处线路上方风速剖面图
Fig.9 Wind velocity profile above the railway line at the juncture of different routes
图10 沿线不同位置线路中心线处的风速剖面图
Fig.10 Wind velocity profile above the railway central line at different locations along the track
3.2.1 单线车辆
为了探究在单线车辆情况下的列车气动力，试验中测试了不同风速(6 m/s、8 m/s、10 m/s)，沿线不同位置处迎风侧与背风侧列车的气动力，测试点位布置如图7所示，气动力系数如图11～图13所示。由图可知，当测力车辆位于线路同一侧(即同时位于迎风侧或背风侧)时，风速发生变化时，车辆气动力系数的变化趋势基本是一致的。当风速增大时，阻力系数和升力系数随之减小，在线路交界处的变化时最大的，由于风洞试验中的雷诺数远小于实际情况[13](在实际情况情况下，即风速U=30 m/s、列车高度HV=3.5 m，Re=7.1× 106；本试验中列车模型高度hV=0.175 m，Re=0.71× 1 05～1.18× 1 05)，因此气动力系数随风速变化是雷诺数效应导致的。分析每幅图中的6条曲线，可以发现过渡区域对气动力的影响范围主要在LQ60～LD60之间。按照图7中的由左至右进行测试，测试点位由 LQ60向LD60移动时，迎风侧阻力系数在不停的波动，在线路交界处出现最小值，这可能是在线路交界处，路堤侧和路堑侧的气流相互影响，交界处的气流紊乱，风速较低所导致的；路堤侧最大值出现位置为LD20，路堑侧为LQ20，路堑侧的最大值稍小于路堤侧，这说明当列车经过路堤-路堑过渡段时，列车在路堤侧所受阻力变化更大，波动更大。观察车辆在背风侧的阻力系数变化曲线可知，车辆在路堑侧所受的阻力大于路堤侧，且随着风速的增大，差异越明显，当风速为 10 m/s时，不同线路相差最高达94.4%(LQ40相比于LD40而言)，这是不同线路结构的断面形式造成的，路堑是一个下凹型结构，当气流流经路堑时，路堑边坡和底部对气流产生导向和遮挡作用，使得气流方向与车辆侧面法线的夹角变小，而路堤则是一个上凸的结构，当气流经过路堤边坡时，气流方向与车辆侧面法线的夹角变大，由此可以解释路堑侧阻力系数大于路堤侧。
图11 单线车辆下沿线不同位置的列车阻力系数
Fig.11 Vehicle drag coefficients at different points along the route under the condition of single track
图12 单线车辆下沿线不同位置的列车升力系数
Fig.12 Vehicle lift coefficients at different points along the route under the condition of single track
图13 单线车辆下沿线不同位置的列车力矩系数
Fig.13 Vehicle moment coefficient at different points along the route under the condition of single track
分析图 12可知，当车辆位于背风侧时，升力系数始终为负，则表示风使得车辆产生了额外的下压力，车辆是始终处于安全状态的。当车辆位于迎风侧时，升力系数变化明显，整体而言，相比于路堤侧，路堑侧偏于安全，在LD20处，升力系数值为正，表示车辆被受到向上的升力作用，这可能是由于在靠近线路交界处，流经路堤边坡的气流被压缩，这种局部压缩增大了气流的速度，加之路堤边坡是斜向上的，因此此处的气流对车辆产生了一个斜向上的力，该力使得车辆出现了正升力，也使得LD20处的阻力系数变大(见图11)。
根据图 8，力矩系数表示的是列车倾覆滚动，由图 13可知，无论是迎风侧还是背风侧，在线路交界处，力矩系数均发生了突然变化，但背风侧更为不利。
3.2.2 双线车辆
对于双线铁路，双车交汇是时常发生的，当出现车辆交汇时，会在车辆的前侧或后侧产生遮蔽效应。本文的研究对象是中间车辆，双车交汇时车头产生的气动干扰对中间车辆的影响是有限的，因此采用静止车辆的方式开展研究。
为了探究遮蔽效应对中间车辆气动力的影响，系统测试了双线列车不同风速(6 m/s、8 m/s、10 m/s)，沿线不同位置，迎风侧和背风侧的车辆气动力(详细如图14～图16所示)。由图可知，当车辆在线路一侧移动时，风速发生变化时，列车气动力系数的变化趋势仍然是一致的。与单线的结果类似，当风速增大时，列车气动力系数随之减小。
图14 双线车辆下沿线不同位置的列车阻力系数
Fig.14 Vehicle drag coefficients at different points along the route under the condition of double track
图15 双线车辆下沿线不同位置的列车升力系数
Fig.15 Vehicle lift coefficients at different points along the route under the condition of double track
图16 双线车辆下沿线不同位置的列车力矩系数
Fig.16 Vehicle moment coefficient at different points along the route under the condition of double track
分析图 14可知，迎风侧车辆的阻力系数大于背风侧的阻力系数，这是因为位于迎风侧的车辆对背风侧的测试车辆产生明显的遮蔽效应。车辆位于迎风侧，当测试车辆从路堑侧往路堤侧移动时，阻力系数整体上呈现出增大的趋势。这是由于线路形式改变引起的，路堑的下凹结构使得流经的气流速度相对较低，而路堤是上凸结构，对气流产生压缩作用，压缩作用会导致气流速度增大，从而增大列车所受到的侧向阻力。当测试车辆在线路交界处及其附近时，由于交界处的气流较紊乱，其平均风速相对其附近较低，因此线路交界处的阻力系数小于附近位置处的阻力系数(与LQ20和LD20相比较)。迎风侧的阻力系数要大于单线情况列车的阻力系数，这是由于背风侧车辆的存在减小了迎风侧车辆后方的负压区面积。车辆位于背风侧时，当测试车辆由路堑向路堤移动时，阻力系数整体上呈现减小的趋势。需要注意的是，当车辆进入路堤侧时，背风侧车辆的阻力系数逐步减小最后变成负阻力，即车辆所受的侧向力是与来流风向相向的。这是由于位于迎风侧的车辆产生了遮蔽区域，遮蔽区域的存在大大减小了背风侧车辆的迎风风速，因此背风侧车辆的后侧负压区使得车辆产生了负阻力。分析图16可知，迎风侧车辆的升力系数变化趋势与单线车辆是相似的，基本为负升力。对于背风侧车辆而言，其升力系数略小于 0。无论车辆位于迎风侧还是背风侧，当车辆位于LD20时，阻力系数出现了突变，这是因为在LD20处，气流同时受到路堤边坡和路堑交界处边界的挤压，气流速度突然增大所导致的。对于力矩系数，可以发现迎风侧与背风侧车辆所受的力矩方向是相反的。在路堑侧，迎风侧车辆为负力矩，背风侧基本为正力矩，这说明在两列车中间的某个区域形成了一个漩涡，且该漩涡的流速低于其附近的流速，根据伯努利原理，相对低速的漩涡在列车的顶部产生了推力；在路堤侧，车辆所受力矩的方向与路堑侧相反，则可能是在两列列车中间产生了流速较高的漩涡，使得两列车相互吸引，这一点与阻力系数的变化是一致的。
本文以路堤-路堑过渡段为研究对象，研究了线路过渡区域不同位置的风速变化，探讨了车辆在线路不同位置下迎风侧和背风侧车辆的气动力变化，得出以下结论：
(1) 由于线路交界处线路形式变化明显，由此导致了该处的气流十分紊乱，其上方的实测风速小于来流实际风速。线路过渡区域的影响范围大约实在轨道上方250 mm(对应实际工程中的5 m)以内；
(2) 在线路交界处，不同高度处的风速受不同类型线路形式的主导。高度低于150 mm(对应实际工程中的3 m)时，线路交界处的风场受路堑主导；高度在150 mm～250 mm(对应实际工程的3 m～5 m)时，线路交界处的风场受路堤主导；高于 250 mm时，线路交界处的风场基本和来流一致；
(3) 风洞试验的雷诺数远小于实际情况，由于雷诺数效应，当风速增大时，阻力系数和升力系数随之减小；
(4) 车辆由路堑侧向路堤侧移动，对于阻力系数而言，迎风侧基本上大于背风侧，迎风侧整体上为增大，而背风侧整体上是减小的；在路堑侧，对于背风侧车辆，双线车辆工况下的迎风侧的阻力系数大于单线车辆工况，而对于迎风侧车辆，则相反。此外，处于背风侧的测试车辆会出现阻力系数为负的现象；
(5) 对于行车安全性而言，紧邻线路交界处的区域较线路交界处更不利，其中路堤侧较路堑侧更为不利。
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WIND TUNNEL TEST STUDY ON COMPLEX WIND FIELD AND VEHICLE AERODYNAMIC EFFECTS IN EMBANKMENT-CUTTING TRANSITION ZONE IN HIGH-SPEED RAILWAY
房 忱(1991―)，男，山东人，博士生，主要从事桥梁风工程研究(E-mail: fangchenwave@163.com);
李永乐(1972―)，男，河南人，教授，博士，博导，主要从事桥梁风工程及车桥耦合振动等动力行为研究(E-mail: lele@swjtu.edu.cn);