挡风墙的疏透度对列车运行安全的影响研究

概要：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

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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。

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