高速铁路风障在突变气动荷载作用下的安全稳定性及优化设计研究

It's an effective measure to guarantee operation safety and to improve energy efficiency under strong wind condition by installing windbreak along the railway line. With train induced air flow or transient flow which is formed by strong wind and train include wind, unsteady vortex will be formed around the windbreak structure, which bears rapidly changed aerodynamic load, resonance and buffeting that cause unstable failure will easily occur , thus threatening the safety of running trains on nearby lines. Based on aerodynamics and vibration mechanics theory, combined with numerical simulation and wind tunnel model test, this topic takes windbreak as research object, studies vortex feature in transient flow around windbreaks and time-frequency characteristics of aerodynamic load，analyzes wind-resistant mechanism and safety stability of windbreak structure, determined the action law about aerodynamic characteristics and vibration characteristic of windbreak effected by parameters such as vehicle speed, wind speed, distance between tracks, ventilation rate, and so on, explores work principles of new windbreak structure which meets load reduction needs of crosswind aerodynamic load, has good performance on anti-mutation and stability, and proposes a structure optimal design method of new windbreak. The research result can provide theoretical basis for the optimal design of windbreak around high-speed train, and it has scientific significance and engineering value on wind disaster prevention and reduction

在铁路沿线的大风区安装挡风风障是大风条件下保障高速列车运行安全和提高运行能效的有效措施。挡风风障在列车风或列车风与大风耦合形成的突变气流的作用下，结构附近产生非定常涡流，承受迅速变化的气动荷载，易出现共振或抖振等现象而造成失稳性破坏，从而对附近线路的列车运行安全构成严重威胁。本课题以结构式挡风风障为研究对象，基于空气动力学和振动力学理论，结合数值模拟和风洞模型试验，研究挡风风障在突变气流作用下的涡流特征、气动荷载的时频特性及流固耦合作用，分析其抗风机理及自身的结构安全稳定性，确定车速、风速、轨道中心距以及透风率等物理量对挡风风障的气动特性及振动特性的作用规律，探讨满足列车横风气动荷载减载要求、自身结构稳定性高的新型结构式挡风风障的工作原理，提出新型挡风风障的结构优化设计方法。研究成果可直接为高速铁路挡风风障的设计提供理论依据，对高速列车的风灾防灾减灾具有重要的科学意义和工程应用价值。

在铁路沿线的大风区安装挡风风障是大风条件下保障高速列车运行安全和提高运行能效的有效措施。挡风风障在列车风或列车风与大风耦合形成的突变气流的作用下，结构附近产生非定常涡流，承受迅速变化的气动荷载，易出现共振或抖振等现象而造成失稳性破坏，从而对附近线路的列车运行安全构成严重威胁。.本课题以结构式挡风风障为研究对象，基于空气动力学和振动力学理论，提出了一种适用于高速铁路的新型腔室耗能型挡风风障，并获得国家发明专利授权。与现有的单层金属波纹板挡风风障相比，新型风障具有更好的抗风性能和自身结构安全稳定性，适用于高速铁路防风工程和高速列车大风下安全运营控制。.通过数值模拟和风洞模型试验，研究了挡风风障在突变气流作用下的涡流特征与气动荷载的时频特性，分析了其抗风机理及自身的结构安全稳定性，掌握了新型腔室耗能型挡风风障的减载抗风特性、风障表面的列车风致空气脉动压力的变化规律、横风与列车风耦合作用下的风障非定常气动特性、横风作用下不同形式单双层风障的消能特性等内容。分析了车速、风速、轨道中心距以及透风率等物理量对挡风风障的气动特性及振动特性的作用规律，探讨了满足列车横风气动荷载减载要求、自身结构稳定性高的新型结构式挡风风障的工作原理。提出了将多孔介质模型与滑移网格及嵌套网格相结合的数值模拟方法，进行了新型腔室耗能型挡风风障的动模型试验、实现了挡风风障的流固耦合计算，提出了采用振荡流体力学原理研究挡风风障激振问题的设想。提出了新型挡风风障的结构优化设计方法。.研究成果可直接为高速铁路挡风风障的设计提供理论依据，对高速列车的风灾防灾减灾具有重要的科学意义和工程应用价值。