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火车倾覆的力学分析.pdf
第十四届全国结构风工程学术会议论文集
火车倾覆的力学分析
黄宁
(兰州大学西部灾害与环境力学教育部重点实验室,兰州,730000)
摘要采用七—8双方程湍流模型,对无挡风墙与有挡风墙两种情况下火车附近的流场进行
了数值模拟,并通过火车受力分析给出了火车倾覆的临界条件;在火车高度、运行速度和来流横
风速度相同时,通过对直轨和曲轨、有无挡风墙等不同情况下数值模拟结果的分析,发现风速在
有挡风墙后发生了明显的降低,风对火车的作用力矩最多减少了50%(在墙高4m时),可见使用
挡风墙后会起到明显的防风效果;最后在数值模拟结果以及火车倾覆条件分析的基础上,得出了在
安全系数为1.25.1.35时,兰新线上柳树采至小草湖段“百里风区”挡风墙可设置为3.25m的结论.
关键词大风、挡风墙、倾覆力矩
1.引 言
兰新铁路是新疆境内通往中国其他省区的惟一铁路通道。兰新铁路柳树泉至小
草湖段全长150.5公里,地势北高南低。这段线路北面遥对博格达山与巴里坤山山
间的七角井垭口,每年春秋两季,吐鲁番、鄯善、托克逊盆地上升的热气流与垭口
南下的冷空气相遇,使天山南北气压梯度提高,风速剧增,形成了柳树泉至小草湖间
150多公里的受风带,即通常所称的“百里风区”,那里最高风速可达64米/秒,
是12级风底限值的近两倍。该地区一年中刮风天气占2/3,其中最大风力超过12级,
最严重时有16节车厢被大风刮翻。40多年来,该线著名的“百里风区”和三十里
风口给铁路运输带来了极大危害。如2007年2月28日从乌鲁木齐驶往阿克苏的5806
次列车在经过百里风区时遭遇特大沙尘暴,11节车厢被狂风推翻。造成3人死亡,
2名旅客重伤,32名旅客轻伤,南疆线被迫中断行车。兰新铁路运输“百里风区”
每年因大风停运达到了lO
000分钟,造成直接经济损失2亿多元人民币。
为此铁道部拟通过采取修建挡风墙来解决大风地段的防风问题。本文采用k--口
双方程湍流模型,在火车的高度、运行速度和垂直于火车的横向来流风速相同的情况
下,分别对直轨和曲轨、有无挡风墙等不同情况进行数值模拟,模拟结果表明挡风墙
可以起到良好的防风作用。通过分析数值模拟结果后给出了最经济合理的挡风墙的
高度。
2.风对挡风墙和挡风墙后的列车的作用的流场模拟
2.1基本方程
775
第十四届全国结构风工程学术会议论文集
列车是近地运行的长大物体,列车长度远大于其横向尺寸,当计算横向作用下
列车受到的气动力时,可将其简化为二维问题处理。因为横向风速小于70m/s,其
马赫数小于0.3,计算时可按不可压缩流动处理‘2’31。我们采用工程上应用较广的
K一£双方程湍流模型Ⅲ描述挡风墙前后区域的风场,即:实际风场应满足简化后
的二维K一占方程:
融 砂 。却、仃,却…几一7’ l ,1、
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结合流场所需满足的连续性方程和动量方程:
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得到确定湍流动能髟、湍能耗散率g、风场在x和Y方向的风速U,和材。以及相对
压力P的基本控制方程。
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