以下是一篇關於擋風牆的疏透度對列車運行安全的影響研究的畢業論文開題報告，歡迎瀏覽！
摘 要：隨着列車速度的不斷提高，列車與空氣之間的相互作用變得更加強烈。強側風對高速列車所產生的強大的氣動力將影響列車的安全運行，對於高速列車在強風用作下的氣動力特性的研究變得越來越重要。本文藉助大型流體計算軟件fluent，對側風作用下高速列車的氣動特性和外部流場進行了數值分析研究。通過對模擬計算結果的理論分析，本文闡述了列車表面壓力在風場中分佈的原理，得到了強風作用時，側向力、側傾力矩、側偏力矩等重要參數的變化規律。而且在來風一側增建擋風牆，並得到各種疏透度擋風牆防護下的列車氣動力性能，以及列車重要參數隨擋風牆疏透度的變化規律。並通過優化分析提出了對列車防護效果最好的擋風牆方案。本文對高速列車防風安全工程提供了新的思路，為擋風牆的優化設計提供了理論依據，具有較大的應用價值。
關鍵詞：高速列車；安全性；側風；數值模擬；側傾力矩；擋風牆；疏透度
近年來,因側向風導致的行車安全事故在世界各國時有發生,給人民生命財產造成嚴重威脅。僅在中國的新疆地區就曾經發生過大風吹翻列車13 次,總計翻車79 輛的風環境事故。在大風段鐵路迎風側修建擋風牆對列車安全運行有很好的防護效果。本文中藉助計算流體軟件fluent 作為研究工具，針對不同疏透度的擋風牆結構，對側風環境中高速列車在有擋風牆保護下的空氣動力特性進行研究。希望能通過對問題進行的模擬研究，為高速列車處於特殊環境下安全運行提供依據，為改造高速列車的擋風牆積累數據，併為相關科研問題的試驗研究指引方向。
1 物理模型及計算方法
1.1 列車動力學模型
一列完整的列車由機車和許多節車輛組成，長度較長。本文將採用三節車的模型進行模擬，即整個列車模型由一節頭車、一節中間車和一節尾車組成。頭車和尾車具有一樣的外形，本文列車模型由頭車(25m)+中間車(25m)+尾車 (25m)組成，列車長、寬、高分別為75m、3.2m、3.2m。為了分析出高速列車中容易發生危險的部位，我們有針對的把頭車、中間車、尾車每大節都分成5 小節。每小節5m。共15 小節。進行細緻化的分析可以得到細緻化的結果。由於離車頭一定距離以後，列車中部的流場結構基本保持穩定，所以，縮短成三節的列車模型和完整列車模型相比，其流場的基本特徵變化不大。這是目前國內外處理高速列車問題的常用簡化手段。
為了研究擋風牆對高速鐵路的防風效果，採用了使用最為廣泛的2.5m 高度，1m 寬度的l 型板式擋風牆，擋風牆在來風一側，擋風牆距離兩軌中心為3.5m。沿軌道方向擋風牆形狀、高度和位置均一致。
再把擋風牆每隔5m 留出來一個縫隙。通過改變縫隙的大小來控制擋風牆的疏透度。通過模擬計算找到最佳的疏透度，使列車運行最安全。
1.2 計算區域
本論文所選取的計算區域為：列車前部距計算區域長度達到125m，列車尾部距計算區域長度達到250m。區域總長450m（z 方向）。列車上部距計算區域高度達到30m，路堤高度為2m,列車底部與路堤之間狹縫為0.2m。區域總高度35.4m（y 方向）。列車兩側計算區域寬度都為30m。區域寬度為63.2m（x 方向）。此時，列車和周圍流場基本達到充分發展，計算區域更大時，計算結果改變很小。
1.3 計算網格
網格的劃分既要考慮到模擬計算收斂的時間、計算機計算能力的限制，又要充分考慮高速列車在擋風牆保護下強風環境中外流場特性模擬的準確性，根據高速列車在強風作用下外流場的特點，列車與擋風牆之間的空氣流場變化最為劇烈，這個區域和列車周圍的區域和擋風牆周圍區域是本次模擬研究主要關注的區域，因此這三個區域的網格要求最為嚴格。離列車稍遠的區域，列車運動對這個區域空氣流場的影響趨於平穩，因此網格的尺寸可以適當的放大。根據離列車越遠流場就越平穩的原則，網格的尺寸應該隨與列車距離的增大而逐漸增大。這種由密逐漸變疏的計算區域網格可以使得模擬計算在列車附近真實反映空氣動力特性，又嚴格的控制了網格的數量，從而減少了對計算機資源的佔用，縮短了計算時間，提高了計算效率。
根據以上原則，對列車與擋風牆周圍流場區域，單元線長度為0.25m，從靠近列車側向外側發散區域的單元線長度從0.25m 擴大至1m，直至模型最外側，單元線長度擴大至4m。整個計算區域的網格數約100 萬。
1.4 數學模型
高速列車和外流場中流體簡化為黏性、不可壓縮、定常、絕熱流體，對應的時均方程組包括：連續性方程、動量方程、k 方程、e 方程，這6 個方程和一系列壁面函數就構成了本次模擬計算完整的數學模型。
1.5 邊界條件
模擬計算中，設定列車是靜止不動的，入口風速採用合成風。合成風是列車速度與風速矢量的疊加。由於在不同風向角下，相同車速和風速的合成速度並不相同，即車輛受到的氣動力不僅與列車運行速度、環境風速度有關，還與環境風的風向角有關。側風與火車運行方向之間的風向角α 分別取0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°，105°，120°，135°，150°，165°，180°。外來風速分別取10m/s，20 m/s，30 m/s 和40 m/s 四種情況。40m/s 的風速基本達到自然風速的最大值。列車運行速度選定為75 m/s（270 公里每小時）。邊界條件設定為：
1：入口邊界條件：列車和側風合成速度人口；
2：出口邊界條件：自由出流；
3：列車表面邊界條件：固體壁面邊界；
4：地面與擋風牆邊界條件：相對列車的速度為反方向的列車運行速度。
2 計算結果分析
為便於分析列車受氣動力作用後的偏轉趨勢，對列車氣動力和氣動力矩在直角座標系中進行分解，從頭車指向尾車方向為z 方向，豎直向上的從地面指向天空的方向為y 方向，水平面上與列車運行方向垂直的方向為x 方向。形成x 方向側向力、y 方向升浮力、z 方向阻力。為了研究側風對列車傾覆危險性的影響，對列車細分成的15 個小節的每一小節，都以背風側鋼軌的中點為原點，對列車的每一小節以各自的原點分別取矩。得到對x 軸的仰俯力矩、對y 軸的側偏力矩、對z 軸的側傾力矩。
x 方向側向力是影響列車運行安全的重要因素。該力越大，列車側向危險性越大。y 方向升浮力是影響列車穩定性的重要因素，該力越大，列車漂浮感越大，穩定性越小。z 方向阻力對列車運行安全影響較小。x 軸的仰俯力矩對列車的影響較小，因為列車重力較大，通過仰頭翻的可能性較小。y 軸的側偏力矩對列車稍有影響，它會導致列車因為扭頭出軌發生危險。z 軸的側傾力矩對列車影響最大。側傾力矩過大直接導致列車翻車。為了避免側傾力矩過大造成危險。應該對該項參數進行重點分析。
首先我們分析無擋風牆時的列車氣動力情況。車速保持75m/s（即270 公里每小時的高速列車）不變。在風速為40m/s 時，列車受到的z 軸的側傾力矩。當風向角確定時，側傾力矩沿車身方向的變化規律為：在第1 小節側傾力矩較小，第2 小節側傾力矩最大，從頭車第3 小節到尾車第13 小節側傾力矩比較平穩。第14，15小節側傾力矩急劇減小。列車氣動力矩隨風向角的變化為：隨着風向角從0°到90°的增大，側傾力矩逐漸增大，風向角在90°的時候達到最大。隨着方向角從90°到180°的增大，側傾力矩逐漸減小。側傾力矩是列車安全運行最值得關注的因素。如何防止因為側傾力矩過高而發生危險是改善列車運行環境的主題。由圖中我們發現在頭車第1 小節與尾車第15 小節，側傾力矩不如車身處大，不是發生危險的主要部分。而第2 小節是列車因為側傾力矩過大發生危險最有可能的地方。通過現有的辦法，使之減小，是使列車運行安全的有效辦法。沿着車身方向，側傾力矩比較平穩，如何使這個沿着車身方向穩定的側傾力矩減小也是使列車運行安全的主要因素。
下面我們模擬了實心的擋風牆對列車的防護效果。為高速列車在實心擋風牆防護下的z 軸側傾力矩。對比無擋風牆時列車z 軸側傾力矩發現：側傾力矩沿車身方向有一樣的變化規律，即頭車第2 小節最大，側傾力矩沿車身方向變化平穩。側傾力矩在尾車第15 小節處隨着列車形狀的差異變化很大。不具有代表意義。車身依然是我們研究列車安全的重點。在無擋風牆時側傾力矩最大的小節為17.5×104nm。加擋風牆以後側傾力矩在車身處僅有2.2×104nm。側傾力矩減小到了八分之一以下。側傾力矩是列車發生危險的最主要因素。如何降低它一直是研究列車安全運行的關鍵。側傾力矩主要是由來流直接作用在車體表面，使得列車受來流一側的力過大造成的。還有就是來流對列車進行繞流以後，使得列車產生升浮力後失去穩定性。加擋風牆以後，來流先衝擊到擋風牆，在擋風牆後形成一個大大的渦旋，列車在其中沒有與流體的激烈碰撞與突變。受到了很好的保護。修建擋風牆對列車的運行安全有非常好的防護效果。因此，在列車的防風研究中，擋風牆一直髮揮着不可替代的作用。
擋風牆的高度、厚度、距離列車的位置同行的科研成果中已給出最合理的優化。本文也是選取的防風效果最好的擋風牆。在擋風牆的高度、厚度、距離列車的位置都固定的前提下，在擋風牆內部有規律的挖出來一些縫隙。我們叫它為擋風牆的疏透度。通過這些縫隙來改變流場，使得原來來流作用在擋風牆上，在後面所形成的大大的渦旋，改變成有規律的細小平穩的渦旋，使得來流對列車所造成的危險降到更低。使得列車的運行更加安全。這個想法是否存在合理性，我們下面的工作正是去驗證它。以此為出發點，我們把原來的實心擋風牆修建成了有疏透度的擋風牆。疏透度為縫隙的空間與原來實心擋風牆空間的比例。我們做了5%擋風牆、10%擋風牆、20%擋風牆、25%擋風牆、30%擋風牆、35%擋風牆、40%擋風牆。為了做比較，我們把原來的實心擋風牆，即沒有挖縫的擋風牆叫做疏透度為0%的擋風牆。我們把風向角固定在90°，因為在無擋風牆時，風向角90°時，列車最危險。我們做擋風牆的目的就是降低危險。所以我們取有代表性的90°風向角進行研究。一樣道理，風速越大越危險。我們去通常情況下自然風速的最大值40m/s。只把擋風牆的疏透度為變量。首先對頭車第2 小節進行分析。因為在頭車第2 小節，側傾力矩是最大的，這裏最容易發生危險。研究頭車第2 小節的側傾力矩在不同疏透度擋風牆的變化規律很有代表意義。給出了規律的曲線圖。x 軸表示的是擋風牆的疏透度，y 軸表示頭車第2小節側傾力矩的具體指。由於發現在擋風牆疏透度為10%的時候，頭車第2 小節側傾力矩有明顯下降，因此我們對7%，9%，10.5%，11%，13%疏透度的擋風牆進行了補充模擬。由圖我們發現隨着擋風牆疏透度的增大，第2 小節的側傾力矩不是單調增加的，而是在7%疏透度的時候有了第一次降低，在10%疏透度的時候有了第二次降低。而且降低到比0%擋風牆即實心擋風牆時側傾力矩更低。這就證明了擋風牆在一定的疏透度下，比實心的擋風牆防風效果更好的理論。這就使得擋風牆對高速列車防風研究中提供了新了思考。即當擋風牆有了一個合理的疏透度以後，不僅可以節約耗材，而且防風效果還能更好。
頭車第2 小節是最容易發生危險的地方，接下來我們對中間車的第7，第8，第9 小節進行分析。因為沿車身方向z 軸側傾力矩沒有太大變化，比較平穩。因此對中間車的三節進行分析對z 軸側傾力矩沿車身方向的變化規律有代表意義。為各種疏透度擋風牆防護下的中間車第7 小節z 軸側傾力矩。側傾力矩在5%疏透度的時候有第一次降低，在9%疏透度的時候有第二次降低。這與頭車第2 小節側傾力矩隨擋風牆疏透度的變化情況不一致。這説明隨着擋風牆疏透度的增加，在頭車與中間車z 軸側傾力矩不是同時達到最小值。不過這沒關係。我們會找到一個最佳的疏透度，使得這時的擋風牆對列車在整體上防護效果最好。當擋風牆的疏透度在超過15%以後，側傾力矩隨着疏透度的增加而單調增加。
各種疏透度擋風牆防護下的中間車第8 小節z 軸側傾力矩。側傾力矩在第8 小節的具體數值上與在第7 小節上的很接近，側傾力矩在第8 小節上隨擋風牆疏透度的變化規律與第7 小節上的大致相仿。在疏透度為10%的時候有唯一一次降低，也是在疏透度超過15%後，側傾力矩單調增加。
各種疏透度擋風牆防護下的中間車第9 小節z 軸側傾力矩。在具體數值上，側傾力矩在第9 小節與第7、8 小節的都很接近。不過側傾力矩隨着擋風牆疏透度的變化很有規律性。側傾力矩從0%疏透度到7%疏透度逐漸增加，到了9%疏透度開始降低，到10%疏透度的時候達到最低。而且低於0%疏透度。此時的列車第9 小節最安全。疏透度超過10%以後，側傾力矩開始逐漸增加。從下圖發現，在10%疏透度時，側傾力矩有明顯的降低。綜合列車第2、7、8、9 小節。我們發現了共同的規律就是在當擋風牆疏透度為10%的時候，這些小節的側傾力矩都比實心擋風牆的側傾力矩更低。整體上來看，10%疏透度的擋風牆達到了各個小節側傾力矩最合理的優化。此時的列車整體上最安全。
側風在經過擋風牆之後，在列車周圍形成了大大的渦旋，列車被包圍在渦旋當中，列車頂部流體流速比較大，側面流速比較小，列車在渦旋作用下，雖然比流體直接作用在列車上安全。但是渦旋里面流體環繞着列車運動，渦旋越大，流體的流速也越大。列車在其中運行，流體對列車的氣動力和氣動力矩也就越大。當擋風牆有5%的疏透度以後，流體大部分還是繞過擋風牆後在列車周圍形成渦旋。由於有一小部分流體從擋風牆的縫隙流過，因此繞過擋風牆在列車周圍形成渦旋的流體一定減少。因此渦旋也會變小。而且從縫隙中流過的流體會對形成渦旋的流場進行衝擊，使流場趨於平穩和穩定。這個時候，列車處在相對側向流速不大，流場平穩的環境中。其運行的安全性增大。擋風牆的疏透度由5%增大到10%後，隨着從擋風牆縫隙中流過的流體的增多，流過擋風牆後，環繞列車的流體進一步減少。在列車周圍會形成減弱了的渦旋，但從擋風牆縫隙中流過的流體是方向垂直於列車的平穩的流體。平穩的流體會使得旋轉的渦旋流體變得平穩，渦旋中旋轉的流體會使得垂直於列車的流體變得環繞着列車。二者共同作用的結果使得列車周圍流場變成了速度小、沿着車身方向的均勻的流場。在這種流場是列車運行的最佳流場。這個最佳流場的存在説明了，當疏透度再大一些，透過擋風牆縫隙的來流流場成為主流，當疏透度再小一點，繞過擋風牆在列車周圍形成渦旋的流場成為主流。正是這個最佳流場的存在，使得擋風牆疏透度優化的過程中存在一個值。使得列車的運行安全係數最高。綜合頭車、中間車和尾車的側傾力矩隨擋風牆疏透度的變化規律。發現擋風牆疏透度為10%的時候，列車整體的安全性達到了一個最大值。這個時候的擋風牆對列車的防護效果比其他疏透度的擋風牆都好，甚至比實心的擋風牆更好。
3 結 論
本文以高速列車為研究對象，在強風環境中對擋風牆的防護效果進行了數值模擬分析。提出了改變擋風牆疏透度的辦法，模擬和分析了不同疏透度的擋風牆防護下的列車氣動力性能。本文的主要結論如下：
（1）列車的氣動力性能沿車身方向較為平穩，但是在車頭部位變化較大。因此，進一步提高列車運行速度時，應更加註重車頭的氣動性能研究。列車的壓力沿車身方向變化平穩説明了文中對列車簡化為3 大節（頭車、中間車、尾車）的合理性。
（2）對比無擋風牆時列車的氣動性能和有擋風牆時列車的氣動性能，發現擋風牆對列車的防護效果很好。列車的氣動力矩在有擋風牆以後可以降低到原來的八分之一以下。大大增加了列車運行的安全性。
（3）分析了列車的氣動力性能隨擋風牆疏透度的變化規律。當車速和風速一定的時候，隨着擋風牆疏透度的不斷增加。列車的氣動力矩逐漸增加。列車運行危險性增大。但當疏透度增大到一定值的時候，列車的氣動力矩開始降低，列車運行危險性降低。當疏透度達到一個最佳值得時候，列車的氣動力矩最低，此時的列車運行最安全。而後，隨着擋風牆疏透度進一步增大，列車的氣動力矩隨着擋風牆疏透度的逐漸增加單調增大。結果表明：擋風牆疏透度存在一個最佳值，使得此時的列車運行安全性最好。這時的擋風牆不僅對列車防護效果最好，而且節省了耗材。
本文通過用有限元軟件進行的模擬計算，證明了防護效果最好的擋風牆不是實心擋風牆，而是10%疏透度的擋風牆。但本文的研究只是數值模擬的結果。數值模擬有其成本低，見效快的優點。但任何一項科研研究都需要實踐的檢驗。在今後的工作，還需要理論聯繫實際，以數值模擬為輔，實車實驗為主，把這項工作在現實中開展。爭取早日在我國修建出防風效果最好又能節約大量材料的擋風牆。