白　璐，申愛(ài)琴，韋振勛

(1.長(zhǎng)安大學(xué)　公路學(xué)院，陜西　西安　710064；2.新疆維吾爾自治區(qū)交通運(yùn)輸廳，新疆　烏魯木齊　830000；

3.新疆公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，新疆　烏魯木齊　830000)

?

公路防風(fēng)結(jié)構(gòu)物實(shí)測(cè)效果比較與優(yōu)化設(shè)置模擬研究

白璐1,2，申愛(ài)琴1，韋振勛3

(1.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安710064；2.新疆維吾爾自治區(qū)交通運(yùn)輸廳，新疆烏魯木齊830000；

3.新疆公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，新疆烏魯木齊830000)

摘要：為提高新疆風(fēng)區(qū)公路，特別是高速公路的行車穩(wěn)定性和安全性，研究基于不同防風(fēng)構(gòu)造物的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果，對(duì)其防風(fēng)效果進(jìn)行了比較，推薦了防風(fēng)效果較優(yōu)的結(jié)構(gòu)形式。在此基礎(chǔ)之上，對(duì)防風(fēng)效果優(yōu)良并在實(shí)際工程中使用最為廣泛的開(kāi)口板式防風(fēng)柵進(jìn)行了深入的分析；利用計(jì)算流體模擬軟件對(duì)防風(fēng)柵的設(shè)置和風(fēng)速的影響進(jìn)行了分析，對(duì)3種典型車輛(小轎車、大客車和大貨車)在不同組合條件下的風(fēng)場(chǎng)中受力狀態(tài)和穩(wěn)定性進(jìn)行分析和比較，提出了擋風(fēng)墻的最佳設(shè)置方案，并推薦了臨界設(shè)計(jì)風(fēng)速，對(duì)風(fēng)害防控設(shè)計(jì)提出了參考意見(jiàn)。

關(guān)鍵詞：道路工程；公路風(fēng)害；流體模擬；防風(fēng)結(jié)構(gòu)物；流場(chǎng)

0引言

大風(fēng)天氣對(duì)行車安全影響極大，近年來(lái)，新疆風(fēng)區(qū)公路，尤其是高速公路上由于大風(fēng)引發(fā)的車輛停運(yùn)、安全事故以及公路設(shè)施損壞時(shí)有發(fā)生[1-2]，造成了一定的經(jīng)濟(jì)損失和不良社會(huì)影響；通過(guò)對(duì)新疆全區(qū)范圍內(nèi)近100個(gè)氣象站進(jìn)行篩選，研究中選擇了高速、高等級(jí)公路沿線具有代表性的50個(gè)自記錄代表站，采用概率模式、氣候傾向率、低通濾波、滑動(dòng)平均濾波等方法對(duì)各氣象站近50 a來(lái)的觀測(cè)數(shù)值進(jìn)行了分析，結(jié)果表明自20世紀(jì)90年代以來(lái)，除沙漠公路中段、百里風(fēng)區(qū)戈壁路段以外的絕大多數(shù)地區(qū)，大風(fēng)強(qiáng)度和年平均大風(fēng)日數(shù)呈現(xiàn)上升和增加趨勢(shì)，由于自然環(huán)境發(fā)生變化，公路風(fēng)害防治應(yīng)當(dāng)被提到更高的高度。

基于不同防風(fēng)構(gòu)造物的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果，本文對(duì)其防風(fēng)效果進(jìn)行了比較，推薦了防風(fēng)效果較優(yōu)的結(jié)構(gòu)形式。在此基礎(chǔ)之上，對(duì)防風(fēng)效果優(yōu)良并在實(shí)際工程中使用最為廣泛的開(kāi)口板式防風(fēng)柵進(jìn)行了深入的分析；研究利用流體模擬軟件對(duì)防風(fēng)柵的設(shè)置和風(fēng)速的影響進(jìn)行了分析，對(duì)3種典型車輛在不同組合條件下的風(fēng)場(chǎng)中的受力狀態(tài)和穩(wěn)定性進(jìn)行分析和比較，提出了擋風(fēng)墻的最佳設(shè)置方案，對(duì)風(fēng)害防控設(shè)計(jì)提出了參考意見(jiàn)。

1防風(fēng)結(jié)構(gòu)物防風(fēng)效果研究

1.1防風(fēng)結(jié)構(gòu)物類型和防風(fēng)機(jī)理

目前，我國(guó)風(fēng)區(qū)廣泛應(yīng)用的防風(fēng)結(jié)構(gòu)物從類型區(qū)分主要分為非透風(fēng)式和透風(fēng)式[3-4]，非透風(fēng)式結(jié)構(gòu)主要有對(duì)拉式擋風(fēng)墻、承插式防風(fēng)墻、土堤式防風(fēng)墻、筑板式防風(fēng)墻和防風(fēng)明洞；透風(fēng)式結(jié)構(gòu)主要包括橋梁純鋼板式防風(fēng)柵、公路純鋼板透風(fēng)式防風(fēng)柵和柔性防護(hù)網(wǎng)等。其中除柔性防護(hù)網(wǎng)外，其他均為剛性結(jié)構(gòu)。

從防風(fēng)機(jī)理上，非透風(fēng)式結(jié)構(gòu)物主要依靠阻斷風(fēng)力、減小側(cè)向力、降低車底風(fēng)壓來(lái)減小風(fēng)害[5-8]，由于需要承受全部風(fēng)力作用，其結(jié)構(gòu)一般為水泥混凝土、砌體結(jié)構(gòu)或者土石方工程，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，但是工程量較大，一般適用于相對(duì)平坦開(kāi)闊地區(qū)的低路基公路。透風(fēng)式結(jié)構(gòu)物除了適當(dāng)減小風(fēng)速外，還能夠適度壓迫氣流上升，起到風(fēng)力抬升的作用，從而減少作用在不同類型汽車上的風(fēng)力作用，由于其不需承受全部風(fēng)力作用，其結(jié)構(gòu)多為較輕便的鋼結(jié)構(gòu)，造價(jià)相對(duì)較高[9-10]。

1.2不同防風(fēng)結(jié)構(gòu)物現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

1.2.1風(fēng)沙邊界層高度和風(fēng)場(chǎng)梯度擬定

空氣流過(guò)地面時(shí)，地面上的粗糙度會(huì)使空氣流動(dòng)受阻，這種摩擦阻力由于大氣中的湍流而向上傳遞，并隨高度的增加而逐漸減弱，達(dá)到一定高度以上便可忽略，此高度稱為風(fēng)沙邊界層，其厚度隨地點(diǎn)、時(shí)間而變化，薄時(shí)可為6 m，最厚時(shí)可達(dá)15 m，平均而言，風(fēng)沙邊界層厚度為10 m以下。風(fēng)沙邊界層內(nèi)又可分為: A1為集沙層，即緊貼地表面(小于0.5 m以下)的氣層，95%以上集積沙量出現(xiàn)在這層。B1為貼地層，2 m以下的氣層(包括集沙層)。這一層大氣受下墊面粗糙的影響，有明顯的湍流特征，這層2 m高度處為起沙風(fēng)速高度。C1為風(fēng)沙邊界層，10 m高度以下稱為風(fēng)沙邊界層，其中2～10 m 以上高度為摩擦層底部，10 m高度為風(fēng)沙邊界層頂部。這一層除了下墊面的湍流黏性力外，還有地面摩擦作用影響以及盛行風(fēng)向輸送沙的特征。在風(fēng)沙邊界層中，風(fēng)速隨地形、高度、風(fēng)向變化而變化，具有獨(dú)特特征。風(fēng)沙邊界層內(nèi)通常都存在湍流，因而氣塊在運(yùn)動(dòng)時(shí)總要受到湍流摩擦力的作用，故也常稱風(fēng)沙邊界層為湍流摩擦層[11-13]。

在上述理論基礎(chǔ)上，擬定防風(fēng)結(jié)構(gòu)物防風(fēng)效果監(jiān)測(cè)技術(shù)方案，確定監(jiān)測(cè)瞬時(shí)風(fēng)場(chǎng)固定站采用5層橫斷面監(jiān)測(cè)梯度風(fēng)，觀測(cè)高度結(jié)合實(shí)際情況選取0.15，0.5，2.0，3.0，4.0，6.0，10.0 m。

1.2.2不同類型防風(fēng)結(jié)構(gòu)物瞬時(shí)風(fēng)場(chǎng)橫斷面風(fēng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

為比較不同類型防風(fēng)結(jié)構(gòu)物對(duì)風(fēng)場(chǎng)的影響，分別在新疆連霍高速公路百里風(fēng)區(qū)(K3781+600-K3781+800)設(shè)置防風(fēng)柵、防風(fēng)網(wǎng)的路段分別布設(shè)了15個(gè)橫斷面瞬時(shí)風(fēng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。同時(shí)選取同處于百里風(fēng)區(qū)的蘭新二線鐵路(DK1451+870-DK1451+960)設(shè)置擋風(fēng)墻路的段布設(shè)了13個(gè)橫斷面瞬時(shí)風(fēng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)橫斷面布設(shè)見(jiàn)圖1和圖2。

注：1號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置10 m高監(jiān)測(cè)站，測(cè)量0.5，2.0，4.0，6.0，10 m 梯度風(fēng);2～15號(hào)測(cè)點(diǎn)設(shè)置4.0 m高監(jiān)測(cè)站，測(cè)量0.15，0.5，1.0，2.0，4.0 m梯度風(fēng)。圖1　防風(fēng)柵、防風(fēng)網(wǎng)橫斷面瞬時(shí)風(fēng)場(chǎng)5層梯度風(fēng)監(jiān)測(cè)設(shè)置Fig.1　Locations of sensors for monitoring instantcross-sectional wind field on windbreak fence and wind net at 5 levels

注：1～13號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置4.0 m高監(jiān)測(cè)站，測(cè)量0.15，0.5，1.0，2.0，4.0 m梯度風(fēng)。圖2　擋風(fēng)墻橫斷面瞬時(shí)風(fēng)場(chǎng)5層梯度風(fēng)監(jiān)測(cè)設(shè)置Fig.2　Locations of sensors for monitoring instant cross-sectional wind field on windbreak wall at 5 levels

1.3不同防風(fēng)結(jié)構(gòu)物作用下風(fēng)場(chǎng)特征

依據(jù)連續(xù)3個(gè)月對(duì)連霍高速公路百里風(fēng)區(qū)強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)間設(shè)置防風(fēng)柵、防風(fēng)網(wǎng)的K3781+600-K3781+700路段15個(gè)橫斷面瞬時(shí)風(fēng)場(chǎng)5層梯度風(fēng)監(jiān)測(cè)(監(jiān)測(cè)期間氣壓差+3.9 Pa，最低氣溫24.0 ℃，最高氣溫28.0 ℃)；并對(duì)蘭新二線百里風(fēng)區(qū)設(shè)置擋風(fēng)墻的DK1451+870-DK1451+960路段13個(gè)橫斷面瞬時(shí)風(fēng)場(chǎng)5層梯度風(fēng)監(jiān)測(cè)(監(jiān)測(cè)期間氣壓差+3.1 Pa，最低氣溫25.0 ℃，最高氣溫29.0 ℃)，繪制出了不同防風(fēng)結(jié)構(gòu)物遮蔽下典型橫斷面瞬時(shí)風(fēng)速剖面圖，曲線為垂直風(fēng)速的等值線，垂直風(fēng)速單位取m/s。對(duì)設(shè)置防風(fēng)網(wǎng)、防風(fēng)柵、擋風(fēng)墻情況下典型橫斷面瞬時(shí)風(fēng)速垂直分布特征分別分析如圖1～圖2所示。

1.3.1設(shè)置防風(fēng)網(wǎng)路段

連霍國(guó)道K3781+600樁號(hào)處設(shè)置了柔性防風(fēng)網(wǎng)，透風(fēng)率50%。從表1可以看出，監(jiān)測(cè)期間瞬時(shí)最大風(fēng)速達(dá)到11.6 m/s，最大風(fēng)速出現(xiàn)在防風(fēng)網(wǎng)迎風(fēng)側(cè)-10 m處4.0 m高度處；距防風(fēng)網(wǎng)-2 m處，風(fēng)速降低至10.2 m/s，防風(fēng)網(wǎng)后路肩瞬時(shí)最大平均風(fēng)速進(jìn)一步降低至6.0 m/s，防風(fēng)網(wǎng)的背風(fēng)處延伸至65 m外瞬時(shí)平均風(fēng)速達(dá)到11.6 m/s，接近迎風(fēng)側(cè)最大值。對(duì)風(fēng)場(chǎng)變化分析得知距防風(fēng)網(wǎng)距離越近，風(fēng)速降低越顯著。如圖3所示，在防風(fēng)網(wǎng)底部出現(xiàn)湍流，風(fēng)向變化紊亂，防風(fēng)網(wǎng)防風(fēng)效果達(dá)到4.6 m/s(平均風(fēng)速降低)，有效遮蔽距離16 m。

表1　連霍高速公路K3781+600設(shè)置防風(fēng)網(wǎng)路段瞬時(shí)風(fēng)速

圖3　設(shè)置防風(fēng)網(wǎng)路段橫斷面瞬時(shí)最大風(fēng)速剖面圖(單位：m)Fig.3　Counter plot of instant maximum wind speed on road section with wind net(unit:m)

1.3.2設(shè)置防風(fēng)柵路段

連霍國(guó)道K3781+700樁號(hào)處設(shè)置了防風(fēng)柵，透風(fēng)率為30%。分析表2可知，監(jiān)測(cè)期間瞬時(shí)最大風(fēng)速為19.6 m/s，出現(xiàn)在防風(fēng)柵迎風(fēng)側(cè)-20 m處4.0 m 高度；距防風(fēng)柵-2 m處4.0 m高度瞬時(shí)最大風(fēng)速降為16.0 m/s，防風(fēng)柵后路肩瞬時(shí)最大風(fēng)速驟降至6.0 m/s，距防風(fēng)柵距離越近，風(fēng)速降低越明顯，防風(fēng)柵迎風(fēng)側(cè)路中瞬時(shí)風(fēng)速12.0 m/s，向路兩側(cè)遞減，瞬時(shí)最大風(fēng)速隨隔離帶地形起伏變化而變化，背風(fēng)處瞬時(shí)最大風(fēng)速達(dá)到19.3 m/s。

表2　連霍高速公路K3781+700設(shè)置防風(fēng)柵路段瞬時(shí)風(fēng)速

如圖4所示，純鋼板式防風(fēng)柵的防風(fēng)效果顯著，防風(fēng)效果達(dá)到8.8 m/s(平均風(fēng)速降低)，有效遮蔽距離為20 m。

圖4　設(shè)置鋼板式防風(fēng)柵路段橫斷面瞬時(shí)最大風(fēng)速剖面圖(單位：m)Fig.4　Counter plot of instant maximum wind speeds on road section with steel plate windbreak fence(unit:m)

1.3.3設(shè)置擋風(fēng)墻路段

蘭新鐵路二線DK1451+910段設(shè)置了筑板式擋風(fēng)墻，分析表3可知，監(jiān)測(cè)期間瞬時(shí)最大風(fēng)速為19 m/s，出現(xiàn)在背風(fēng)側(cè)，迎風(fēng)側(cè)-10 m處4.0 m高度瞬時(shí)最大風(fēng)速達(dá)到17.4 m/s，迎風(fēng)側(cè)-5～-2 m隨地形高度變化風(fēng)速有所減小，-1 m處由于路基擠壓4.0 m高處瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)到16.7 m/s，筑板式擋風(fēng)墻后風(fēng)速驟降，平均降幅達(dá)到6.3。

如圖5所示，瞬時(shí)風(fēng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：蘭新二線百里風(fēng)區(qū)強(qiáng)橫風(fēng)區(qū)DK1451+910筑板式擋風(fēng)墻的防風(fēng)效果可達(dá)到6.3 m/s(平均風(fēng)速降低)，有效遮蔽距離接近20 m。

表3　蘭新二線DK1451+910設(shè)置筑板式擋風(fēng)墻段瞬時(shí)風(fēng)速

圖5　設(shè)置筑板式擋風(fēng)墻路段橫斷面瞬時(shí)最大風(fēng)速剖面圖(單位：m)Fig. 5　Counter plot of maximum instant wind speed on cross-section of road section with casted board wind break wall(unit:m)

對(duì)不同類型防風(fēng)結(jié)構(gòu)物防風(fēng)效果風(fēng)監(jiān)測(cè)對(duì)比分析結(jié)果表明，透風(fēng)式防風(fēng)柵防風(fēng)效果最佳，其次是板式防風(fēng)墻，再次是柔性防風(fēng)網(wǎng)，從現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)看，柔性防護(hù)網(wǎng)的阻擋砂石效果較為顯著。

2防風(fēng)柵最佳布置參數(shù)模擬研究

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明在3種防風(fēng)構(gòu)造物中，板式防風(fēng)柵具有最佳的防風(fēng)效果。在實(shí)際工程應(yīng)用中，防風(fēng)柵可以設(shè)置在道路橫斷面的不同位置(如路基底部或路肩)。為了達(dá)到最佳的防風(fēng)效果，研究采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件(FLUENT)模擬設(shè)置在不同位置防風(fēng)柵的擋風(fēng)效果。

設(shè)置防風(fēng)柵的主要目的是降低行車道上的風(fēng)速，減少作用在車輛上的風(fēng)壓，提高行車穩(wěn)定性與安全。行車過(guò)程中，車輛所受最不利風(fēng)向?yàn)閭?cè)風(fēng)。強(qiáng)風(fēng)作用下的側(cè)向力將影響車輛行駛的穩(wěn)定性，甚至導(dǎo)致傾覆。因此，模擬選取了3種典型車輛(小轎車、大客車和大卡車)為研究對(duì)象，模擬行駛車輛(擬定時(shí)速100 km/h)在不同側(cè)風(fēng)風(fēng)速，不同防風(fēng)柵設(shè)置情況下的道路橫斷面的風(fēng)場(chǎng)，得到了車輛周圍的流線場(chǎng)、壓力場(chǎng)；研究和分析不同的防風(fēng)柵的設(shè)置引起的風(fēng)場(chǎng)變化以及對(duì)車輛穩(wěn)定性的影響，為防風(fēng)柵的設(shè)置提供優(yōu)化方案，并推薦最佳布設(shè)位置。

2.1模型幾何參數(shù)選取

2.1.1汽車幾何模型建立

參考《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01—2003)的規(guī)定，各種車型的外廓尺寸設(shè)定見(jiàn)表4?！豆饭こ碳夹g(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中沒(méi)有明確的大客車的外廓尺寸，研究參照了蘇州金龍客車的尺寸。其他細(xì)部結(jié)構(gòu)部件的幾何參數(shù)，如車輪的大小、軸的粗細(xì)、外表面的弧度等，均采用最常見(jiàn)的幾何參數(shù)進(jìn)行建模，見(jiàn)表4。

表4　車輛外廓尺寸(單位：m)

在保證計(jì)算結(jié)果的前提下為簡(jiǎn)化模型以減小數(shù)值模擬的復(fù)雜程度，提高計(jì)算效率，建立汽車模型時(shí)忽略了一些受風(fēng)力影響較小的部件，如雨刮器、后視鏡等；輪胎與地面接觸面按照規(guī)范選取[14-15]。研究采用GAMBIT軟件建立不同車型簡(jiǎn)化后的1∶1幾何數(shù)字模型。

2.1.2防風(fēng)柵幾何模型建立

實(shí)際工程中使用的防風(fēng)柵高4 m，透風(fēng)孔直徑僅為5 cm，由于透風(fēng)空數(shù)量過(guò)多，若嚴(yán)格按照工程實(shí)際建模，模擬將耗費(fèi)大量的計(jì)算資源，不宜采用。因此，建模過(guò)程中對(duì)透風(fēng)孔做了簡(jiǎn)化處理，用一個(gè)等面積的大孔代替塊面上的小孔，大孔直徑在進(jìn)風(fēng)面為32.4 cm，出風(fēng)面7.9 cm，最終建模的防風(fēng)柵模型見(jiàn)圖6。

圖6　防風(fēng)柵幾何模型Fig.6　Geometric model of wind break wall

2.3防風(fēng)柵設(shè)置距離對(duì)車輛的影響

研究選取了新疆地區(qū)的典型道路橫斷面結(jié)構(gòu)，防風(fēng)柵沿著道路方向縱向平行布置，在道路橫斷面上的布設(shè)位置以路肩為原點(diǎn)，遠(yuǎn)離道路方向取正值，靠近路面方向取負(fù)值。模擬共選取了6個(gè)布設(shè)位置：-0.5，0，2.1，2.4，2.7 m和3.0 m。受施工條件限制，防風(fēng)構(gòu)造物通常不在路基邊坡上設(shè)置，因此在0 m和2.1 m之間沒(méi)有設(shè)置防風(fēng)柵。研究采用的側(cè)向風(fēng)速分別為：10，15，20，25，30 m/s和35 m/s，共6個(gè)風(fēng)速，其中最大風(fēng)速35 m/s以超過(guò)12級(jí)颶風(fēng)的臨界風(fēng)速32.7 m/s。

為了清楚地說(shuō)明車體的流場(chǎng)特征，需要選取整個(gè)流場(chǎng)的典型位置截面進(jìn)行分析，由于風(fēng)場(chǎng)對(duì)汽車的作用力呈非均勻分部，且沿著車身方向，迎風(fēng)面從車頭至車尾逐漸減小，因此所選截面靠近車體前部具有代表性。圖7為研究選擇不同車型的防風(fēng)柵設(shè)置在2.1 m(路基邊坡坡腳處)的流場(chǎng)截面位置示意圖。

圖7　不同車型流場(chǎng)截面Fig.7　Cross-sections of wind field of different types of vehicle

圖7(a)為小轎車的流場(chǎng)分析，風(fēng)場(chǎng)中流線的箭頭表示風(fēng)向。風(fēng)從左側(cè)進(jìn)入，由于防風(fēng)柵的阻擋，構(gòu)造物附近的風(fēng)場(chǎng)發(fā)生明顯的變化。圖中車輛區(qū)域背風(fēng)和車底為負(fù)壓區(qū)，迎風(fēng)區(qū)為正壓區(qū)。防風(fēng)柵迎風(fēng)面由于風(fēng)壓作用而形成明顯的正壓力區(qū)域。擋風(fēng)墻背風(fēng)面，由于路基抬高，路肩上部位置風(fēng)場(chǎng)變化明顯。

由于小轎車的體型較小，且車體形狀圓滑，圖中車體周圍的流場(chǎng)跡線平滑，表明流體能夠較為順暢地通過(guò)。車體迎風(fēng)面和背風(fēng)面正負(fù)風(fēng)壓的絕對(duì)值均較小。為了節(jié)約計(jì)算資源，模擬分析中小汽車的外形采用較為簡(jiǎn)單的幾何形狀，而實(shí)際行駛在道路上的小轎車外形更加圓滑，風(fēng)阻更小，所以小轎車實(shí)際受到的側(cè)向力更小。

圖7(b)為大客車的流場(chǎng)分析。擋風(fēng)墻迎風(fēng)側(cè)正風(fēng)壓較大，在0～5 m之間，正壓力區(qū)域接近成矩形區(qū)域。在擋風(fēng)墻背風(fēng)側(cè)與路肩之間，形成漩渦。車身迎風(fēng)側(cè)，形成接近矩形正壓力區(qū)域，背風(fēng)側(cè)與路肩之間，擋風(fēng)墻下部形成渦流區(qū)，繞過(guò)路堤的風(fēng)場(chǎng)由下向上，與擋風(fēng)墻登高處改變方向，向車體流動(dòng)。車身周圍，風(fēng)場(chǎng)分為兩部分，一部分沿車身向上流動(dòng)，另一部分從車體底部流過(guò)，形成負(fù)壓區(qū)。在車身頂部和背側(cè)，風(fēng)場(chǎng)發(fā)生較大變化，從車身底部流過(guò)的風(fēng)場(chǎng)改變流向，沿背風(fēng)側(cè)向上流動(dòng)，在此形成絕對(duì)值較大的負(fù)壓區(qū)。之后，在距離車身4 m處，風(fēng)場(chǎng)恢復(fù)層流，流動(dòng)趨于一致。

圖7(c)為大貨車的流場(chǎng)分析，擋風(fēng)墻迎風(fēng)側(cè)形成正壓力區(qū)域。背風(fēng)側(cè)流場(chǎng)變化明顯，形成平行的一大一小兩處渦流，靠近車體處渦流影響范圍大。風(fēng)場(chǎng)達(dá)到車體處，由上而下，沿車體向下運(yùn)動(dòng)，經(jīng)車底部繞過(guò)車體，車體底部形成負(fù)壓區(qū)。繞過(guò)車體底部的風(fēng)場(chǎng)，在輪胎處形成一渦流區(qū)域。沿車體向上運(yùn)動(dòng)，在車頂邊緣形成小渦流區(qū)域。距離車體3 m處，繞過(guò)車體底部和中部的風(fēng)場(chǎng)匯合，流場(chǎng)趨于一致。

圖8對(duì)比了在20 m/s風(fēng)速下，3種車輛在不同防風(fēng)柵設(shè)置條件下的側(cè)向力。如圖所示：小轎車由于體積小且外形圓滑，有較小的風(fēng)阻，所受到的側(cè)向力遠(yuǎn)小于其他兩種大型車輛，因此行駛中受風(fēng)力影響最小，行駛穩(wěn)定性最強(qiáng)；大客車由于其較大的整體箱式結(jié)構(gòu)，所受側(cè)風(fēng)力最大。

圖8　不同設(shè)置距離下的側(cè)向力Fig.8　Lateral forces at different distances

隨著防風(fēng)柵與路肩距離的增加，3種車輛所受的側(cè)向力均顯著增加。當(dāng)防風(fēng)柵設(shè)置在路基頂部時(shí)(距離路肩0 m和-0.5 m)，3種車輛所受的側(cè)向力都相對(duì)較小，且數(shù)值接近。不可否認(rèn)，模擬結(jié)果與實(shí)際情況相比存在一定誤差，雖然數(shù)值模擬結(jié)果顯示：當(dāng)防風(fēng)柵設(shè)置在路肩頂部(距離為0 m)時(shí)，小轎車和大客車所受到側(cè)向力最小，但與距離路肩-0.5 m時(shí)的側(cè)向力相差較小，不排除由于模擬系統(tǒng)誤差的影響，因此當(dāng)建議實(shí)際設(shè)置防風(fēng)柵時(shí)，應(yīng)在距離路肩頂部(0 m)到-0.5 m的距離范圍內(nèi)，依據(jù)實(shí)際工程施工的便宜性確定防風(fēng)柵布設(shè)位置。

此外，本研究未考慮強(qiáng)風(fēng)對(duì)路基的侵蝕作用。當(dāng)路基采用細(xì)粒土填筑，且氣候干燥時(shí)，應(yīng)首先考慮采用邊坡防護(hù)措施降低風(fēng)蝕。

2.4設(shè)計(jì)臨界風(fēng)速

研究還比較了當(dāng)防風(fēng)柵設(shè)置在路基頂部(0 m)時(shí)，3種不同車型在不同風(fēng)速(10～35 m/s)時(shí)受到的側(cè)向力，結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖9　不同車型側(cè)向力Fig.9　Lateral forces on different types of vehicle

如圖所示，小轎車在不同風(fēng)速作用下所受的側(cè)向力最小，當(dāng)風(fēng)速小于等于20 m/s時(shí)，側(cè)向力在1 100～1 250 N之間，變化幅度不大；當(dāng)風(fēng)速大于20 m/s時(shí)，隨著風(fēng)速的增加，小轎車受到的側(cè)向力顯著增加。

比較大貨車和大客車的模擬數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)速小于等于20 m/s時(shí)，兩種車輛所受側(cè)向力較接近，并且數(shù)值相對(duì)較??；當(dāng)風(fēng)速大于等于20 m/s時(shí)，大貨車和大客車所受的側(cè)向力顯著增加，并且大貨車受到的側(cè)向力高于大客車受到的側(cè)向力。

通過(guò)以上分析，研究建議以20 m/s(八級(jí)風(fēng))為公路風(fēng)害控制設(shè)計(jì)的臨界值。大客車和大貨車在大于20 m/s側(cè)風(fēng)條件下的受力狀態(tài)為公路風(fēng)害設(shè)計(jì)的主要分析對(duì)象。

3結(jié)論

本研究選取處于新疆百里風(fēng)區(qū)的連霍高速公路K3781+600-K3781+800設(shè)置防風(fēng)柵、防風(fēng)網(wǎng)的路段以及同處于百里風(fēng)區(qū)的蘭新二線鐵路DK1451+870-DK1451+960設(shè)置擋風(fēng)墻路路段，建立觀測(cè)站研究不同防風(fēng)構(gòu)造物的實(shí)際防風(fēng)效果，結(jié)果顯示:3種防風(fēng)構(gòu)造物都能夠大幅度降低公路區(qū)域的風(fēng)速，提高了行車安全性。

從防風(fēng)效果(平均風(fēng)速降低)來(lái)看，防風(fēng)網(wǎng)降低4.6 m/s<筑板式擋風(fēng)墻降低6.3 m/s<純鋼板式防風(fēng)柵降低8.8 m/s，從有效遮蔽距離來(lái)看，防風(fēng)網(wǎng)約16 m<筑板式擋風(fēng)墻約18 m<純鋼板式防風(fēng)柵約20 m。可以看出透風(fēng)式擋風(fēng)墻通過(guò)阻滯和透風(fēng)作用，形成渦流、耗散了風(fēng)能，使得其防風(fēng)效果較非透風(fēng)式防風(fēng)結(jié)構(gòu)物更優(yōu)；從現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)看，柔性防護(hù)網(wǎng)防風(fēng)效果和有效遮蔽距離相較其它結(jié)構(gòu)差，但是其阻擋砂石作用較為顯著；對(duì)于所有結(jié)構(gòu)，隨著風(fēng)速的增大，擋風(fēng)結(jié)構(gòu)物的有效遮蔽距離也有所增加，其一般有效遮蔽距離為4.5～8倍防風(fēng)結(jié)構(gòu)物的高度，且距離防風(fēng)結(jié)構(gòu)物越近，風(fēng)速減弱效果越明顯，行車越安全。

在此基礎(chǔ)之上，對(duì)防風(fēng)效果最佳的防風(fēng)柵進(jìn)行了深入的分析；利用計(jì)算流體模擬軟件(FLUENT)對(duì)3種典型車輛(小轎車、大客車和大貨車)在不同組合條件下(風(fēng)速和防風(fēng)柵設(shè)置距離)的風(fēng)場(chǎng)中的受力狀態(tài)和穩(wěn)定性進(jìn)行分析和比較，研究發(fā)現(xiàn)：由于小轎車的體型較小且車體形狀圓滑，強(qiáng)風(fēng)能夠較為順暢地通過(guò)車體，使得小轎車在強(qiáng)風(fēng)作用下具有最佳的行車穩(wěn)定性與安全性。

當(dāng)防風(fēng)柵設(shè)置在路基頂部時(shí)(距離路肩0 m和-0.5 m)，3種車輛所受的側(cè)向力都相對(duì)較小，且數(shù)值相對(duì)接近。研究建議實(shí)際工程中，防風(fēng)柵應(yīng)設(shè)置在道路迎風(fēng)側(cè)距離路肩0～0.5 m的距離范圍內(nèi)，并依據(jù)實(shí)際工程施工的便宜性確定防風(fēng)柵布設(shè)位置。需要指出的是：本研究未考慮強(qiáng)風(fēng)對(duì)路基的侵蝕作用；當(dāng)路基采用細(xì)粒土填筑且氣候干燥時(shí)，應(yīng)首先考慮采用邊坡防護(hù)措施降低風(fēng)蝕。

大客車和大貨車受側(cè)風(fēng)影響較大，且隨風(fēng)速增加，車體所受側(cè)向力顯著增加?？紤]到大貨車和大客車的行車安全性，建議設(shè)計(jì)時(shí)將20 m/s風(fēng)速(八級(jí)風(fēng))做為臨界風(fēng)速進(jìn)行考慮。

參考文獻(xiàn)：

References:

[1]劉鳳華. 不同類型擋風(fēng)墻對(duì)列車運(yùn)行安全防護(hù)效果的影響[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，37(1):176-182.

LIU Feng-hua. Wind-proof Effect of Different Kinds of Wind-break Walls on the Security of Trains [J]. Journal Central South University：Science and Technology Edition，2006，37(1):176-182.

[2]王洪濤. 風(fēng)沙邊界層風(fēng)沙相互作用若干問(wèn)題的研究[D]. 蘭州：中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，2005.

WANG Hong-tao. Research on the Effect of the Interaction between the Sand and Wind in the Blowing Sand Boundary-layer [D]. Lanzhou：Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, Chinese Academy of Sciences，2005.

[3]葛盛昌,蔣富強(qiáng). 蘭新鐵路強(qiáng)風(fēng)地區(qū)風(fēng)沙成因及擋風(fēng)墻防風(fēng)效果分析[J]. 鐵道工程學(xué)報(bào)，2009，26(5):1-4.

GE Sheng-chang, JIANG Fu-qiang. Analyses of the Causes for Wind Disaster in Strong Wind Area along Lanzhou-Xinjiang Railway and the Effect of Windbreak[J].Journal of Railway Engineering Society，2009，26 (5):1-4.

[4]曾秋蘭，李振山，盧傅安，等. 高速公路透風(fēng)型擋風(fēng)墻不同位置防風(fēng)特性的數(shù)值模擬研究[J].中國(guó)沙漠，2012，32(6)：1542-1550.

ZENG Qiu-lan, LI Zhen-shan, LU Fu-an, et al. A Computational Study of Wind-break Performance of Ventilated Wind-break Wall in Different Locations on the Highway[J]. Journal of Desert Research，2012，32(6)：1542-1550.

[5]BOSELLY S E，DOORE G S. Road Weather Information Systems (Volume 1：the Research Report), SHRP-H-351. [R]. Washington，D. C.：National Research Council，1993.

[6]王福軍. 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

WANG Fu-jun. Computational Fluid Mechanics Analysis[M]. Beijing: Tsinghua University Press，2004.

[7]李田,張繼業(yè),張衛(wèi)華. 橫風(fēng)下高速列車通過(guò)擋風(fēng)墻動(dòng)力學(xué)性能[J]. 鐵道學(xué)報(bào)，2012，34(7)：30-35.

LI Tian, ZHANG Ji-ye, ZHANG Wei-hua. Dynamic Performance of High-speed Train Passing Windbreak in Crosswind [J]. Journal of the China Railway Society，2012，34(7)：30-35.

[8]李宏劍. 擋風(fēng)墻擋風(fēng)抑塵效果數(shù)值模擬研究[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2007.

LI Hong-jian. Numerical Study on Shelter Effect of Wind Break Wall [D]. Hangzhou：Zhejiang University Press，2007.

[9]梁習(xí)鋒. 實(shí)車表面空氣壓力分布試驗(yàn)技術(shù)研究[J]. 鐵道學(xué)報(bào)，2002，24(3)：95-98.

LIANG Xi-feng. Research on Test Technique to Measure Air Pressure Distribution on External Surface of Real Train[J]. Journal of the China Railway Society，2002，24(3)：95-98.

[10]劉高峰. 側(cè)風(fēng)作用下廂式貨車氣動(dòng)特性研究[D]. 長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2006.

LIU Gao-feng. Aero Dynamic Characteristics of Heavy Truck under Horizontal Wind Pressure[D].Changchun：Jinlin University Press，2006.

[11]王夫亮. 側(cè)風(fēng)對(duì)轎車氣動(dòng)特性影響的數(shù)值模擬[D]. 長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2005.

WANG Fu-liang. Numerical Simulation of Aero Dynamic Characteristics of Passenger Car under Horizontal Wind[D]. Changchun：Jilin University Press，2005.

[12]高廣軍，田紅旗，姚松，等.蘭新線強(qiáng)橫風(fēng)對(duì)車輛傾覆穩(wěn)定性的影響[J]. 鐵道學(xué)報(bào)，2004，26(4)：36-40.

GAO Guang-jun，TIAN Hong-qi, YAO Song, et al. Effect of Strong Cross-wind on the Stability of Trains Running on the Lanzhou-Xinjiang Railway Line[J]. Journal of the China Railway Society，2004，26(4)：36-40.

[13]姜翠香,梁習(xí)鋒. 擋風(fēng)墻高度和設(shè)置位置對(duì)車輛氣動(dòng)性能的影響[J]. 中國(guó)鐵道科學(xué)，2006，27(2)：66-70.

JIANG Cui-xiang, LIANG Xi-feng. Effect of the Vehicle Aerodynamic Performance Caused by the Height and Position of Wind-Break Wall[J]. China Railway Science，2006，27(2)：66-70.

[14]梁習(xí)鋒, 田紅旗. 列車氣動(dòng)性能評(píng)估參數(shù)研究[J]. 中國(guó)鐵道科學(xué)，2003，24 (1)：38-41.

LIANG Xi-feng, TIAN Hong-qi. Research on Evaluating Parameters of Train Aerodynamic Performance[J]. China Railway Science，2003，24 (1)：38-41.

[15]武青海. 列車空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真研究[J]. 中國(guó)鐵道科學(xué)，2002，23(4) ：132-135.

WU Qing-hai. Numerical Simulation of Aero Dynamic Properties of Train [J]. China Railway Science，2002，23(4) ：132-135.

Comparison of In-situ Observation Effect of Highway Windbreak Structures and Simulation of Installation Optimization BAI Lu1,2，SHEN Ai-qin1，WEI Zhen-xun3

(1. School of Highway, Chang’an University，Xi’an Shaanxi 710064, China；

2.Transport Department of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Urumchi Xinjiang 830000, China；

3.Highway Planning, Surveying and Design Institute of Xinjiang，Urumchi Xinjiang 830000, China)

Abstract：In order to improve the vehicle running stability and safety on the windy-zone highways in Xinjiang, especially on expressways, the windbreak effect is studied based on the in-situ observation data of different windbreak structures. The comparison is made among different windbreak structures and the optimal one is recommended due to its best performance. On this basis, the windbreak fence with on-board opening，the open-board windbreak fence is further analysed due to its good windbreak effect and wide field engineering applications. The windbreak fence installed at different distances and the effect under different wind speeds are further studied through fluid simulation software. The force statuses and stability of 3 typical kinds of vehicle (passenger car, bus and large truck) in wind field under different conditions are analyzed and compared. The optimum installation scheme of windbreak fence is put forward, the critical design wind speed is recommended, and a reference opinion for designing wind hazarder control is put forward.

Key words：road engineering; wind damage in highway；fluid simulation; windbreak structure; flow field

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-0268(2016)02-0039-07

中圖分類號(hào)：U417.1

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.02.007

作者簡(jiǎn)介：白璐(1981-)，男，天津武清人，博士研究生.(32483890@qq.com)

收稿日期：2015-05-22