高速列车声屏障的流固分析范文

《动力学与控制学报》2014年第二期

1列车通过声屏障的脉动力计算

1．1计算模型在路堤上运行的列车在不考虑列车交会的情况下，列车运行的最大速度为350km/h，对应的马赫数小于0．3，所以不考虑空气密度变化，采用不可压流体．计算中采用的湍流模型为k－ε两方程湍流模型．基于以上考虑，本文采用有限体积法求解三维瞬态不可压缩的N－S方程和k－ε两方程湍流模型获得列车通过声屏障时声屏障上的脉动压力．真实的列车模型相当复杂，基于计算机硬件条件和计算时间的考虑，对列车模型进行了简化，忽略了转向架、受电弓、门把手等的影响，对列车表面进行了光滑处理．列车中部的截面变化不大，流场在列车中部趋于稳定［11，12］，因此计算中采用了头车+中间车+尾车三车编组的列车模型，其长度分别为27．6m、25m、27．6m，列车宽度和高度分别为3．2m、4．27m．真实的声屏障结构比较复杂，在流体计算中对声屏障进行了光滑处理，将其视为一定厚度的平板，忽略立柱、柱头和混凝土基础等结构．简化后的列车模型和声屏障模型分别如图1和图2所示．计算模型中路堤宽度为14．3m，路堤上线路间距为5m，声屏障距轨道中心线距离为4．65m，声屏障高度为2．95m，厚度0．175m，长度100m．由于离列车近的一侧声屏障受到的脉动压力较大，所以计算中只研究靠近列车一侧的声屏障．声屏障在垂向方向上由六块构成，下面五块中每块高均为0．50m，最上端一块高为0．45m．计算区域如图3所示，计算区域的总长度为600m，宽度为140m，高度为65m．计算区域侧面和上面为对称面边界条件，地面和声屏障设置为无滑移壁面边界，列车运行的两个端面设置为压力出口边界．利用FLUENT中的滑移网格技术模拟列车与声屏障的相对运动，列车区域与外部流场区域之间设置为interface边界条件，列车区域的滑移速度为列车运行速度，即四种工况下分别为55．56m/s、69．44m/s、83．33m/s、97．22m/s．为了研究声屏障上脉动压力的分布规律，分别取声屏障入口和出口以及声屏障中间部位的一块板，并对声屏障板上的测点分块编号，声屏障板上的测点编号情况图4所示．

1．2声屏障上的压力波基本特性声屏障板靠近列车的一侧为内侧，另一侧为外侧．图5为列车速度为350km/h时入口声屏障上内、外侧某一测点的压力时程曲线，其他部位测点压力随时间的变化趋势与图5相同．由图5可以看出，声屏障上测点的压力呈现两个脉动波，第一个波出现在头车经过测点时，第二个波出现在尾车经过测点时，头波的正压幅值大于负压幅值，尾波的负压幅值大于正压幅值．

1．3声屏障上压力波幅值沿垂向和纵向的分布声屏障是在内外侧压力共同作用下的，取列车速度350km/h时入口、中间和出口声屏障上测点的内外侧压差幅值结果进行分析，图6为入口声屏障内外侧压差幅值的变化，图7为中间声屏障内外侧压差幅值的变化，图8为出口声屏障内外侧压差幅值的变化．由图6～8可知声屏障的内外侧压差幅值沿垂向向上都是减小的趋势，越往上减小的越快;入口声屏障内外侧压差幅值沿纵向为增大的趋势，中间声屏障内外侧压差幅值沿纵向无明显变化，出口声屏障内外侧压差幅值沿纵向为减小的趋势．这是由于声屏障底部相对于顶部的密闭性好，气流有向声屏障外部流出的趋势，空气在声屏障底部的有效流通区域要小于声屏障顶部，因此声屏障底部的压差幅值大于顶部;同样入口和出口声屏障靠近声屏障内部的部分相对于靠近出口部分的密闭性要好，所以沿列车运行方向靠近声屏障内部的测点压差幅值较大．

1．4声屏障上压力幅值与列车运行速度的关系为研究声屏障上的压力波幅值与列车速度的关系，取入口和中间声屏障上的一组计算结果进行分析，其中列车速度V分别取200km/h、250km/h、300km/h、350km/h，在声屏障板上取中间位置(编号为C)的一列测点．压力波幅值与列车运行速度(单位:m/s)的关系曲线如图9和图10所示．对声屏障内外侧压力波幅值与速度的关系曲线进行拟合，得到关系式:ΔP=apv0V2，其中ΔP为声屏障上的压力波幅值，V为列车运行速度(m/s)，apv0为与列车运行速度和测点位置有关的系数，式中apv0均为正数．由此可见，列车通过声屏障时声屏障上的测点压力波幅值与列车运行速度的平方成正比．

2声屏障的结构响应计算

2．1声屏障结构计算模型及载荷和边界条件设置在ANSYSWorkbench中建立声屏障结构模型如图11所示，结构模型的尺寸与流体计算时的声屏障模型一致，只是在声屏障插板的两端加入了H型立柱．声屏障插板采用铝合金材料，立柱采用结构钢材料，材料具体参数见表1．划分后的网格模型如图12所示，采用的单元类型是Workbench中默认的实体solid186号单元(20节点的六面体单元)，网格节点数为112005，单元数为18821.载荷和边界条件的设置:声屏障承受重力和列车风在其表面产生的脉动压力．对声屏障的外表面按测点布置情况进行分块，将每个测点的压力分别加到对应的面上．声屏障立柱底部为固定支撑约束;最下边一块声屏障插板与地面接触部分为法向压缩支撑约束，即当该面受压时才会有法向位移约束．

2．2声屏障结构的模态分析对声屏障模型进行自振特性研究，得到声屏障结构的前五阶自振频率，如表2所示．由表2可看出声屏障的自振频率均在10Hz以上，远高于高速列车脉动空气压力激励的频率(约为2～4Hz)［8］．因此，声屏障结构基本不会产生共振．图13为声屏障结构的前五阶频率对应的振型．

2．3声屏障结构的瞬态动力学分析由1．4节可知列车运行速度越高引起的空气脉动压力越大．因此选取列车350km/h速度通过时产生的脉动压力进行计算．将各测点对应的时程压力分别加到对应的面上，对声屏障结构模型进行瞬态动力学分析．图14为入口、中间和出口声屏障位移云图和应力云图．由图14可知:声屏障的最大位移出现在最上边一块插板的顶部，最大应力出现在立柱与地面接触的地方．提取声屏障入口、中间和出口声屏障监测板立柱和插板位移最大部位的位移响应曲线如图15所示，入口、中间和出口声屏障应力(mise应力)最大部位的应力响应曲线如图16所示．由图15可知:声屏障的位移变化规律与声屏障所受的脉动压力变化规律一致，最大位移出现在列车车头经过时，中间声屏障最大位移比入口和出口声屏障大，声屏障插板的最大位移比立柱的最大位移大．由图16可知:车头和车尾经过时，声屏障的应力较大，且车头经过时声屏障的应力比车尾经过时的应力大;中间声屏障的最大应力比入口和出口声屏障的最大应力大．

3结论

通过对高速列车通过声屏障时的声屏障上的脉动力计算和在脉动力作用下声屏障的结构响应进行计算，主要得到以下结论:(1)声屏障内外侧压差幅值沿垂向为减小的趋势，入口声屏障内外侧压差幅值沿列车运行方向为增大趋势，中间声屏障内外侧压差幅值沿列车运行方向变化不大，出口声屏障内外侧压差幅值沿列车运行方向为减小趋势．(2)声屏障内外侧的压力波幅值与列车运行速度的平方成正比．(3)声屏障的最大位移出现在声屏障最上边一块插板顶部中间，最大应力出现在立柱与地面的连接处．(4)声屏障的最大位移和最大应力都出现在车头经过时，中间声屏障的最大位移和最大应力比入口和出口声屏障的大．

作者：张亮张继业张卫华单位：西南交通大学牵引动力国家重点实验室