高速列車聲屏障的流固分析范文

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《動力學與控制學報》2014年第二期

1列車通過聲屏障的脈動力計算

1．1計算模型在路堤上運行的列車在不考慮列車交會的情況下，列車運行的最大速度為350km/h，對應的馬赫數小于0．3，所以不考慮空氣密度變化，采用不可壓流體．計算中采用的湍流模型為k－ε兩方程湍流模型．基于以上考慮，本文采用有限體積法求解三維瞬態不可壓縮的N－S方程和k－ε兩方程湍流模型獲得列車通過聲屏障時聲屏障上的脈動壓力．真實的列車模型相當復雜，基于計算機硬件條件和計算時間的考慮，對列車模型進行了簡化，忽略了轉向架、受電弓、門把手等的影響，對列車表面進行了光滑處理．列車中部的截面變化不大，流場在列車中部趨于穩定［11，12］，因此計算中采用了頭車+中間車+尾車三車編組的列車模型，其長度分別為27．6m、25m、27．6m，列車寬度和高度分別為3．2m、4．27m．真實的聲屏障結構比較復雜，在流體計算中對聲屏障進行了光滑處理，將其視為一定厚度的平板，忽略立柱、柱頭和混凝土基礎等結構．簡化后的列車模型和聲屏障模型分別如圖1和圖2所示．計算模型中路堤寬度為14．3m，路堤上線路間距為5m，聲屏障距軌道中心線距離為4．65m，聲屏障高度為2．95m，厚度0．175m，長度100m．由于離列車近的一側聲屏障受到的脈動壓力較大，所以計算中只研究靠近列車一側的聲屏障．聲屏障在垂向方向上由六塊構成，下面五塊中每塊高均為0．50m，最上端一塊高為0．45m．計算區域如圖3所示，計算區域的總長度為600m，寬度為140m，高度為65m．計算區域側面和上面為對稱面邊界條件，地面和聲屏障設置為無滑移壁面邊界，列車運行的兩個端面設置為壓力出口邊界．利用FLUENT中的滑移網格技術模擬列車與聲屏障的相對運動，列車區域與外部流場區域之間設置為interface邊界條件，列車區域的滑移速度為列車運行速度，即四種工況下分別為55．56m/s、69．44m/s、83．33m/s、97．22m/s．為了研究聲屏障上脈動壓力的分布規律，分別取聲屏障入口和出口以及聲屏障中間部位的一塊板，并對聲屏障板上的測點分塊編號，聲屏障板上的測點編號情況圖4所示．

1．2聲屏障上的壓力波基本特性聲屏障板靠近列車的一側為內側，另一側為外側．圖5為列車速度為350km/h時入口聲屏障上內、外側某一測點的壓力時程曲線，其他部位測點壓力隨時間的變化趨勢與圖5相同．由圖5可以看出，聲屏障上測點的壓力呈現兩個脈動波，第一個波出現在頭車經過測點時，第二個波出現在尾車經過測點時，頭波的正壓幅值大于負壓幅值，尾波的負壓幅值大于正壓幅值．

1．3聲屏障上壓力波幅值沿垂向和縱向的分布聲屏障是在內外側壓力共同作用下的，取列車速度350km/h時入口、中間和出口聲屏障上測點的內外側壓差幅值結果進行分析，圖6為入口聲屏障內外側壓差幅值的變化，圖7為中間聲屏障內外側壓差幅值的變化，圖8為出口聲屏障內外側壓差幅值的變化．由圖6～8可知聲屏障的內外側壓差幅值沿垂向向上都是減小的趨勢，越往上減小的越快;入口聲屏障內外側壓差幅值沿縱向為增大的趨勢，中間聲屏障內外側壓差幅值沿縱向無明顯變化，出口聲屏障內外側壓差幅值沿縱向為減小的趨勢．這是由于聲屏障底部相對于頂部的密閉性好，氣流有向聲屏障外部流出的趨勢，空氣在聲屏障底部的有效流通區域要小于聲屏障頂部，因此聲屏障底部的壓差幅值大于頂部;同樣入口和出口聲屏障靠近聲屏障內部的部分相對于靠近出口部分的密閉性要好，所以沿列車運行方向靠近聲屏障內部的測點壓差幅值較大．

1．4聲屏障上壓力幅值與列車運行速度的關系為研究聲屏障上的壓力波幅值與列車速度的關系，取入口和中間聲屏障上的一組計算結果進行分析，其中列車速度V分別取200km/h、250km/h、300km/h、350km/h，在聲屏障板上取中間位置(編號為C)的一列測點．壓力波幅值與列車運行速度(單位:m/s)的關系曲線如圖9和圖10所示．對聲屏障內外側壓力波幅值與速度的關系曲線進行擬合，得到關系式:ΔP=apv0V2，其中ΔP為聲屏障上的壓力波幅值，V為列車運行速度(m/s)，apv0為與列車運行速度和測點位置有關的系數，式中apv0均為正數．由此可見，列車通過聲屏障時聲屏障上的測點壓力波幅值與列車運行速度的平方成正比．

2聲屏障的結構響應計算

2．1聲屏障結構計算模型及載荷和邊界條件設置在ANSYSWorkbench中建立聲屏障結構模型如圖11所示，結構模型的尺寸與流體計算時的聲屏障模型一致，只是在聲屏障插板的兩端加入了H型立柱．聲屏障插板采用鋁合金材料，立柱采用結構鋼材料，材料具體參數見表1．劃分后的網格模型如圖12所示，采用的單元類型是Workbench中默認的實體solid186號單元(20節點的六面體單元)，網格節點數為112005，單元數為18821.載荷和邊界條件的設置:聲屏障承受重力和列車風在其表面產生的脈動壓力．對聲屏障的外表面按測點布置情況進行分塊，將每個測點的壓力分別加到對應的面上．聲屏障立柱底部為固定支撐約束;最下邊一塊聲屏障插板與地面接觸部分為法向壓縮支撐約束，即當該面受壓時才會有法向位移約束．

2．2聲屏障結構的模態分析對聲屏障模型進行自振特性研究，得到聲屏障結構的前五階自振頻率，如表2所示．由表2可看出聲屏障的自振頻率均在10Hz以上，遠高于高速列車脈動空氣壓力激勵的頻率(約為2～4Hz)［8］．因此，聲屏障結構基本不會產生共振．圖13為聲屏障結構的前五階頻率對應的振型．

2．3聲屏障結構的瞬態動力學分析由1．4節可知列車運行速度越高引起的空氣脈動壓力越大．因此選取列車350km/h速度通過時產生的脈動壓力進行計算．將各測點對應的時程壓力分別加到對應的面上，對聲屏障結構模型進行瞬態動力學分析．圖14為入口、中間和出口聲屏障位移云圖和應力云圖．由圖14可知:聲屏障的最大位移出現在最上邊一塊插板的頂部，最大應力出現在立柱與地面接觸的地方．提取聲屏障入口、中間和出口聲屏障監測板立柱和插板位移最大部位的位移響應曲線如圖15所示，入口、中間和出口聲屏障應力(mise應力)最大部位的應力響應曲線如圖16所示．由圖15可知:聲屏障的位移變化規律與聲屏障所受的脈動壓力變化規律一致，最大位移出現在列車車頭經過時，中間聲屏障最大位移比入口和出口聲屏障大，聲屏障插板的最大位移比立柱的最大位移大．由圖16可知:車頭和車尾經過時，聲屏障的應力較大，且車頭經過時聲屏障的應力比車尾經過時的應力大;中間聲屏障的最大應力比入口和出口聲屏障的最大應力大．

3結論

通過對高速列車通過聲屏障時的聲屏障上的脈動力計算和在脈動力作用下聲屏障的結構響應進行計算，主要得到以下結論:(1)聲屏障內外側壓差幅值沿垂向為減小的趨勢，入口聲屏障內外側壓差幅值沿列車運行方向為增大趨勢，中間聲屏障內外側壓差幅值沿列車運行方向變化不大，出口聲屏障內外側壓差幅值沿列車運行方向為減小趨勢．(2)聲屏障內外側的壓力波幅值與列車運行速度的平方成正比．(3)聲屏障的最大位移出現在聲屏障最上邊一塊插板頂部中間，最大應力出現在立柱與地面的連接處．(4)聲屏障的最大位移和最大應力都出現在車頭經過時，中間聲屏障的最大位移和最大應力比入口和出口聲屏障的大．

作者：張亮張繼業張衛華單位：西南交通大學牽引動力國家重點實驗室