威振容，等：高速铁路声屏障气动特性仿真分析
高速铁路声屏障气动特性仿真分析
戚振，李人宪
（西南交通大学机械工程学院，成都610031）
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摘要：基于三维粘性非稳态可压缩Navier-Stokes方程和k-g两方程素流模型，采用有限体积法对高速列车通过时声屏障上气体压力和气动作用力进行计算。分析了两种高度、三种形式声屏障和四种列车运行速度条件下，单车通过与会车过程中的声屏障气动特性。结果表明：列车通过时，直立板型声屏障所受单位长度气动力最小，例L型声屏障最大，内倾45°型居中；不同类型声屏障单位长度上气动力与列车运行速度均成2次方函数关系。会车过程中作用在声屏障上气动作用力大于单车通过时相应的气动作用力。
关键词：声屏障；气动作用力；高速列车；仿真分析
中图分类号：U260.16
0引言
文献标志码：A
高速列车的开通给高速铁路周围环境带来一定的负面影响，特别是气动噪声，以列车运行速度的8次方比例增加")，为了减小铁路沿线噪音污染，多采用声屏障控制列车气动噪声[23)]。列车高速通过声屏障时，列车风产生很大的空气压力脉动载荷作用在声屏障上，使声屏障在极短的时闻内受到交变的气动作用力。反复作用的交变气动力对对声屏障的疲劳寿命有很大影响，且声屏障因强度或疲劳破坏而失效，有可能危及行车安全[4-7]
。列车通过时声屏
障上气体压力变化、压力分布、气动作用力大小，声屏障结构和列车速度对其影响，会车情况与单车通过时声屏障上气动力是否相同，这此有关声屏障气动特性研究还很欠缺。本文拟采用计算流体力学仿真分析的方法，研究列车高速通过时声屏障的主要气动特性。
1分析方法 1.1基本假设
（1）列车通过声屏障时，周围流场雷诺数R，> 10°，流场处于紊流状态，计算采用k~g两方程紊流模型和标准壁面函数模拟列车周围紊流场。
（2）列车以350km/h及以上速度行驶时，列车周围诱导气流的速度大于0.3倍当地音速，计算中流
场按可压缩情况处理。收稿日期：20100127
基金项目：高等学校创新工程培育基金项目（705044）
作者篇介：或报宕（1984－），男，河北邯郸人。硕士研究生，主
要从事列车空气动力学方面研究。E-mail：qizhendang@ 163.com。
文章编号：10038825(2011)04000904
（3）列车为头尾形状相同的流线型列车，模拟的列车长度为75m，忽略受电弓、车体连接部位、转向架等细部结构，为光滑车体。声屏障忽略细部结
构，为等厚光滑墙体。 1.2数学模型
列车与声屏障周围为三维、粘性、可压缩、非稳态紊流场，描述这一个流场的的控制微分方程为连续性方程、动量方程和能量方程。方程组的数值求解采用有限体积法*，计算和求解过程利用FLUENT流体
计算软件完成。 1.3几何模型
列车外形尺寸与CHR2型高速车基本相同，双线铁路，线间距5.0m，声屏障距轨道中心4.5m 分立两侧。计算区域在声屏障外侧、列车上侧取大于5倍车宽，车尾取大于20倍车宽空间流场。计算区域为动态网格，地面、声屏障内外侧附近区域为固定网格，列车周围区域为移动网格，按规定车速移动。声屏障选取了三种结构。为保证计算精度，流场空间划分超过60万六面体网格。图1为列车及声屏障局部表面的网格，图2为三种声屏障形状。
图1计算模型局部网格