0 引 言

近年來,隨著鐵路大提速,我國高速鐵路的建設得到迅猛發展,已建成多條高速鐵路.現有京津城際鐵路、武廣高鐵和鄭西高鐵等,京滬高鐵也即將建成.由于在高速鐵路經過區域道路縱橫交錯,且土地資源十分寶貴,高速鐵路多采用高架橋形式.已建成的京津城際鐵路,其橋梁占全線長度的87%,建設中的京滬高鐵的橋梁線路占全線長度的86.5%.與此同時,為降低鐵路干線對環境的影響,經常需要在高架橋上添加一些非結構性建筑,如增設聲屏障等.聲屏障對行駛在高架橋上的高速列車的氣動特性具有很大的影響,對其開展研究具有一定的工程應用價值.目前,研究方法主要有理論計算、數值模擬、風洞模擬、實車測試和動模型試驗等.理論計算具有一定的復雜性;試驗研究耗資大、費時且易由試驗設備引起誤差;而數值模擬成本較低,且能對大量工況(包括理想工況)進行模擬.因此,隨著計算機軟、硬件能力的逐年提高,數值模擬逐漸成為研究行駛在高架橋上的高速列車氣動特性的重要輔助手段之一.

本文采用FLUENT探討單線高架橋聲屏障高度變化對高速列車氣動特性的影響.模擬的工況為:不考慮橫向風情況;列車的運行速度Vt=200km/h(55.56m/s).對于橫向風情況,聲屏障客觀上起到擋風墻的作用,隨著聲屏障高度的變化,列車的氣動力和力矩也表現出一定的規律性.聲屏障的高度分別取H=0(對應于無聲屏障情況),1.5m,2.0m,2.5m,3.0m和4.5m等6種情況.

1 計算模型及設置

一般地,行駛在高架橋上的高速列車空氣外流場可簡化為黏性、不可壓縮、絕熱和三維定常流動系統等,待求的方程組包括連續性方程、動量方程、k方程和ε方程等.考慮到計算資源的有限性,在進行數值模擬時,經常將細長體列車模型簡化為三車連掛(頭車+中間車+尾車),并忽略轉向架和風擋等復雜結構.高速列車氣動外形主要參數見表1.

表1 高速列車氣動外形主要參數

本文采用的單線高架橋CAD建立,高架橋及高速列車CAD模型見圖1.

圖1 高架橋及高速列車CAD模型

高架橋橋底面距地面高度15m,高速列車中心線距高架橋聲屏障內側3.7m.計算區域及坐標系見圖2,計算網格見圖3.在模擬中,地面和高架橋均設為移動壁面邊界條件,車體設為無滑移壁面邊界條件.選用Realizablek?ε湍流模型,近壁處理采用非平衡壁面函數,壓力-速度耦合采用SIMPLEC算法.為保證收斂性,首先適當調小松弛因子,動量方程、湍動能方程和湍動耗散率方程采用1階迎風格式,等計算穩定后再換用精度更高的2階迎風格式,并適當調高松弛因子,加快收斂.

圖2 計算區域及坐標系,m

圖3 計算網格

2 計算結果分析
2.1 氣動力、力矩變化規律分析

隨著聲屏障高度的不同,作用在高速列車上的氣動力和力矩也隨之發生變化.圖4為阻力因數變化曲線,可知雖然聲屏障高度變化,但頭車、中間車和尾車的阻力因數基本沒有變化;尾車上的阻力最大,中間車上的阻力最小,頭車上的阻力介于二者之間.

圖4 阻力因數變化曲線

圖5為升力因數變化曲線,可知隨著聲屏障高度的增加,頭車上的負升力逐漸增加,聲屏障高度H=4.5m時的升力比無聲屏障時增加40%;中間車上的升力不隨聲屏障高度變化而變化,且升力幾乎為0;尾車上的正升力隨聲屏障高度增加而逐漸減小,減小幅度最多可達54.5%.

圖5 升力因數變化曲線

圖6為俯仰力矩因數變化曲線,可知,中間車俯仰力矩因數對聲屏障高度變化不敏感,基本不隨聲屏障高度變化而變化;而聲屏障高度變化對頭、尾車俯仰力矩因數影響較大.隨著聲屏障高度增加,頭車俯仰力矩因數逐漸減小.聲屏障高度H=4.5m時的俯仰力矩比無聲屏障時增加10%;H=1.5m時尾車俯仰力矩因數比無聲屏障時增加27%.

圖6 俯仰力矩因數變化曲線

2.2 聲屏障高度的單獨分析

選取H=3.0m進行局部分析.圖7為H=3.0m時各橫截面(x=-23m,0,23m)壓力云圖,可觀察到流場壓力分布的變化.由于橋梁和車體結構的對稱性,壓力分布同樣表現出對稱性.車體上、下壓力分布隨流動向尾部發展而產生變化,對于橫截面x=0處,中間車上、下壓差很小,因此,中間車所受的升力也很小.

圖7 H=3.0m時各橫截面壓力云圖比較

圖8為H=3.0m時各橫截面速度云圖及流線圖,可觀察到流場漩渦的發展.與無聲屏障的情況相比,聲屏障會在其頂部產生漩渦.另外,由于結構的對稱性,且不受橫向風影響,車體左右漩渦結構也對稱分布;隨著流動向尾部發展,漩渦逐漸發展長大,并最終在尾跡區耗散掉.

圖8 H=3.0m時各橫截面速度云圖及流線圖

由靜壓因數分析可得某一截面的壓力分布.圖9(a)為H=3.0m時中間車體橫截面x=0處靜壓因數分布,可知,中間車截面上、下部壓差很小,故對應的中間車升力很小.圖9(b)為H=3.0m時車體縱向對稱截面y=0處靜壓因數分布,可知,中間車上、下部壓差很小,所受升力很小;而頭、尾部上下壓差變化較大,故所受升力較大.頭部上下壓差明顯大于尾部上下壓差,因此頭車升力明顯較尾車大.

圖9 靜壓因數分布

2.3 聲屏障高度對比分析

整車阻力因數基本不隨聲屏障高度變化而變化.分別對H=1.5m和2.5m時車體縱向對稱截面y=0與車體水平截面z=1.05m處的整車前后壓力分布進行對比分析,發現2個不同聲屏障高度的前后壓力分布基本相同.因此,整車前后壓差造成的形狀阻力基本相同,且列車運行速度一定,因而整車總的阻力基本不隨聲屏障高度變化而變化.

圖10(a)為H=1.5m和2.5m時縱向對稱截面y=0處靜壓因數比較.整車的壓差阻力取決于整車前、后靜壓因數的積分效果,可知列車在縱向對稱截面的壓差基本相等,因此,整車的壓差阻力相等.圖10(b)為H=1.5m和2.5m時車體水平截面z=1.05m處靜壓因數比較,可知,整車前、后壓差造成的形狀阻力不隨聲屏障高度變化而變化.

圖10 靜壓因數比較

圖11和12分別為H=1.5m和2.5m時各橫截面速度云圖及流線圖,可知,由于聲屏障的存在,形成半封閉的流動空間,車體兩側的流體從上部開第3期羅建斌,等:高架橋聲屏障高度對高速列車氣動特性的影響9放處散逸,并在聲屏障頂部產生漩渦.隨著聲屏障高度增加,上部散逸效果基本一致,不會造成車體前、后壓差的顯著變化,因此,車體壓差阻力基本不隨聲屏障高度增加而增加.

圖11 H=1.5m時各橫截面速度云圖及流線圖

圖12 H=2.5m時各橫截面速度云圖及流線圖

3 結 論

聲屏障的存在對行駛在高架橋上的高速列車氣動特性具有很大的影響,對此開展研究具有一定的工程應用價值.本文采用數值模擬方法探討在無橫向風情況下高速列車氣動特性隨聲屏障高度變化的規律.數值計算結果表明,在沒有橫向風情況下,中間車的力和力矩因數對聲屏障高度變化不敏感,基本不隨聲屏障高度變化而變化;而聲屏障高度變化對頭、尾車的升力影響較大.

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