高速列車聲屏障的流固分析范文

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《動力學(xué)與控制學(xué)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(yùn)行的列車在不考慮列車交會的情況下，列車運(yùn)行的最大速度為350km/h，對應(yīng)的馬赫數(shù)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(tài)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(dāng)復(fù)雜，基于計算機(jī)硬件條件和計算時間的考慮，對列車模型進(jìn)行了簡化，忽略了轉(zhuǎn)向架、受電弓、門把手等的影響，對列車表面進(jìn)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(wěn)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(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在流體計算中對聲屏障進(jìn)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(chǔ)等結(jié)構(gòu)．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(cè)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(cè)的聲屏障．聲屏障在垂向方向上由六塊構(gòu)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(qū)域如圖3所示，計算區(qū)域的總長度為600m，寬度為140m，高度為65m．計算區(qū)域側(cè)面和上面為對稱面邊界條件，地面和聲屏障設(shè)置為無滑移壁面邊界，列車運(yùn)行的兩個端面設(shè)置為壓力出口邊界．利用FLUENT中的滑移網(wǎng)格技術(shù)模擬列車與聲屏障的相對運(yùn)動，列車區(qū)域與外部流場區(qū)域之間設(shè)置為interface邊界條件，列車區(qū)域的滑移速度為列車運(yùn)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(guī)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(cè)為內(nèi)側(cè)，另一側(cè)為外側(cè)．圖5為列車速度為350km/h時入口聲屏障上內(nèi)、外側(cè)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(xiàn)兩個脈動波，第一個波出現(xiàn)在頭車經(jīng)過測點時，第二個波出現(xiàn)在尾車經(jīng)過測點時，頭波的正壓幅值大于負(fù)壓幅值，尾波的負(fù)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(nèi)外側(cè)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(nèi)外側(cè)壓差幅值結(jié)果進(jìn)行分析，圖6為入口聲屏障內(nèi)外側(cè)壓差幅值的變化，圖7為中間聲屏障內(nèi)外側(cè)壓差幅值的變化，圖8為出口聲屏障內(nèi)外側(cè)壓差幅值的變化．由圖6～8可知聲屏障的內(nèi)外側(cè)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(nèi)外側(cè)壓差幅值沿縱向為增大的趨勢，中間聲屏障內(nèi)外側(cè)壓差幅值沿縱向無明顯變化，出口聲屏障內(nèi)外側(cè)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(qū)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(nèi)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(yùn)行方向靠近聲屏障內(nèi)部的測點壓差幅值較大．

1．4聲屏障上壓力幅值與列車運(yùn)行速度的關(guān)系為研究聲屏障上的壓力波幅值與列車速度的關(guān)系，取入口和中間聲屏障上的一組計算結(jié)果進(jìn)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(yùn)行速度(單位:m/s)的關(guān)系曲線如圖9和圖10所示．對聲屏障內(nèi)外側(cè)壓力波幅值與速度的關(guān)系曲線進(jìn)行擬合，得到關(guān)系式:ΔP=apv0V2，其中ΔP為聲屏障上的壓力波幅值，V為列車運(yùn)行速度(m/s)，apv0為與列車運(yùn)行速度和測點位置有關(guān)的系數(shù)，式中apv0均為正數(shù)．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(yùn)行速度的平方成正比．

2聲屏障的結(jié)構(gòu)響應(yīng)計算

2．1聲屏障結(jié)構(gòu)計算模型及載荷和邊界條件設(shè)置在ANSYSWorkbench中建立聲屏障結(jié)構(gòu)模型如圖11所示，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)鋼材料，材料具體參數(shù)見表1．劃分后的網(wǎng)格模型如圖12所示，采用的單元類型是Workbench中默認(rèn)的實體solid186號單元(20節(jié)點的六面體單元)，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為112005，單元數(shù)為18821.載荷和邊界條件的設(shè)置:聲屏障承受重力和列車風(fēng)在其表面產(chǎn)生的脈動壓力．對聲屏障的外表面按測點布置情況進(jìn)行分塊，將每個測點的壓力分別加到對應(yīng)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(dāng)該面受壓時才會有法向位移約束．

2．2聲屏障結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析對聲屏障模型進(jìn)行自振特性研究，得到聲屏障結(jié)構(gòu)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(yuǎn)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(jié)構(gòu)基本不會產(chǎn)生共振．圖13為聲屏障結(jié)構(gòu)的前五階頻率對應(yīng)的振型．

2．3聲屏障結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)動力學(xué)分析由1．4節(jié)可知列車運(yùn)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(chǎn)生的脈動壓力進(jìn)行計算．將各測點對應(yīng)的時程壓力分別加到對應(yīng)的面上，對聲屏障結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)分析．圖14為入口、中間和出口聲屏障位移云圖和應(yīng)力云圖．由圖14可知:聲屏障的最大位移出現(xiàn)在最上邊一塊插板的頂部，最大應(yīng)力出現(xiàn)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(jiān)測板立柱和插板位移最大部位的位移響應(yīng)曲線如圖15所示，入口、中間和出口聲屏障應(yīng)力(mise應(yīng)力)最大部位的應(yīng)力響應(yīng)曲線如圖16所示．由圖15可知:聲屏障的位移變化規(guī)律與聲屏障所受的脈動壓力變化規(guī)律一致，最大位移出現(xiàn)在列車車頭經(jīng)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(jīng)過時，聲屏障的應(yīng)力較大，且車頭經(jīng)過時聲屏障的應(yīng)力比車尾經(jīng)過時的應(yīng)力大;中間聲屏障的最大應(yīng)力比入口和出口聲屏障的最大應(yīng)力大．

3結(jié)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(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行計算，主要得到以下結(jié)論:(1)聲屏障內(nèi)外側(cè)壓差幅值沿垂向為減小的趨勢，入口聲屏障內(nèi)外側(cè)壓差幅值沿列車運(yùn)行方向為增大趨勢，中間聲屏障內(nèi)外側(cè)壓差幅值沿列車運(yùn)行方向變化不大，出口聲屏障內(nèi)外側(cè)壓差幅值沿列車運(yùn)行方向為減小趨勢．(2)聲屏障內(nèi)外側(cè)的壓力波幅值與列車運(yùn)行速度的平方成正比．(3)聲屏障的最大位移出現(xiàn)在聲屏障最上邊一塊插板頂部中間，最大應(yīng)力出現(xiàn)在立柱與地面的連接處．(4)聲屏障的最大位移和最大應(yīng)力都出現(xiàn)在車頭經(jīng)過時，中間聲屏障的最大位移和最大應(yīng)力比入口和出口聲屏障的大．

作者：張亮張繼業(yè)張衛(wèi)華單位：西南交通大學(xué)牽引動力國家重點實驗室