高架桥声屏障高度对高速列车气动特性的影响

摘要：针对现代高速铁路建设中大量采用高架桥的现况，为保证列车安全、舒适、环保运行，给高速铁路建设工程提供参考数据，研究行驶在高架桥上的高速列车气动特性．利用Fluent模拟单线高架桥声屏障高度对高速列车气动特性的影响．将声屏障分为6种不同高度，不考虑横向风且列车运行速度为200ｋｍ／ｈ．地面和高架桥均设为移动壁面边界条件，车体设为无滑移壁面边界条件。选用可实现的ｋ-ε模型，近壁处理采用非平衡壁面函数，压力速度耦合采用SIMPLEC算法。为保证收敛性，适当调小松弛因子，动量方程、ｋ方程和ε方程采用１阶迎风格式；计算稳定后，再换用精度更高的２阶迎风格式，并适当调高松弛因子，以加快收敛．数值模拟结果表明，随着声屏障高度变化，作用在高速列车上的气动力和力矩表现出一定的规律性；没有横向风情况下，中间车的力和力矩因数对声屏障高度变化不敏感；声屏障高度变化对头、尾车的升力影响较大。
关键词：高速列车；气动特性；高架桥；声屏障；数值模拟；Fluent

引言

近年来，随着铁路大提速，我国高速铁路的建设得到迅猛发展，已建成多条高速铁路．现有京津城际铁路、武广高铁和郑西高铁等，京沪高铁也即将建成．由于在高速铁路经过区域道路纵横交错，且土地资源十分宝贵，高速铁路多采用高架桥形式．已建成的京津城际铁路，其桥梁占全线长度的８７％，建设中的京沪高铁的桥梁线路占全线长度的８６．５％．与此同时，为降低铁路干线对环境的影响，经常需要在高架桥上添加一些非结构性建筑，如增设声屏障等．声屏障对行驶在高架桥上的高速列车的气动特性具有很大的影响，对其开展研究具有一定的工程应用价值．目前，研究方法主要有理论计算、数值模拟、风洞模拟、实车测试和动模型试验等．理论计算具有一定的复杂性；试验研究耗资大、费时且易由试验设备引起误差；而数值模拟成本较低，且能对大量工况（包括理想工况）进行模拟．因此，随着计算机软、硬件能力的逐年提高，数值模拟逐渐成为研究行驶在高架桥上的高速列车气动特性的重要辅助手段之一。

本文采用ＦＬＵＥＮＴ探讨单线高架桥声屏障高度变化对高速列车气动特性的影响．模拟的工况为：不考虑横向风情况；列车的运行速度Ｖｔ＝２００ｋｍ／ｈ（５５．５６ｍ／ｓ）．对于横向风情况，声屏障客观上起到挡风墙的作用，随着声屏障高度的变化，列车的气动力和力矩也表现出一定的规律性．声屏障的高度分别取Ｈ＝０（对应于无声屏障情况），１．５ｍ，２．０ｍ，２．５ｍ，３．０ｍ和４．５ｍ等６种情况．

１ 计算模型及设置

一般地，行驶在高架桥上的高速列车空气外流场可简化为黏性、不可压缩、绝热和三维定常流动系统等，待求的方程组包括连续性方程、动量方程、ｋ方程和ε方程等．考虑到计算资源的有限性，在进行数值模拟时，经常将细长体列车模型简化为三车连挂（头车＋中间车＋尾车），并忽略转向架和风挡等复杂结构．高速列车气动外形主要参数见表１．

表１高速列车气动外形主要参数

本文采用的单线高架桥ＣＡＤ建立，高架桥及高速列车ＣＡＤ模型见图１．

图１高架桥及高速列车ＣＡＤ模型

高架桥桥底面距地面高度１５ｍ，高速列车中心线距高架桥声屏障内侧３．７ｍ．计算区域及坐标系见图２，计算网格见图３．在模拟中，地面和高架桥均设为移动壁面边界条件，车体设为无滑移壁面边界条件．选用Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅｋ?ε湍流模型，近壁处理采用非平衡壁面函数，压力－速度耦合采用ＳＩＭＰＬＥＣ算法．为保证收敛性，首先适当调小松弛因子，动量方程、湍动能方程和湍动耗散率方程采用１阶迎风格式，等计算稳定后再换用精度更高的２阶迎风格式，并适当调高松弛因子，加快收敛．

图２计算区域及坐标系，ｍ

图３计算网格

２计算结果分析

２．１气动力、力矩变化规律分析

随着声屏障高度的不同，作用在高速列车上的气动力和力矩也随之发生变化．图４为阻力因数变化曲线，可知虽然声屏障高度变化，但头车、中间车和尾车的阻力因数基本没有变化；尾车上的阻力最大，中间车上的阻力最小，头车上的阻力介于二者之间．

图４阻力因数变化曲线

图５为升力因数变化曲线，可知随着声屏障高度的增加，头车上的负升力逐渐增加，声屏障高度Ｈ＝４．５ｍ时的升力比无声屏障时增加４０％；中间车上的升力不随声屏障高度变化而变化，且升力几乎为０；尾车上的正升力随声屏障高度增加而逐渐减小，减小幅度最多可达５４．５％．

图５升力因数变化曲线

图６为俯仰力矩因数变化曲线，可知，中间车俯仰力矩因数对声屏障高度变化不敏感，基本不随声屏障高度变化而变化；而声屏障高度变化对头、尾车俯仰力矩因数影响较大．随着声屏障高度增加，头车俯仰力矩因数逐渐减小．声屏障高度Ｈ＝４．５ｍ时的俯仰力矩比无声屏障时增加１０％；Ｈ＝１．５ｍ时尾车俯仰力矩因数比无声屏障时增加２７％。

图６俯仰力矩因数变化曲线

２．２声屏障高度的单独分析

选取Ｈ＝３．０ｍ进行局部分析．图７为Ｈ＝３．０ｍ时各横截面（ｘ＝－２３ｍ，０，２３ｍ）压力云图，可观察到流场压力分布的变化．由于桥梁和车体结构的对称性，压力分布同样表现出对称性．车体上、下压力分布随流动向尾部发展而产生变化，对于横截面ｘ＝０处，中间车上、下压差很小，因此，中间车所受的升力也很小．

图７Ｈ＝３．０ｍ时各横截面压力云图比较

图８为Ｈ＝３．０ｍ时各横截面速度云图及流线图，可观察到流场漩涡的发展．与无声屏障的情况相比，声屏障会在其顶部产生漩涡．另外，由于结构的对称性，且不受横向风影响，车体左右漩涡结构也对称分布；随着流动向尾部发展，漩涡逐渐发展长大，并最终在尾迹区耗散掉．

图８Ｈ＝３．０ｍ时各横截面速度云图及流线图

由静压因数分析可得某一截面的压力分布．图９（ａ）为Ｈ＝３．０ｍ时中间车体横截面ｘ＝０处静压因数分布，可知，中间车截面上、下部压差很小，故对应的中间车升力很小．图９（ｂ）为Ｈ＝３．０ｍ时车体纵向对称截面ｙ＝０处静压因数分布，可知，中间车上、下部压差很小，所受升力很小；而头、尾部上下压差变化较大，故所受升力较大．头部上下压差明显大于尾部上下压差，因此头车升力明显较尾车大。

图９静压因数分布

２．３声屏障高度对比分析

整车阻力因数基本不随声屏障高度变化而变化．分别对Ｈ＝１．５ｍ和２．５ｍ时车体纵向对称截面ｙ＝０与车体水平截面ｚ＝１．０５ｍ处的整车前后压力分布进行对比分析，发现２个不同声屏障高度的前后压力分布基本相同．因此，整车前后压差造成的形状阻力基本相同，且列车运行速度一定，因而整车总的阻力基本不随声屏障高度变化而变化．

图１０（ａ）为Ｈ＝１．５ｍ和２．５ｍ时纵向对称截面ｙ＝０处静压因数比较．整车的压差阻力取决于整车前、后静压因数的积分效果，可知列车在纵向对称截面的压差基本相等，因此，整车的压差阻力相等．图１０（ｂ）为Ｈ＝１．５ｍ和２．５ｍ时车体水平截面ｚ＝１．０５ｍ处静压因数比较，可知，整车前、后压差造成的形状阻力不随声屏障高度变化而变化．

图１０静压因数比较

图１１和１２分别为Ｈ＝１．５ｍ和２．５ｍ时各横截面速度云图及流线图，可知，由于声屏障的存在，形成半封闭的流动空间，车体两侧的流体从上部开第３期罗建斌，等：高架桥声屏障高度对高速列车气动特性的影响９放处散逸，并在声屏障顶部产生漩涡．随着声屏障高度增加，上部散逸效果基本一致，不会造成车体前、后压差的显著变化，因此，车体压差阻力基本不随声屏障高度增加而增加．

３结论

声屏障的存在对行驶在高架桥上的高速列车气动特性具有很大的影响，对此开展研究具有一定的工程应用价值．本文采用数值模拟方法探讨在无横向风情况下高速列车气动特性随声屏障高度变化的规律．数值计算结果表明，在没有横向风情况下，中间车的力和力矩因数对声屏障高度变化不敏感，基本不随声屏障高度变化而变化；而声屏障高度变化对头、尾车的升力影响较大。