铁路桥梁声屏障气动力初步分析.pdf

2 0 1 0年第 7期 铁道建筑 Ra i l wa y Eng i n e e r i ng 47 文 章编号 1 0 0 3 ． 1 9 9 5 2 0 1 0 0 7 - 0 0 4 7 -03 铁路桥梁声屏 障气 动力初 步分析 董 宇 ， 成 志强 ， 朱正清 1 ．西南交通大学 力学 与工程学 院 ， 成都6 1 0 0 3 1 ； 2 ． 铁 道第 三勘察设计院集团有限公司 ， 天津3 0 0 0 4 0 摘要 应用商业流体分析软件 F L U E N T的动 网格技术对列车驶过声屏 障产生的气动力进行 了数值模拟 ． 得到了声屏障的气动力沿列车运行方向和高度方向的变化规律。模拟结果与测试结果的一致性证 实了 模拟方法的有效性。 关键词 列车 声屏障数值模拟动网格 中 图分类号 U 2 6 0 ． 1 6 ； U 4 4 3 ． 7 文献标 识码 A 随着京津城际的开通和客运专线的运营， 列车在 给人们带来便捷交通的同时 ， 也引发了噪声的问题 ， 而 声屏障是降噪的最有效手段之一。列车快速通过声屏 障产生的气动力对于声屏障的结构设计非常重要。本 文应用商业流体分析软件 F L U E N T对列车在声屏障中 运行产生的气动力进行 了数值模 拟， 得到了声屏障气 动力压力场的分布规律 ， 为声屏障的结构设计提供了 参考 。 1 数值模拟 1 ． 1 工 况 以客运专线某特大桥试验段上的声屏障为例 ， 声 屏障离列车中心线 3 ． 4 0 m， 声屏障高 2 ． 1 5 m， 厚度为 0 ． 1 5 m。列车和声屏障之间有防撞墙 ， 防撞墙离列车 中心线为 2 ． 2 0 m， 防撞墙高出声屏 障底部 0 ． 3 7 m， 厚 度为 0 ． 2 0 m。模拟 中以列车在声屏 障中部 的运行 速 度 3 2 4 k m ／ h 9 0 m ／ s 作为模 拟 工况 图 1 。 1 ． 2几何 模型 采用三节车模型进行模拟 ， 即整个模 型由首尾两 个车头、 中间一节车辆组成。其中车头长 2 5 ． 7 0 m， 车 辆长 2 5 ． O 0 m， 列车长、 宽、 高分别为 7 6 ． 4 0 、 3 ． 3 8 、 3 ． 7 0 m。空气域的上边界距声屏障底部 1 0 m， 左右边界分 别距离列车中心线 1 0 m。计算区域采用四面体 非结 构 化 网格 ， 网格 的单 元数 约为 3 0万 个 。 收稿 日期 2 0 1 0 -01 - 1 8； 修回 日期 2 0 1 0 - 0 5 - 3 0 基金项 目 铁道部科技开发计划项 目 2 0 0 8 G 0 3 3 - A 。 作者简介 董宇 1 9 8 8 一 ， 男 ， 湖南张家界人 ， 硕 士研究生 。 z 轴正方向为列车运行方向 图 1 数值计算 中的坐标 系 在数值模型中， 声屏障是 固定不动的， 列车相对声 屏障运动 。这使得计算域的 网格需要进行 相应 的更 新 ， 以避免 奇 异 网格 的出 现 。在 F L U E N T中可采 用 动 网格实施网格的更新 ， 具体 可通过三种方式实 现 ① S mo o t h i n g Me t h o d s ， 这 个 方 法 用 来 确 定 网格 节 点 在 下 一 时间步时的位置 ， 节点并不增减 ， 相应的网格数量不 变 ， 但倾斜率将发生变化 ； ② D y n a mi c L a y e r i n g ， 这种方 法用于结构化网格 ， 通过判断网格层之间的距离 ， 确定 网格节点是否增减 ； ③ L o c a l R e m e s h i n g M e t h o d s ， 这种 方法通过判断网格最大 、 最小尺寸和最大网格倾斜率 ， 确定 网格 节点 是否 重 生成 ， 这种 方 法 只 适 用 于 四 面体 或 三 角形 网格 。F L U E N T对不 同 的方 法给 出了相 应 的 控制参数 ， 通过设定动区域 的参数 即可实现计算域的 变化。在模拟中以上三种控制参数都被采用。 2边界条件和计算方 法 2 ． 1 边界 条件 在声屏 障人 口处采用压力入 口边界条件 ， 人 口压 力为工作环境压力1 0 1 3 2 5 P a ； 在声屏障 出 口处 采用 压力出I 1 边界条件， 出口压力亦为工作环境压力； 左右 边界及顶部的压力为工作环境压力 ； 列车表面、 防撞墙 4 8 铁道建筑 表面、 声屏障表 面和底部边界均采用无滑移壁面条件。 由于马赫数小于 0 ． 3 ⋯ ， 空气可视为不可压缩气体 ， 其 密度 为 1 ． 2 2 5 k g ／ m’ ， 黏性 系数 为 1 ． 7 8 9 e - 0 5 k g ／ m s 。 2 ． 2 计算方法 在 F L U E N T 软 件 中 采 用 非 定 常 、 不 可 压 缩 的 R A N S方程和 k 湍 动能 。 湍动耗散率 二方程模 型 ， 对高速列车在声屏 障中部 的运行进行数值模拟 。 F L U E N T软件是基于有限体积法开发 的， 在本文 的模 拟中动量 、 能量 、 k和 方程中的对流项均采用一阶迎 风格式求解， 扩散项采用 中心差分格式求 解， 并采用 S I M P L E算法解算压力速度耦合 问题。列 车的运动速 度使 用 F L U E N T的 自定 义 函数 U D F定义 。 3数值模拟结果分析及验证 3 ． 1 声屏 障 内侧 的气 动力 基于以上的几何模型和网格计算得到 了声屏障内 侧的气动力分布情况。 列车车头与声屏障的相对位置如图 2 a 所示 ， 对 应位置的气动力云图如图 2 b 所示。 a 车头与声屏障相对位置 b 对应位置的气动力 图 2 车头附近声屏 障的局部气动力 列 车车尾 与声屏 障 的相对 位置 如 图 3 a 所 示 ， 对 应 位置 的气动 力云 图如 图 3 b 所示 。 a 车尾与声屏障相对位置 b 对应位置的气动力 图 3 车尾附近声屏障的局部气动力 由图 4可以看到， 声屏障内侧气动力具有 明显的 “ 首波” 和“ 尾波” 特征 ， “ 首波” 和“ 尾波” 分别发生在 车头和车尾附近。就绝对值而言， “ 首波” 的正压大于 负压 ， “ 尾波” 负压 略大于正压。在列 车的中部位 置， 声屏障上的气动力很小 ， 趋近于零。 、 R 出 1 l盎 ．1 0 0 ． 8 0 6 O ． 4 0 2 0 0 2 O 4 0 位 置， m 图 4 声屏障 内侧同一高度 H 0上的 X Y图 声屏障内侧不同高度直线上的压力峰值 由表 1 所 示 ， 声屏障内侧的压力峰值 的绝对值在声屏障底部 即 H 0 m处取得最大值 ， 沿声屏障越往上压力峰值的绝 对值越小。同一高度直线上 ， “ 首波” 比“ 尾波” 的正压 峰值大 ， 但“ 首波” 的负压峰值绝对值比“ 尾波” 的负压 峰 值绝对 值小 。 表 1 声屏障不 同高度直线上 的压 力峰值 P a 3 ． 2 声 屏 障外侧 的气 动力 的分布 由图 5 a 和图5 b 可以看到列车车头和车尾附 近声屏障外侧的气动力分布， 分别在车头和车尾附近 声屏障的外侧形成一个压力波。并且从图 5中可以看 到， 与声屏障内侧 的气动力分布情况不一样的是 ， 沿声 屏障外侧表面越往上其压力绝对值越大。 a 车头附近 b 车尾附近 图 5 声屏 障外侧气动力分 布 8 6 4 2 0 2 4 6 2 0 1 0年第 7期 铁路桥梁声屏障气动力初步分析 4 9 图 6为声屏 障外侧顶端直线 的气动力 X Y图， 由 图 6可以知道， 除了分别在车头和车尾 附近 的声屏障 上会产生两个压力波外 ， 在列车 中间区域的声屏障上 的压力值很小 ， 趋近于零 ， 这与声屏障内侧的分布基本 情况 相 同。 宝 幽 稻 ．1 O 0 - 8 0 - 6 0 ． 4 0 2 0 0 2 0 4 0 位置， m 图 6 声屏 障外侧 同一高度 H 2 ． 1 5 m上的 XY图 3 ． 3 实 测结 果 测 试 地 点 为 纽 伦 堡一 英 戈 斯 塔 特 ， 测 试 速 度 为 3 3 0 k m ／ h ， 声屏障高度为 3 m， 声屏障与轨道中心距离 为 4 m， 测试 列车 为短列 车 。 图7为声屏 障内侧高度 H 0直线上某点的脉动 风压时 程 图 ， 由此 图 可 看 到 ， 在 列 车 车 头 经 过 此 点 8 0 O 4 0 O 蛊 。 帽 鲞 -4 O O ．8 0 0 ／ { _ 一 - ．． ． ． 山 ’ 1 ， y I l I ● 4 ．0 4 ． 5 5 ． 0 5 5 时间／ s 图 7 声屏障内侧高度 H 0 m上某点脉动风压时程 时 产生一 个压 力波 ， 列 车 车 尾 经过 时又 产 生一 个 压 力 波 ， 脉动风压最大值为 6 7 3 P a ， 最小值为 一 6 0 2 P a 。 当列车在声屏障内直线匀速运行 时， 声屏 障上的 压力分布只是随列车的运 动而在声屏 障上移动 ， 其大 小和分布规律都不变 ， 所以当图 7的横坐标变成时间 乘以列车的运行速度后就成为声屏障 内侧高度 H 0 上从车头到车尾方向的压力分布图， 其纵坐标值不变， 此时 的 图形 和 图 4类 似 。通过 图 4和图 7的峰值 和 曲 线形状的比较发现数值模拟所得到的结果和测试结果 气动力的规律相 同， 气动力的极值有较小的差异 ， 但由 于本文所计算工况和测试工况 的声屏障高度、 离外轨 中心线的距离和速度均有一定差别 ， 所 以脉动风压值 的差别 也是合 理 的可 以接受 的 。 4 结 论 通过数值模拟得 到了声屏障气 动力分布规律， 数 值模拟结果得到实际测试结果的验证 ， 证实了本文中 声屏障气动力的模拟方法 的可行性 ， 该模拟方法为声 屏障的结构设计提供必要的气动力数据。 参 考 文 献 [ 1 ] 贺德馨 ． 风工程和工业空气动力学 [ M] ． 北京 国防工业 出 版社 ， 2 0 0 6 ． [ 2 ] 德 国 P E C s工程设计咨 询服务 有限公 司．客 运专线声 屏 障咨询报告 [ R ] ． 德 国 德 国 P E CS工程 设计 咨询服务有 限公 司 ， 2 0 0 7 ． [ 3 ] 梁习锋 ， 田红旗 ． 动力 车纵 向气 动力 风洞 实验及 数值模 拟 [ J ] ． 国防科 技大学学报 ， 2 0 0 3 ， 2 5 6 1 0 1 1 0 5 ． [ 4 ] 何连华 ， 赵鹏 飞． 武汉站高速列车过站列车风的数值 模拟研 究 [ J ] ． 铁道建筑 ， 2 0 0 8 8 1 0 8 - 1 1 1 ． 责任审编 王天威 福州 新地标 工 程鼓 山大桥 全线 通车 鼓山大桥位于福州市东区 ， 是福州 市第一座独塔 自锚式悬 索桥。大桥全长4 8 1 2 m， 按双 向 8车道布置 ； 南 引桥和 南接线 长3 0 5 0 m， 主路 为双向 6车道 ， 辅路 为双向 4车道 。根 据福州 近海和闽江流域 特点 ， 大桥主缆采用空间索缆体系 ， 2组主缆从 主塔顶斜跨 而下 ， 分布 于主塔上 下游两侧 。整座大桥 共设 1 0 2 根吊索 ， 其中主塔 北侧 上 、 下各布置 3 2根 ， 主塔南侧上 、 下各 布 置 l 9根 。大桥 主塔高 1 4 2 m， 为传统 的门式造型。 该桥创造 了九项全 国之最 国内最宽 的双 索面 自锚式悬 索 桥 ， 顶推施工 首次采 用 固定 吊架 原位提 升技术 ， 钢 箱梁 对接 首 次采用悬臂拼装技术 ， 顶推 悬臂跨 度和 重量第 一 ， 实现 主塔爬 架施工安全“ 零伤亡 ” ， 首次应用 千斤顶进 行支架 整体横 移 ， 首 次应用高空斜腿支架 ， 创 造现浇 箱梁 施工新 纪 录 ， 创 造闽江 大 直径超深钻孔桩质量工期新纪 录。 鼓 山大桥全桥与闽江南 、 北两 岸的 既有 路网紧密联 系。鼓 山大桥建成通车 ， 使 福州二环 、 三环路之 间实现快速通行 ， 并使 市区直通福州海峡国际会展 中心。大桥通 车翌 日， 第十二届海 峡两岸经贸交易会 海交会 在 福州海 峡 国际会 展 中心 隆重开 幕 ， 驱车从 台江 国货路 或鳌 峰路经 鼓 山大桥进 入会展 中心 ， 全 过程将不到 1 0分钟 ， 十分快捷 方便。鼓 山大桥 的建成通车 ， 对 合理 完善福州 城市布局 ， 推动海西建设发展起到 了重要作用。 摘 自 人 民铁道 8 6 4 2 0 2 4 6