速度400km_h高速铁路列车风作用的数值模拟研究.pdf

书 书 书 铁道技术标准第卷 第期 收稿日期：；修回日期：基金项目：国家自然科学基金（）速度 高速铁路列车风作用的数值模拟研究向活跃，庞鹏飞，胡浩，李永乐，（西南交通大学复杂艰险山区铁路防灾减灾铁路行业重点实验室，四川成都；风工程四川省重点实验室，四川成都）作者简介：向活跃，年月生，副教授，博士，电子邮箱：。主要从事研究方向：主要从事大跨桥梁风工程及车桥耦合振动研究。摘要：为研究速度 高速铁路列车风的荷载取值，基于动网格和滑移网格组合的方法，对高速铁路列车风效应进行三维数值模拟，分析列车周围不同距离、高度处的压力分布规律，考查不同车速下线周声屏障的气动力变化规律。结果表明，测点距列车距离越远，列车风压力越小，同一测点的列车风压力与车速平方成正比，线周声屏障的列车风压力也有类似的规律。对于速度 高速铁路列车风的荷载，可在现行规范中 列车风的荷载基础上，增大后作为设计值。关键词：列车风；高速铁路；数值模拟；声屏障文章编号：（）中图分类号：文献标识码：，（，；，）向活跃等：速度 高速铁路列车风作用的数值模拟研究 ：，：，：；：（）：引言 铁路桥涵设计规范（）中各项指标和参数适用于设计速度为 及以下的高速铁路（以下简称“高铁”）。然而，随着高铁的不断发展，列车的运营速度朝着 级发展。当运营车速提升至 时，列车的空气动力学效应将更加突出，列车风对线周结构的影响将更加明显。因此，研究 高铁的列车风作用尤为必要。列车风作用可采用现场实测、动模型试验及数值仿真种方法进行研究。现场实测方面，等通过现场测量和数值模拟分析了列车风荷载下的声屏障动态响应，并解释了列车风压脉冲激励与声屏障固有频率之间的共振效应。郑修凯通过实测得到跨线天桥表面的风压，并对其进行分解、重构以得到列车风荷载的气动特性。邹云峰等实地采集型列车组行驶过程中风屏障所受风荷载数据，并对风压特性进行多分辨率分析，研究了不同频段的能量分布及对风屏障影响起控制作用的区域。等对列车通过直立式声屏障时在声屏障上产生的风荷载进行了现场实测，并针对种不同列车产生的风荷载进行对比。等在现场测量的基础上，研究动车组在 高桥梁声屏障上引起的压力变化，并分析列车速度、测点位置、列车编组长度和环境风速对风荷载的影响。等针对不同运行速度型动车组对风屏障（高度，孔隙率）产生的风荷载进行现场实测，并采用多分辨率分析识别不同频段的压力分布。综上，已有研究主要针对动车组产生的风荷载特性及对屏障的影响展开研究。动模型试验方面，叶彩娟分析动车组单车及交会时在半封闭防风走廊结构上产生的气动力特性。毛军等分析不同车速、不同车型驶过腔室耗能型风屏障时在风屏障不同位置产生的风荷载大小及其规律。欧双美等在研究列车对全封闭声屏障产生的风压荷载的同时详细分析风压变化趋势与气压波传播规律。数值模拟研究方面，针对列车周围流场特征，等通过求解稳定的三维方程，对通过简化高速列车几何结构的气流进行了数值模拟，研究偏航角下流场结构的相关性。陈向东等基于方法分析不同车速、不同声屏障高度下声屏障受到由列车风产生的脉动力时程变化特性。龙丽平等基于软件对京津高速客运专线列车经过声屏障时所引起的空气脉动压力进行数值模拟，得到声屏障各部位所受到的脉动压力曲线及分铁道技术标准布规律。等采用滑动网格技术对列车与桥梁结构进行数值模拟，分析列车行驶中桥梁结构表面压力波动特性及不同频段的压力分布。张继文等通过软件分析列车行驶时防撞墙铁路桥梁声屏障和箱梁翼缘板受到的风荷载的分布情况及与列车速度的关系。邓跞等等通过计算分析高铁列车以、的速度通行声屏障区域时的脉动风荷载特性。施洲等基于三维非稳态的稳流模型，分析不同屏轨距及不同列车行驶车速下声屏障的流场动态过程与各部位所受脉动风荷载时程曲线。吉晓宇等采用滑移网格技术研究高速列车通过顶部不同开口间距声屏障时的瞬态风压。刘翰林等基于大涡模拟对 缩尺比下的三车编组列车进行数值仿真，研究 车速下列车的流场特征。已有数值模拟主要针对列车以规范内车速行驶时产生的风作用进行研究。对于列车风效应，国内外学者取得大量有益的结果，但对速度 高铁列车风效应的研究仍较为少见。本文采用数值模拟方法，研究 及 下列车周围不同位置受到的压力及其分布情况，讨论不同车速对声屏障侧向压力的影响，并给出了速度 高铁列车风作用的建议值。数值模拟 数值模型以列车模型为研究对象，针对单线行驶情况，建立三维数值模型，其中列车宽，高，三车编组，列车模型长。虽然的车头外形与实际 级高速列车外形有所差异，得到的列车风效应的数值也有所差异，但列车风效应随距离、车速等的变化规律应是相似的。为模拟车辆与地面、声屏障等之间的相对运动，采用动网格和滑移网格的方法模拟列车与地面的相对运动。计算区域由两部分组成：静止区域和运动区域，静动区域由连接。对于模型两端边界处滑移网格外伸和收缩的部分，采用动网格方法进行拉伸和裁剪。模型缩尺比取为，计算区域宽度取，高度取，长度取，列车位于计算区域底部的中心，为方便网格的生成，计算模型中忽略了列车底部的轮对及钢轨，计算区域及边界条件见图。图计算区域及边界条件（单位：）图中：为原点；为车头鼻尖与测点平面间距，。为保证有无声屏障时网格的一致性，在声屏障位置设置边界条件，该声屏障距轨道中心线距离 ，高度为。当不考虑声屏障时，设为内部边界，当考虑声屏障作用时，设为壁面边界条件。列车表面采用壁面边界条件，顶部和侧面采用对称边界条件，两端采用压力出口边界。湍流模型采用，并采用算法求解压力速度耦合方程，相关差分格式均采用二阶精度，时间步长取 。所有网格均采用六面体网格。其中，内部运动区域网格万，外围静止区域网格万。列车局部网格见图。图列车局部网格向活跃等：速度 高速铁路列车风作用的数值模拟研究 测点布置为研究高速列车通过时周围的压力分布，在距列车鼻尖 处横向设置个监测点，横向和竖向间隔均为 。监测点分布平面见图。监测声屏障所受静压时，由于声屏障通长设置，只分析一段声屏障不同高度处的压力分布。为全面反应声屏障气动力，从声屏障底部至轨面以上 处设个监测点。图监测点分布平面（单位：）图中：为监测点距离列车中心距离，；为监测点高度，。列车周围压力列车风所引起的荷载主要作用于线周结构。研究列车风的分布荷载过程中，若考虑线周结构的影响，则需要多个模型进行分析，影响计算效率。因此本节仅讨论列车风的传播规律。车速的影响为研究车速的影响，针对无风屏障情况，分析车速为、时列车周围压力分布，得到其中一个测点的压力曲线，见图。图中，黑色虚线表示车头鼻尖与测点平面在同一平面，红色虚线表示列车纵向中心与监测点平面在同一平面，蓝色虚线表示列车尾鼻尖与监测点平面在同一平面。由图可知，当列车以 车速行驶时，由于车头与车尾经过测点截面时，车头对气流的挤压作用和尾车对气流的拖拽作用，使得测点压力在头车及尾车通过时产生明显的突变。列车未到达前，起始压力值趋于，在列车接近监测点截面但未到达时列车挤压气流，周围压力逐渐增加。当气流在列车周围形成的强剪切层通过测点后，测点位置的压力由正转负。对于中间车部分，其周围气体不会发生明显的体积变化，一定程度上处于稳定状态，故测点处所受压力较小。而尾车驶出测点前的压力变化与头车相反，由负值转为正值，随着气流逐渐平稳，测点处气压逐渐接近值。图监测点压力曲线图中：、为头车通过测点时的正负压力峰值，；、为尾车通过测点时的正、负压力峰值，；为中间车通过测点时的压力峰值，。进一步分析测点压力随车速的变化规律，当车速由 增加至 时，部分监测点压力曲线各峰值的比例关系见表。由表可知，各监测点所受的正、负压力峰值均增加，该数值与车速的平方比（）十分接近。这与已有研究结果类似，即列车风压力与车速的平方成正比关系。表不同车速下部分监测点压力峰值比值表测点 铁路桥涵设计规范（）给出了不同行车速度情况下列车引起的水平气动力，水平气动力随着车速的增加而增加。将规范中已有数据通过二次多项式进行拟合，可得到车速为 时列车风的荷载取值预测值。以不同车速下荷载作用线与线路中心距离为 时为例进行说明，见图。图中为荷载作用线与线路中心距离为 铁道技术标准图不同车速下距离线路中心 水平气动力时水平气动力，。由图可知，采用二次多项式曲线拟合方式预测的 车速下列车周围水平气动力与 车速时的比值与表相近。水平距离的影响为研究列车风作用在水平方向的分布情况，针对图中第一个峰值进行分析。当车速一定时，随测点距列车中心线距离的增加，列车风压力满足一定的变化规律，拟合关系为()（）式中：为列车行驶过程中周围监测点所受压力，；为测点距列车水平距离或距轨面高度，；为列车宽的一半，取 ；、均为参数。同一高度处监测点的值随测点距列车水平距离的影响见图。图水平距离对值的影响由图可知，按式（）进行非线性拟合的精度高，拟合的相关系数，表明本文数值模拟结果与其它研究的规律相似，间接证明数值模拟结果的准确性。测点距列车水平距离越大，列车风的影响越小，不同高度下的测点均有类似的规律。且测点与列车中线距离较小时压力变化越快，当测点距列车中线水平距离大于 时，测点的值均降低到 以下。竖向高度的影响为研究列车风产生的荷载在高度方向的分布规律，按式（）拟合不同高度监测点的值，结果见图。图 不同高度监测点值拟合从图可知，式（）的拟合精度较高。随着高度的增加，测点处的压力是衰减的，这与水平方向的变化规律类似，但测点越靠近列车，随高度的增加，压力衰减越快。当测点远离列车后，压力随高度方向的衰减速度减缓。这是由于测点靠近列车时，测点距列车的实际距离随高度增加较快，而测点较远时，实际距离变化将随高度增加而变缓。总体而言，测点位置由列车风作用引起的压力大小与测点距列车的水平距离和高度合成后的实际距离相关。声屏障周围压力为进一步研究列车风作用于线周结构时的荷载，针对线周设置声屏障时，分析车速为、时声屏障表面的压力分布。声屏障表面的压力曲线与图一致，列车通过测点时也存在“正负负正”交替的压力峰值。不同车速下部分监测点压力峰值比值见表。数据结果与表中比值对应，两种车速下声屏障受到的侧向力比值向活跃等：速度 高速铁路列车风作用的数值模拟研究与列车在周围产生压力的比值一致，即列车风作用下线周声屏障的表面的压力也与车速的平方成正比。对于其它线周结构，如站台、风屏障等也应有类似的规律。表不同车速下部分监测点压力峰值比值测点 进一步针对不同车速条件下，声屏障表面压力时程曲线的第一个压力峰值进行分析（），并按式（）中对两种车速下不同高度处的声屏障压力进行拟合，值受高度影响见图。图 值受高度影响由图可知，随着测点距轨面高度的不断增加，由列车风作用导致的声屏障上监测点所受压力逐渐降低。同时，式（）总体上可反映声屏障表面压力沿高度方向的变化规律。综上，高铁列车风的荷载及作用于线周结构的风压与车速的平方成正比，测点的风压主要与测点距列车的距离有关。对于速度 高铁列车风所引起的荷载，可考虑在现有规范基础上，将速度 的列车风所引起的荷载按 的比例放大，即按车速比的平方放大进行取值。总结本文采用方法，分析了车速为、时列车周围压力的分布，考查了声屏障不同高度的压力分布及随车速的变化，得出如下结论：（）高速列车驶过测点时，不同测点处压力时程曲线的变化规律基本相同，线周声屏障的表面压力也有类似的变化规律，监测点距列车距离越远测点处风压越小。（）当车速由 提高到 时，高铁列车风所引起的荷载可在现有规范基础上，将速度 的列车风所引起的荷载按 的比例放大进行取值。参考文献：，：郑修凯铁路邻近结构高速列车风致效应研究北京：北京交通大学，邹云峰，何旭辉，周佳，等基于实测数据的列车风作用下风屏障风荷载多分辨率分析中南大学学报（自然科学版），（）：，：，：，：，（）：叶彩娟高速铁路半封闭防风走廊结构动模型试验研究铁道建筑，（）：毛军，柳润东，郗艳红，等高速铁路腔室耗能型风铁道技术标准屏障气动冲击力的动模型试验研究机械工程学报，（）：欧双美，邹云峰，黄永明，等基于动模型的列车风作用下全封闭声屏障风荷载研究 铁道科学与工程学报，（）：，：，（）：陈向东，李树德，王召祜基于的高速列车声屏障脉动力数值模拟研究 铁道学报，（）：龙丽平，赵丽滨，刘立东列车致声屏障结构的空气脉动力研究 工程力学，（）：，：张继文，吕坚品，涂永明，等考虑防撞墙影响的高速铁路桥梁声屏障及翼缘板上脉动力数值分析中国铁道科学，（）：邓跞，施洲，勾红叶 高速列车脉动风荷载仿真分析铁道建筑，（）：施洲，杨仕力，蒲黔辉，等 高速列车作用于声屏障的脉动风荷载特性研究 中国铁道科学，（）：吉晓宇，邹云峰，何旭辉，等声屏障顶部开口间距对列车风效应的影响 中南大学学报（自然科学版），（）：刘翰林，杨志刚，吴雨薇，等 高速列车气动声学性能的仿真研究 铁道科学与工程学报（）：？向活跃高速铁路风屏障防风效果及其自身风荷载研究成都：西南交通大学，责任编辑：张航