速度400km_h高速铁路列车风作用的数值模拟研究.pdf
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1、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,
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
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