高速铁路封闭式声屏障的风压荷载试验研究

针对高速铁路封闭式声屏障在列车风与横风作用下的风压荷载问题,采用中南大学自主研发的横风-移动列车风洞试验系统,研究横风和列车风作用下声屏障的风压荷载分布.研究结果表明:圆形断面封闭式声屏障外壁风压系数分布沿环向先减小后增大,与单圆柱的风压分布大致相似,给定风速下最大负风压系数-3.38;单车通过声屏障时脉动风压幅值与车速平方近似成正比,同一截面风压沿环向非均匀分布,近侧的压力峰值高于远侧,最大相差16％;2车交会时,交会区域风压峰值明显增大且极值风压出现在交会截面,其值约为单车通过时极值风压的2倍.     

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

以可压缩黏性流体的N-S方程和k-ε双方程湍流模型为基础,考虑防撞墙对空压的影响,采用计算流体力学软件PHOENICS,对高速列车行驶时作用在有防撞墙铁路桥梁声屏障和箱梁翼缘板上的脉动力分布进行数值分析.结果表明,列车车头驶入声屏障、经过声屏障中部区域和驶出声屏障时,声屏障各处脉动力时程曲线形式不同,脉动力沿声屏障高度的分布为先增大后减小,约在1/2声屏障高度处达到最大值;桥梁翼缘板上的脉动力峰值沿横桥向基本呈线性增大至防撞墙处;声屏障和桥梁翼缘板上的脉动力峰值与列车速度的平方呈线性关系.根据分析结果给出了脉动力峰值计算公式以及考虑脉动力的结构设计组合荷载.     

350～400km·h~(-1)高速列车作用于声屏障的脉动风荷载特性研究

针对350~400km·h~(-1)高速列车作用于声屏障的脉动风荷载问题,基于三维非稳态的k-ε两方程紊流模型,采用移动网格的数值仿真计算多种车速、多种屏轨距条件下列车通过声屏障区域的动态风场过程,得出声屏障各部位的脉动风荷载时程曲线等各类结果数据及多种参数的影响规律,并与实测资料进行对比分析。结果表明:300~400km·h~(-1)列车脉动风荷载随列车速度的增加而加速增大,与声屏障至线路中心距离呈现近双曲线性反比关系,风压值分布沿声屏障高度呈现底部大、顶部小的规律;理论计算风压值及其与实测列车脉动风荷载时程曲线形状、参数影响规律等均相符较好,部分计算风压量值略大于实测值,原因在于计算中列车及声屏障模型光滑表面的模拟方法忽略了实际粗糙表面的风阻等因素。在仿真与实测的基础上,提出380~400km·h~(-1)高速列车脉动风荷载的最大风压取值建议及广义振动频率范围1.96~4.79Hz等动力设计建议。     

380km/h高速列车脉动风荷载仿真分析

针对高速铁路声屏障的高速列车脉动风荷载问题,介绍既有研究资料,并进行高速列车以350km/h,380 km/h的速度通行声屏障区域的CFD计算分析.结果表明,350 km/h速度下最大风压力为1 474 Pa,380 km/h速度下最大风压力为1 707 Pa.声屏障底部承受的风荷载最大,并沿高度向上先缓慢减小至声屏障一半高度后较快减小.沿纵向,声屏障的脉动风压在列车入口处最小,沿着列车前进方向50 m处迅速增大,后稍减小并在100 ～400 m处保持平稳.     

地铁中间风井前变速运行对乘客舒适性影响

地铁高速通过隧道中间风井,列车车体内外都会产生较强的压力波动,严重时会影响司乘人员舒适性.采用数值计算方法对地铁列车变速通过中间风井的气动效应进行数值模拟,研究不同参数对车体表面压力分布规律,并以车内压力变化率和3 s内压力变化评价标准评估车内乘客舒适性.研究结果表明:距离中间风井100 m处变速车体表面测点压力峰峰值均大于变速位置为200 m和300 m时对应的测点压力峰峰值,分别大4.68％和6.46％.将车速120 km/h降为100 km/h,变速位置为300 m时分别比变速位置为100 m和200 m时车内压力变化少10.72％和5.07％.列车在中间风井前200 m以上减速至100 km/h以下,能明显缓解通过风井时车内压力变化,满足车内乘员舒适性要求.     

高速列车风对附近人体的气动作用影响

采用计算流体力学的数值方法和移动网格模拟计算方法,研究3种车头形状、从200 km.h-1到350 km.h-1的4种车速、从1.0 m到3.5 m的5种人车距离条件下列车风对人体气动作用力和人体附近列车风速度大小的影响,提出列车风对人体最大水平作用力计算关系式和人体附近最大列车风速计算关系式、以及高速列车附近人体安全距离的建议值。计算结果表明:列车风对附近人体产生的作用力因车头(尾)形状不同而差别很大,车头形状越钝,列车风对附近人体产生的作用力越大,完全钝型与充分流线型车头相比,在车速350km.h-1、人车距离1 m时列车风产生的作用力可相差7倍以上;不同车头形状产生的列车风对附近人体的作用力,其差别随人车距离的增大而减小,大致呈二次方函数规律变化;不同条件下车头(尾)通过时列车风对附近人体的水平作用力方向的变化趋势基本相同,作用力方向角变化约300°。     

武广铁路客运专线列车脉动力对声屏障的影响研究

脉动力是声屏障动力设计的控制因素,只有确定了客运专线脉动力大小才能开展下一步的声屏障结构设计。采用可压缩三维流动模型,利用大型通用流体计算软件Fluent对列车高速通过时产生的脉动力进行模拟计算,对脉动力的作用特点、脉动力对声屏障结构的影响进行研究分析,结论为:列车引起的最大正负压力差达1 500 Pa,将对声屏障和地基连接部件产生重大影响,线间距对声屏障压力有重要影响,车型对声屏障压力影响不大。     

我国高速铁路声屏障气动效应研究与探索

针对高速铁路声屏障的安全可靠性，从气动效应角度阐述其研究现状、研究成果及存在的挑战，并基于我国高速铁路声屏障应用场景，探讨列车脉动力的主要影响因素和声屏障结构的振动特性，结合技术标准中与气动效应相关的要求和规定，提出完善标准体系的相关建议，并对未来的重点研究方向进行展望。结果表明：列车脉动力受列车运行速度、列车车型及声屏障设置位置等因素的共同影响，列车脉动力与运行速度的平方基本服从线性关系；声屏障气动效应还与车头流线型、车体截面形状等列车气动性能参数相关，相同速度条件下不同车型的脉动力差异可达45%；在列车脉动力作用下，声屏障钢立柱以横向振动为主，呈现典型受弯构件的特征，而单元板以整体往复横向运动为主，振幅受安装状态的影响显著，声屏障动力性能评估重点为结构的低频振动；未来可结合声屏障结构振动特征和服役性能变化情况，深化声屏障气动荷载产生机理和动力分析方法的研究，探索声屏障服役性能演变机理和规律，完善声屏障结构安全性能检测评估体系，发展快速高效检测技术。     

高速铁路减载式声屏障气动载荷特性的试验研究

减载式声屏障气动载荷特性研究是提高减载式声屏障结构可靠性的前提,具有重要的理论意义和工程价值。分别从车速、上下行、车型影响三个方面,对桥梁段和路基段减载式声屏障的气动载荷特性进行试验研究。结果表明,对桥梁段而言,减载式声屏障正应力幅值约是负应力幅值的两倍;列车距离声屏障越近,声屏障受到的气动载荷对车速的影响越敏感;在同一车速下,CRH380A型动车组作用于声屏障上的气动载荷高于CRH380AM型动车组的作用;车型对声屏障的气动载荷作用受车速的影响不大。对路基段而言,在同一车速下,列车经过路基段时声屏障的应力幅值比桥梁段要大;随着车速增加,正应力幅值的增大幅度远小于负应力幅值的增大幅度;减载式声屏障的上下行特性与声屏障高度相关;声屏障受到的气动载荷随车速的变化关系与列车和声屏障的距离关系较小。当车速低于320 km/h时,路基段减载式声屏障应力峰谷值之差随车速增加而增大的趋势较为缓慢。     

高速铁路840 m全封闭声屏障气压荷载数值模拟研究

采用我国干线铁路开行的复兴号动车组,基于计算流体力学软件Fluent,对高速列车以350 km·h^-1速度通过840 m全封闭声屏障及1/2跨和1/4跨会车工况下声屏障的气压荷载分布规律进行数值模拟。结果表明:会车工况下的压力极值均大于单车工况下,且变化规律更为复杂,声屏障中间位置即1/2跨会车时的压力极值达到最大值,最大正压和负压分别为2 672和4 619 Pa,分别为单车工况下的2.05倍和1.87倍;同一截面各测点的气压荷载波动规律相似,但压力极值存在明显差异;单车工况下,声屏障同一截面上不同测点处的极值压差达到0.6 kPa,体现了压力波传递的三维效应。通过数值模拟获得的全封闭声屏障压力极值和气压荷载分布规律,为声屏障结构设计提供理论依据。     

高速列车通过短隧道群空气动力学效应分析

针对高速列车通过短隧道群所引起的空气动力学效应问题,利用计算流体力学软件Fluent进行了仿真分析。对列车以不同时速通过不同间距的短隧道群时车体表面及隧道中断面的受力情况进行了研究。结果表明:列车通过短隧道群时车体表面最大负压比通过单隧道时大131%,出现在隧道间距与列车长度相当时;随着速度的增大,车体表面的压力变化幅值增大,且车体表面的压力幅值近似与列车运行速度的平方成正比;列车通过短隧道群第1座隧道时隧道中断面压力变化幅值与通过单隧道时接近,通过第2座及第3座隧道时隧道中断面的压力幅值比通过单隧道时增大,且在隧道间距25~100 m时压力幅值随隧道间距增加而增大。     

高速铁路桥梁声屏障插入损失五声源预测模式研究

研究一种高速铁路桥梁声屏障插入损失的五声源预测模式,可应用于时速300 km以上高速铁路声屏障声学设计。对高速铁路噪声源进行现场辨识测试,分析其声源特性,将高速铁路噪声源简化为轮轨区、车体下部、车体上部、集电系统、桥梁结构5个等效噪声源。根据单声源模式的声屏障插入损失预测公式,结合不同车速下声源等效频率和噪声贡献量,同时考虑桥梁翼板对声传播的影响,形成五声源模式的声屏障插入损失预测公式。采用该方法计算2.15 m声屏障插入损失并与现场测试数据对比,结果显示距离线路25~50 m处受声点插入损失预测结果与实测结果吻合度最高。     

市域铁路声屏障设置研究

市域铁路噪声影响突出,需要采取有效的噪声防治措施,声屏障作为主动控制措施,一直被广泛采用。基于市域铁路的特点和运行速度,结合市域铁路成灌线测试数据的分析,从声源特性、声屏障设置原则及声学设计、结构形式等方面对市域铁路声屏障设置开展研究。指出:(1)市域铁路声源主要为轮轨噪声,噪声频谱呈宽频特性,桥梁、路堤区段在低频段和中高频段声能量均较为集中,桥梁二次结构噪声影响不能忽视,声屏障的设置应与桥梁结构减振降噪协同开展。(2)市域铁路声屏障声学设计时,评价时间内不能简单地将铁路噪声源视为无限长线声源,建议直立式声屏障附加长度取值为50~70m。(3)市域铁路列车脉动风压对声屏障结构选型影响较小,应加快对直立式声屏障顶部变化型、顶端降噪器的研制。     

车头长度对高速列车气动特性与声场特性影响的数值分析及降噪研究

在高速列车车身长度保持一定的情况下,不同长度的车头会对列车整体的气动特性(阻力、升力)、列车表面噪声源分布变化、远声场特性(A计权声压级、脉动声压、声场频率等)造成不同的变化。进行三维建模之后,宽频噪声模型采用RNG k-epsilon模型做定常计算,FW-H声学模型采用大涡模拟(LES)模型进行瞬态计算,对时速为350km·h-1,5~13m不同长度车头的高速列车简化模型进行数值模拟,分析气动特性和声场特性。结果表明:高速列车的整车阻力随车头长度增加先呈现减小趋势,当车头长度达到13m时整车阻力开始增大;高速列车远场声压级随车头长度的增加呈现增加态势。综合阻力与远场声压级随车头长度的非线性变化规律,在高速铁路简化模型下最佳车头长度为9m,可保证在减小行车阻力同时控制噪声对环境的污染。研究结论可为高速列车的减阻降噪提供参考。     

隧道内高速列车交会时车体两侧压差波动特性数值模拟研究

列车交会时车体两侧压差影响列车运行稳定性、可靠性和舒适度。基于三维、非定常、可压缩流动的雷诺平均N-S方程和SSTk-ω两方程湍流流动模型,采用重叠网格技术,模拟高速列车在隧道中央等速交会,研究了速度(250km/h、350km/h和400km/h)、线间距(4.6m、4.8m和5.0m)对车体两侧压差波动特性的影响。研究结果表明:车体两侧压差时间历程曲线形状相似于明线交会压力波时间历程曲线形状,在通过列车的车头和车尾经过测点时,压差值分别产生先正后负和先负后正的脉冲波,而且车尾通过时产生的压差明显比车头经过时低;车体两侧最大正压差值、最大负差值以及压差幅值均与速度平方成正比,400km/h下压差最值平均比350km/h大26%,350km/h下压差最值平均比250km/h大92%;车体两侧最大正压差值、最大负差值以及压差幅值均与线间距成负指数关系,压差最值随着线间距变化的增长百分比基本在9%左右。     

基于压缩波理论隧道内动车组表面压力极值研究

采用计算流体力学软件FLUENT,在建立3种型号动车组通过隧道和隧道内交会时的空气动力学模型并验证的基础上,分析动车组以不同速度等级在不同净空面积隧道内通过和等速交会时车体表面压力极值;在仿真计算基础上,基于压缩波理论计算公式,给出动车组隧道内通过和等速交会时车体表面压力极值的修正因子。结果表明:仿真计算结果与实车试验结果吻合较好,空气动力学模型能够较准确地反映动车组隧道内通过和等速交会时的压力波变化规律;3种型号动车组隧道内通过和等速交会时,车体表面压力极值均与隧道净空面积成幂指数关系(幂指数约为-1),与车速的平方成正比;动车组隧道内通过和等速交会时,车体表面压力极值的修正因子分别取2.24和5.79。     

列车通过隧道时流场的二维数值模拟分析

利用计算流体动力学软件 Star-CD,建立了列车通过隧道时的二维动网格模型,模拟在不同车速下,隧道内活塞风和压力场的动态变化规律,并比较不同外形和运行速度时列车所受到的空气阻力.模拟结果表明:列车通过隧道时的运行速度越大,产生的活塞风风速越大,相对压力越大,列车所受的空气阻力越大;列车通过隧道内某一测量点时,活塞风风速会发生突降,活塞风最大风速在列车尾流中形成;车头到达隧道入口时,最大压力突增,并很快达到最大值,随后逐渐减小;车尾到达隧道入口时,车尾最小压力突降;车身在隧道内时,车尾的最小压力波动较小;流线形列车所受的空气阻力约为钝形列车的0.5~0.7倍.     

大跨度公轨两用钢桁梁斜拉桥车桥耦合效应及影响参数研究

"抱轨"行驶是跨座式单轨交通的一个显著特点.针对单轨列车与双层桥面钢桁梁斜拉桥的车桥耦合动力性能,以主跨468 m牛田洋大桥为工程背景,基于ANSYS及SIMPACK等软件建立车桥空间耦合动力模型开展联合仿真,研究不同行车速度、不同列车特性下的车、桥动力响应,并对行车安全性等进行了评估.研究结果表明:列车在通过桥梁时的竖向动力效应较弱,位移冲击系数约在1.1以内,且桥梁竖、横向位移响应均与车速无显著联系;竖向位移随过桥车辆数目的增加而增大,横向位移在单线行车时明显大于双线对开工况;桥梁与车体振动加速度均随车速递增,且车体横向振动程度大于竖向;跨座式单轨列车在列车正常行驶速度100 km/h以内通过该大跨度斜拉桥时,桥梁的动力性能优良,桥上列车具备良好的乘坐舒适性.     

列车气动性能评估参数研究

列车外形对列车气动性能起决定性作用。以往常采用长度法定义的长细比(长度长细比)来评估不同头部外形气动性能,这种方法在车身横截面积相同的情况下,致使长度相同外形不同的流线型车头具有相同的长细比而无法进行比较。针对这一情况,对不同外形系列的流线型列车开展了风洞实验研究,在此基础上提出了一组新的列车气动性能评估参数-整体长细比和宽细比。整体长细比考虑了车头流线型部分水平面投影形状(水平长细比)和纵向对称面投影形状(纵向长细比)对空气阻力的影响,宽细比则综合了长度长细比和车头流线型部分水平面投影形状对列车交会压力波的影响。研究结果表明该组评估参数能较好地反映出端车流线型外形对列车气动阻力和交会空气压力波幅值的影响。     

高速铁路声屏障动力特性研究

以高速铁路声屏障为研究对象,介绍作用于声屏障的高速列车脉动风荷载的特性.分别建立单块混凝土声屏障及金属立柱声屏障的实体有限元模型,并建立用于时程响应分析的20 m长板壳有限元模型.实体、板壳声屏障模型的自振特性分析结果表明,两者的基频结果相符较好,基频均在9.0 Hz以上,远离高速列车的2.0～4.0 Hz的脉动频率.两者模型差异导致2阶以上的自振频率存在一定差异.高3.05 m整体式混凝土声屏障的列车脉动风荷载的时程响应分析表明,声屏障的侧向最大位移与最大应力均较小.除透明板振动稍大外,结构动力性能良好,无共振现象.