流體力學(xué)課程設(shè)計

1、.高速鐵路聲屏障空氣動力學(xué)效應(yīng)研究一、研究背景隨著我國高速鐵路的迅速發(fā)展，列車運行速度不斷提高。高速列車除了給人們的出行帶來便捷的同時，列車高速行駛的安全性、平穩(wěn)性及其對周邊居民生活環(huán)境的影響也日益成為人們關(guān)注的焦點。例如，鐵路噪聲污染已經(jīng)嚴(yán)重影響到周邊居民的正常生活。聲屏障是高速鐵路的重要組成部分，對降低鐵路噪聲、保護(hù)居民生活環(huán)境、保證列車高速行駛安全具有重要的作用。聲屏障是指在聲源和接收者之間，用于阻擋聲波傳播，從而減弱接收者所在的一定區(qū)域內(nèi)的噪聲影響的設(shè)施。高速鐵路的聲屏障如圖1所示。(a)(b)(c)(d)圖1 高速鐵路聲屏障高速鐵路聲屏障的結(jié)構(gòu)形式對降噪效果有著直接的影響，目前已經(jīng)研

2、究的結(jié)構(gòu)形式有直立型、倒L型、內(nèi)傾型、圓弧型、T字型、和人字型等，如圖2所示。高速鐵路聲屏障按材質(zhì)又可以分為：金屬聲屏障、混凝土聲屏障、PC聲屏障、玻璃鋼聲屏障等。高速鐵路聲屏障的設(shè)計除了要考慮高度、沿線景觀、線路信號、列車司機視線及列車乘客視野問題外，還應(yīng)考慮聲屏障的施工安裝、維護(hù)和更換以及經(jīng)濟(jì)性因素等。圖2 聲屏障各種截面形式高速鐵路聲屏障的結(jié)構(gòu)一般較高，部分采用上部透明結(jié)構(gòu)。在高速鐵路聲屏障實際應(yīng)用中，最為廣泛的是金屬立柱插板式聲屏障，金屬立柱通常為H型鋼，插板為金屬鋁包板、混凝土板、加勁纖維板以及一些有機材料的透明隔聲板等。 列車高速行駛時，會對周圍空氣產(chǎn)生擾動進(jìn)而在高速鐵路兩側(cè)的聲屏

3、障上產(chǎn)生很大的脈動壓力氣動載荷，在氣動載荷的長期作用下，會導(dǎo)致聲屏障結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重?fù)p毀，甚至?xí)Ω咚倭熊嚨倪\行帶來極大的安全隱患。因此障降噪性能的同時降低作用于聲屏障上的氣動載荷，對于保障高速鐵路的安全運行具有非常重要的意義。二、研究現(xiàn)狀在歐日等國家以高速鐵路聲屏障解決沿線噪聲問題較為廣泛。日、德、法等國在上個世紀(jì)就開始了聲屏障的理論研究，但主要集中在降噪方面以及聲屏障頂部結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面，而在整體結(jié)構(gòu)以及其振動等方面研究相對較少，也曾導(dǎo)致200年歐洲一些高鐵線路全線聲屏障的拆除。而在其空氣動力學(xué)特性的研究上則廣泛通過聲屏障結(jié)構(gòu)氣動力測試的方式通過測量找出作用于結(jié)構(gòu)上的載荷, 研究并定義一個結(jié)構(gòu)計算

4、模型, 通過對設(shè)計聲屏障或采用其他材料、新部件等做成的聲屏障進(jìn)行動力分析和模擬，即能夠?qū)ζ湫阅茏龀隹煽康念A(yù)測。關(guān)于聲屏障結(jié)構(gòu)氣動力指標(biāo)則采用風(fēng)壓、位移、固有頻率等參數(shù)。在國內(nèi)的聲屏障結(jié)構(gòu)受力研究中，主要集中在聲屏障與橋梁連接等結(jié)構(gòu)安全性及聲屏障在列車脈動荷載下動力特性分析這兩個方面。而聲屏障結(jié)構(gòu)形式上的設(shè)計方案更是多種多樣。其中經(jīng)過大量實驗研究及理論分析其空氣動力學(xué)效應(yīng)所得的兩種類型聲屏障備受關(guān)注，即整體混凝土聲屏障和金屬立柱插板式聲屏障。盡管已有不少研究成果，但國內(nèi)相關(guān)聲屏障的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于工程實踐，深入系統(tǒng)的理論研究不足。在聲屏障設(shè)計的理論中仍以靜態(tài)的受力思維進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，在動力設(shè)計方面的

5、理論研究尚不足；在具體設(shè)計中，尚無完善的規(guī)范等依據(jù)。三、物理建模 整體式聲屏障結(jié)構(gòu)尺寸如圖 3所示，在聲屏障底部豎墻處預(yù)出鋼筋，與橋梁箱梁翼緣采用混凝土后澆連接，在計算模型中不考慮新老混凝土的界面粘結(jié)。 圖3 截面形式加載面圖(單位:長度為 mm;標(biāo)高為 m)四、列車脈動風(fēng)荷載的CFD仿真分析1、物理關(guān)系列車高速行駛中車體擠壓車頭前方空氣而產(chǎn)生脈動風(fēng)壓力，并作用在沿線的聲屏障等結(jié)構(gòu)上?？赏ㄟ^計算流體力學(xué)的方法來模擬列車高速運行導(dǎo)致的脈動風(fēng)荷載作用，即CFD計算。在高速列車及聲屏障的脈動風(fēng)荷載CFD仿真分析中，將空氣視為理想氣體，采用粘性流體計算，求解納維斯托克斯 （NavierStokes）方

6、程（以下簡稱為 NS 方程），得到流場的數(shù)值解。N-S 方程包括質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程，分別見式(1)式(3)。脈動風(fēng)荷載CFD分析采用大型流體數(shù)值模擬軟件Fluent進(jìn)行。計算中采用動態(tài)網(wǎng)格法模擬列車進(jìn)入并離開聲屏障區(qū)域的全過程。其中空氣介質(zhì)取粘性、可壓縮理想氣體，紊流方程采用k-模型，采用耦合式求解器隱式方案對三維 Navier-Stocks方程求解。在高速列車作用于聲屏障脈動力的CFD分析中，線路考慮為雙線，線路間距為 5.0m，聲屏障區(qū)域長度為400m，列車長取100m。帶弧形頂部的聲屏障網(wǎng)格見圖 4。列車以“CHR3” 型為例，列車模型網(wǎng)格見圖5。圖4帶弧形頂部聲屏

7、障網(wǎng)格 圖5 CRH3型列車車體網(wǎng)格2、計算結(jié)果及分析在高速列車作用于聲屏障的脈動風(fēng)荷載 CFD 分析中，系統(tǒng)分別討論列車以 300、350、380、400km/h 的速度，聲屏障距離線路中心線 3.0、3.8、4.6、5.2、6.8m 的距離等不同工況下的計算分析結(jié)果。并考慮雙車交匯、聲屏障不同的頂部與進(jìn)口處構(gòu)造等工況。CFD 計算作用于近側(cè)聲屏障的脈動風(fēng)壓力時程曲線如圖6所示。部分不同車速及工況下近側(cè)聲屏障上不同測點的風(fēng)荷載峰值如表1，其中會車是指兩列車以同樣的速度在聲屏障區(qū)域反向交會。350km/h 列車通行時，沿聲屏障高度方向的最大風(fēng)壓力分布見圖 7，沿聲屏障長度方向的最大風(fēng)壓力分布見

8、圖 8。 圖6 50m處測點的壓力分布（分開圖，350 km/h）圖7 聲屏障測點正壓豎向分布 圖8聲屏障上測點壓力縱向分布CFD 分析結(jié)果表明，聲屏障距離線路中心線 3.8m 時，350km/h 速度下最大風(fēng)壓力為1430Pa，380km/h 速度下最大風(fēng)壓力為1686Pa。由高速列車脈動風(fēng)荷載的 CFD 計算分析中的參數(shù)分析可知，作用于聲屏障的脈動風(fēng)荷載壓力值基本與列車速度的平方成正比，脈動風(fēng)壓力值與聲屏障至線路中心線的距離成雙曲線性反比。各工況的計算與對比呈現(xiàn)如下規(guī)律：作用于聲屏障的最大風(fēng)壓力出現(xiàn)在聲屏障的下部，并沿高度向上至聲屏障半高處緩慢變小，并在H/2至頂部附近較快減小至底部風(fēng)荷載

9、的1/2左右，并在頂部大約30cm高度范圍內(nèi)保持不變。沿聲屏障縱向分布中，在列車入口處最小，沿著列車前進(jìn)方向50m處迅速增大，后稍減小并在100m至400m處即末端 處保持較平穩(wěn)值。脈動風(fēng)荷載的最大正壓力稍大于最大負(fù)壓力。單車通行遠(yuǎn)側(cè)聲屏障承受的脈動壓力遠(yuǎn)小于近側(cè)的結(jié)果。列車在聲屏障區(qū)域內(nèi)會車對脈動風(fēng)荷載規(guī)律稍有影響，對風(fēng)壓量值影響不大。五、改進(jìn)方案振型為聲屏障整體振動，振動幅度最大部位為聲屏障的弧形吸聲頂部， 透明隔聲板部分振幅相對較大。 弧形吸聲頂部增加了結(jié)構(gòu)的高度，降低了結(jié)構(gòu)的自振頻率，所以我認(rèn)為其他條件相同時弧形結(jié)構(gòu)更有優(yōu)勢。聲屏障透明板厚度參數(shù)的影響分析表明，在透明板四周約束的條件下

10、，0.15cm0.25cm 的板厚參數(shù)對固有頻率的影響并不顯著。而當(dāng)透明板上端無固定時自振頻率將顯著下降。聲屏障頂部的最大側(cè)向位移及立柱底部彎矩沿線路方向(縱向)差別不大，兩者沿縱向分布規(guī)律均顯示為在聲屏障的中部位移較大，固應(yīng)該適當(dāng)增強中部的強度。同時,聲屏障端部結(jié)構(gòu)單元的位移響應(yīng)比中部結(jié)構(gòu)單元的位移響應(yīng)大, 設(shè)計時需要對端部結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行加強。六、參考文獻(xiàn)1 李鋒. 減載式聲屏障氣動載荷特性的模擬實驗及仿真研究D. 北京: 北京交通大學(xué), 2014.2 趙麗濱, 龍麗平, 蔡慶云. 列車風(fēng)致脈動力下聲屏障的動力學(xué)性能J. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報, 2009, 35(4): 505-508.3 施洲, 張雙洋, 高玉峰等. 高速鐵路橋梁聲屏障動力仿真與設(shè)計理論研究A. 第21屆全國結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會議論文集C. 沈陽: 工程力學(xué)雜志社, 2012: CSTAM2012-E01- 0134.4 陳建國, 夏禾, 蔡超勛等. 高速列車引起的環(huán)境噪聲及聲屏障測試分析J. 振動工程學(xué)報, 2011, 24(3): 229-234.5 高速鐵路聲屏障動力特性研究. 鐵道建筑J, 2009, 11: 101-104.6 胡喆. 新型高速鐵路聲屏障動力性能的計算機模擬J. 鐵道工程學(xué)報, 2010, 147(12): 81-84.7 朱正清,