专利名称：高速铁路中声屏障脉动力大小的确定方法及应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种声屏障脉动力大小的确定方法及应用，尤其涉及一种高速铁路中 声屏障脉动力大小的确定方法及应用。
背景技术：
1964年10月1日，世界第一列高速列车在日本东京车站缓缓起动，并逐渐加速到 210km/h，朝着终点站飞驰而去，新干线列车的成功运营彻底粉碎了“铁路处于夕阳时代”的 悲观论调，世界铁路从此步入高速时代。从此之后，世界各国纷纷借鉴日本的经验，陆续建 成自己的高速铁路，采用和创造了许多先进的技术。我国自1996年以来的五次大提速使铁 路产生了根本性的变化，加快了铁路高速化的进程。2007年4月18日，中国铁路进行了第六 次提速调图，“和谐号”CRH系列动车组开始以200km/h的速度运行，部分区段最高运行速度 达到250km/h，中国铁路从此进入高速时代。高速铁路具有以下的技术优势行车速度高、 运能大、安全性高、全天候运行、能耗低、节约用地、环境污染轻、舒适度高，这些优势使得高 速铁路在竞争中取得了巨大成功，取得了明显的经济和社会效益。目前对于高速铁路中声屏障脉动力大小的确定主要通过实验测量，没有统一的理 论公式来解决确定高速铁路中声屏障脉动力的大小。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种高速铁路中声屏障脉动力大小的确定方法， 克服现有技术不能精确确定高速铁路中声屏障脉动力大小的技术问题。本发明的技术方案是提供一种高速铁路中声屏障脉动力大小的确定方法，包括 如下步骤采用相关参数采集高速铁路轨道中心线至声屏障的距离，采集列车速度；确定
声屏障脉动力高速铁路中声屏障脉动力P = 0.10563·(V/D)2，
其中P表示声屏障脉动力；ν表示列车速度；D表示高速铁路轨道中心线至声屏 障的距离。本发明的进一步技术方案是在确定声屏障脉动力步骤中，还包括采用动网格模 型模拟火车在流场中的高速运动计算运动边界。本发明的进一步技术方案是在确定声屏障脉动力步骤中，在采用动网格模型模 拟火车在流场中的高速运动的过程中，设置四面体非结构网络的运动区。本发明的进一步技术方案是在确定声屏障脉动力步骤中，在采用动网格模型模 拟火车在流场中的高速运动的过程中，对于运动区内的高速列车表面生成近壁面边界层网 格。本发明的进一步技术方案是在确定声屏障脉动力步骤中，对计算域进行分区网 格划分，采用混合网格划分方法。
本发明的进一步技术方案是在确定声屏障脉动力步骤中，包括采用混合网格模 型实现高速列车运动分析。本发明的进一步技术方案是在确定声屏障脉动力步骤中，包括获取声屏障表面 的气动力曲线。本发明的进一步技术方案是在确定声屏障脉动力步骤中，获取高速铁路轨道中 心线至声屏障的距离对声屏障脉动力的影响。本发明的技术方案是将高速铁路中声屏障脉动力大小的确定方法应用于高速铁路。本发明的技术效果是通过对高速铁路中运行的列车采用流场分析的方法，并构 建高速列车模型，以动网格技术进行混合网格优化计算运动边界。本发明拟合的声屏障脉 动力能精确地确定出高速铁路中声屏障脉动力的大小，简便实用。
图1为本发明的流程图。图2为本发明优化的混合网格模型计算域。图3为本发明优化的混合网格模型计算域网格划分图。图4为本发明模型中列车尺寸图。图5为本发明网格剖面图。图6为本发明高速列车边界层层网格图。图7为本发明高速列车表面网格划分。图8为本发明由驶过列车对建筑物或构件产生的气动力图。图9为本发明车速为200km/h的脉动力曲线图。图10为本发明车速为250km/h的脉动力曲线图。图11为本发明车速为300km/h的脉动力曲线图。图12为本发明车速为350km/h的脉动力曲线图。图13为本发明不同车速脉动力幅值比较图。图14为本发明车速为200km/h时不同距离的脉动力正峰值比较图。图15为本发明车速为250km/h时不同距离的脉动力正峰值比较图。图16为本发明车速为300km/h时不同距离的脉动力正峰值比较图。图17为本发明车速为350km/h时不同距离的脉动力正峰值比较图。图18为本发明在D = 6m时脉动力公式计算值与暂规相比较图。图19为本发明在D = 3m时脉动力公式计算值与暂规相比较图。
具体实施例方式下面结合具体实施例，对本发明技术方案进一步说明。如图1所示，本发明的具体实施方式
是提供一种高速铁路中声屏障脉动力大小 的确定方法，包括如下步骤步骤100 采用相关参数，即，采集高速铁路轨道中心线至声屏障的距离，采集列 车速度。
4 步骤200 确定声屏障脉动力高速铁路中声屏障脉动力P = 0.10563· — ， 其中P表示声屏障脉动力；ν表示列车速度；D表示高速铁路轨道中心线至声屏 障的距离。本发明中，高速铁路中声屏障脉动力P = 0.10563.f 二)，其中P表示声屏障脉动
力；ν表示列车速度；D表示高速铁路轨道中心线至声屏障的距离。具体过程如下一、列车外部流场特性列车外流场的气体流动状态主要有两种形式层流和湍流，层流是指流体的流动 是分层的，即两层之间没有相互混杂，互不干扰；湍流则与之相反，在湍流中，速度分量在其 平均值上还叠加有随机的湍流脉动。边界层由层流转化为湍流的条件可以由临界雷诺数来 判别，临界雷诺数的定义式如下 式中Χ 为边界层中的层流距离；U00为来流速度；υ为流体的运动粘性系数，运
动粘性系数等于流体的动力粘性系数与密度之比，即= f，其中，μ是流体的动力粘性
系数，P是流体的密度。对于平板绕流场而言，Re ^ 5Χ IO50因此，通常用雷诺数的大小 来判断流场的流动特性，对于列车，雷诺数Re的定义式如下 式中Uoo为列车速度；1为特征尺寸。当列车的最小车速为200km/h时，以列车宽度为特征尺寸，本发明实施例中 列车宽度为3. 2m，运动粘度系数为15Xl(T6m7S，计算可知高速列车外流场雷诺数约为 1. 18 X IO7,因此，高速列车外流场处于湍流状态，计算模型应该选用湍流模型。二、流体运动的基本方程流体力学控制流场流体流动的基本方程是通过对流体微元体应用质量守恒原理、 动量守恒原理以及能量守恒原理而得到的连续性方程、Navier-Stokes方程以及能量守 恒方程。在高速列车模型计算中不考虑流场温度变化，其流体控制方程为连续性方程和 Navier-Stokes 方禾呈。(一 )连续性方程若是不可压缩流体，密度为常数，连续性方程为~ + ~ +么=0⑶ dx dy dz式中，vx, vy, vz为流场速度在三个坐标X，y，ζ方向的分量。( 二 ) Navier-Stokes 方程对于不可压缩流体，流体动力粘性系数μ即可当作常数，得到不可压缩粘性流体 流动的Navier-Stokes方程
5
% + + + = Λ--J + ^vX(4) ot ox oy OZ ρ ox
Γ π dvX dvy dvX dvy , 1 Φ/r-N~- + Vjc~- + Vv~- + Vz~- = /v---— + UV2Vv(5)
dt x dx y dy z dz y ρ dyy"^ + ν,·^ +、"^ + νζ·^ =人-丄 +(6)
ot ox dy dzρ οζ式中，vx, vy, vz为流场速度在三个坐标X，y，ζ方向的分量；fx、fy、fz为x，y，ζ方 向上单位质量流体体积力；P为流体密度；P为流体压力；U为流体的运动粘性系数。(三)状态方程根据理想气体有ρ = P RT(J)式中，ρ为流体压力；P为流体密度；R为摩尔气体常数；T为气体温度。理论上，由以上方程以及所指定的边界条件和初始条件，可以确定列车周围的速 度场、压力场和温度场。但是，由于湍流是一种随机、非定常、三维流动，湍流中流体质点轨 迹的杂乱性给湍流运动规律的研究带来极大困难。一般认为，Navier-Stokes方程可以描 述湍流的瞬时规律，因此，计算流体力学工作者常可利用Navier-Stokes方程的数值模拟 来解决工程问题。三、计算流体力学计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，简称CFD)是用来进行流场分析、 计算、预测的专用工具。它以计算机为工具，用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类 问题进行分析研究。简单的说，CFD相当于虚拟的在计算机内做实验，以此来模拟仿真实际 流体的流动情况，进而求解控制流体的微分方程，得出流场在连续区域上的离散分布。四、计算运动边界。在确定声屏障脉动力步骤中，还包括采用动网格模型模拟火车在流场中的高速运 动计算运动边界。动网格技术用于计算运动边界问题，以及边界或计算域内有某个物体的移动问 题，因此，对于本文中火车在流场中的高速运动是应采用动网格模型进行模拟计算的。由于 FLUENT在动网格技术中是根据边界或物体的移动自动进行计算域的重建，就是说在每一个 时间步都要重新去划分整个计算域的网格，这对于计算机资源的要求比较高。在动网格技 术中，网格的生成和运动是通过拉伸、压缩或者增加、减少以及局部重生成来适应计算区域 的改变。(一 )高速列车运动分析的动网格设置。1、计算域的组成。由于高速列车比较长，体积比较大，相应的计算区域也会很大，这样无形中网格数 量会大大增加，而且，列车移动的速度比较快，网格的变形会很大，如果用弹性光顺法更新 网格时，网格质量会很差，不仅计算精度低，有可能计算根本不收敛，因此，必须采用动态分 层的技术来更新网格，但是动态分层法对网格类型的要求比较苛刻，因此需要采用一种新 的网格分区和划分方法。本发明采用混合网格法，优化了动网格对非定常流场的模拟效果， 如图4-3所示。混合网格包含以下几部分
如图2所示，设置四面体非结构网格的运动区，在软件中设置它与火车一起做直 线运动。由于火车表面的流线型设计，使得包围火车的运动区域形成了不规则的形状(即 不再成为一个立方体)，因此只能用四面体划分，如果要用动态分层技术来更新网格，与运 动边界相邻的网格必须为结构网格，为了解决这个矛盾，对运动区与变形区相接触的前后 两个面用四边形划分，对整个运动区域用四面体划分，这样在运动区前后各形成一层金字 塔网格，即五面体网格，运动区内部为四面体网格，前后的变形区域用六面体网格划分，这 样一来，运动区和变形区的交界面是四边形网格，变形区的网格随着运动区的移动而发生 变化，选用动态分层方法定义该区域网格的变形和重生成。另外，对于运动区内的高速列车 表面用Boundary Layer生成近壁面边界层网格，Boundary Layer命令用于在近壁强制规 定网格生长的方向和尺寸，它可以控制近壁面生成规则、高质量的网格，以保证关键区域的 计算精度。为了提高计算效率，减少对计算结果意义较小的网格变形工作量，将计算域内距 离列车适当距离以外的区域设置为静止区，静止区采用六面体结构网格，动网格与静网格 交界区利用Grid interface的滑动网格功能连接，即在网格重叠区允许流体通过。2、计算域网格划分。对于计算域进行分区划分网格，采用优化的混合网格划分方法。其网格划分示意 图如图3所示，其中体Vl为运动区，体V2，V3为变形区，体V4，V5为静止区，面Fl，F2是 运动区和变形区的交界面，面F3，F4是变形区。图3中，面代表体，线代表面。(二)动网格分析步骤采用FLUENT软件及优化的混合网格模型实现高速列车运动分析的具体过程如 下1、在Gambit中建立运动区，变形区，静止区的几何模型，并划分各个区域的网格。2、分别设置各个区域的边界条件，连续性条件，输出各个区域的网格文件，即不同 的mesh文件。3、在Tgrid软件中将表示不同区域的网格文件调用，并进行网格合并，合并为一 个网格文件，即将各个区域合并成为一个整体，生成一个mesh文件。4、在Fluent中读入网格文件，设置计算方法，湍流模型，流体的物理性质，边界条 件等信息；本文采用三维不可压缩非定常瞬态N-S方法，Realizablek-ε湍流模型，流体为 空气，选用FLUENT自定义的空气特性。5、加载UDF (User-Defined Function，用户自定义函数)文件，设置动网格参数； 即选用动态分层法来更新网格。6、设置求解参数，选用SIMPLE算法，二阶迎风格式，以减少数值误差，提高计算精 度；收敛残差不小于10_3，利用多CPU并行技术进行求解。五、声屏障板表面脉动力分析。(一 )计算模型与网格控制。本发明中，高速列车模型采用头车与拖车直接连挂，车头曲面采用一个完整的曲 面，忽略车头灯，窗户，门把手等凸出物。模拟计算参数列车长200m，宽3. 2m,高3. 5m,如图4所示，轨道中心线至声屏障 的距离为4m，声屏障高4m，长100m。计算区域高10m，宽50m，长530m。
采用网格优化方法，设置四面体非结构网格的运动区，六面体结构网格的变形区 和静止区，由于要得到声屏障板表面的风压，因此，将声屏障所在的区域，火车所在区域的 网格划分的细一些，对于一些外围区域的网格划分的粗一些，在保证了计算精度的情况下， 控制网格数量，减少计算时间。图5是沿着高度方向向下切割的网格剖面图，图6是火车表 面的边界层网格，图7是火车表面的网格划分。( 二)设置边界条件所有CFD问题都要有边界条件，所谓边界条件就是流场变量在计算边界上应该满 足的数学物理条件，只有给定合理的边界条件，才能计算出流场的解。在利用FLUENT模拟 高速列车在空气中运动时，设置以下边界条件入口边界速度入口(VELOCITY_INLET)，在入口边界给定速度和其他标量属性的值。出口边界压力出口(PRESSURE_OUTLET)，用于在流场出口处给定静压和其他标
量变量的值。声屏障，火车壁面，底面壁面条件(WALL)，因为湍流在近壁面区演变为层流，因 此需要针对近壁面区，采用壁面函数法，将壁面上的已知值引入到内节点的离散方程的源 项。外侧面，顶面对称边界条件(SYMMETRY)，不需要给定任何参数，只需要确定合理 的对称位置。动态网格与静态网格的交界面交界面(INTERFACE)，当相邻的两个区域重合，但 交界面仍为重合的两个面，且两个面上的网格节点互不重合，则要将重合的两个面定义为 交界面。另外，将火车的运动定义为刚体运动，它的运动方式通过加载UDF函数来完成， UDF主要定义了火车运行的速度和方向。(三)脉动力计算规范。我国铁路第三勘察设计院编写的《京沪高速铁路设计暂行规定》中提出高速行驶 的的列车对构筑物气压作用按如下计算由驶过列车引起的气动压力和气动吸力，应由一个5m长的移动面荷载+q及一个 5m长的移动面荷载_q组成，气动力分为水平气动力qh和竖向气动力qv。水平气动压力可 由图8的曲线查取，即对于不同的车速，轨道至声屏障的不同距离，查取脉动风压。垂直气 动力qv可按下式计算q^lq^-^—ikNIm2)⑶式中qh为水平气动力(kN/m2) ；D为作用线至线路中心距离(m)。(四)结果分析。1、气动力曲线。在声屏障板表面布监测点，并对其表面风压进行监控，图4-10至图4-13是高速 列车在车速200km/h，250km/h, 300km/h, 350km/h时，监测点风压力随时间变化的气动力曲 线。其中，车速为200km/h时，监测点的位置离声屏障板开始端的距离为50m，车速为250km/ h时，监测点的位置离声屏障板开始端的距离为70m，车速为300km/h时，监测点的位置离声屏障板开始端的距离为80m，车速为350km/h时，监测点的位置离声屏障板开始端的距离为 80m，监测点的高度均在板中间，即均为沿板高度方向2m处。从上述的脉动力曲线可以得到当高速列车进入声屏障，远离监测点时，监测点风 压基本为零，当车头接近监测点，风压急剧增大，达到最大值，出现正压峰值点，当车头驶过 监测点，风压急剧减小，达到最小值，出现负压峰值点。从理论上解释，当高速列车从远处驶 来，车头前方因车头的阻滞，引起列车前面的空气堆积，流速降低，监测点的正压力逐渐增 大，当列车接近监测点时，出现正压峰值点，接着空气向列车头部两侧分流，流速升高，压力 减小形成局部低压，出现负压峰值点，正负压峰值基本相等。2、与规范比较。《京沪高速铁路设计暂行规定》中给出了驶过的列车对建筑物或构件产生的气动 力参考值，将暂规和FLUENT计算结果作比较，如表1和图13所示。表1 FLUENT正压值计算结果与暂规比较 从图13可以看出，FLUENT模拟计算的脉动风正压值和暂规所查取的结果比较接 近，说明了用数值模拟的方法计算脉动力是可行的，进一步验证了数值模拟的正确性，而 且，从图13中也可以看出，脉动力峰值近似和列车车速成二次关系增加。3、轨道中心线至声屏障的距离D对脉动力的影响。表2是在不同的D (轨道中心线至声屏障的距离)值下FLUENT和暂规的脉动力峰 值大小比较。表2不同D值下FLUENT正压值计算结果与暂规值比较 图 14 至图 17 是车速分别为 200km/h，250km/h，300km/h，350km/h 时，不同轨距 D
值下的FLUENT计算值和暂规值比较图。由表2和图14至-图17可知，FLUENT和暂规结果相差不大，而且，随着轨道中心 线至声屏障距离的增大，脉动力峰值随之降低，从图可以看出，脉动力大小与轨距D大致成 负平方关系。五、脉动力峰值公式的拟合。由脉动力比较图可以看出，随着列车速度的提高，气动力近似与车速成二次关系 增加，而且，在列车车压力波的研究中也表明，压力波的强度与幅值近似与列车速度及1/8 观测列车速度之和的平方成正比，即两相对行驶的列车交会时，会引起另一列车会车一侧 表面的空气压力发生突变，在几十毫秒之间相继出现正、负压力峰值，观测列车表面的压力 幅值与列车速度及1/8观测列车速度之和的平方成正比。从图14至图17可以得到压力幅值与轨距近似成负平方关系，因此，假设列车通过 时作用在声屏障板上的脉动风压正值与车速成正平方关系，与轨距成负平方关系，建立如 下关系式 P = a + b
、2
八(9)
DJ 式中v为列车速度，km/h ；D为轨道中心线至声屏障的距离，m ；由于当ν = 0时， P = 0，所以a = 0，通过改变自变量的取值，可以得到一系列的分析数据，再利用Origin数 学软件进行拟合最后得到下述公式 P = 0.10563.
、2
(10)
}用以上公式计算车速为 160km/h，180km/h, 200km/h, 220km/h, 250km/h, 300km/h,
10350km/h, D = 6m, D = 3m时的脉动风压正值，并与暂规相比较，如表3、表4、图18、图19所
不表3公式计算结果与暂规比较(D = 6m) 从图18、图19可以看出，计算值和暂规值比较接近，因此，可以用此公式初步估算 在不同车速，不同轨距作用下，声屏障板表面的脉动力。本发明的具体实施方式
是将高速铁路中声屏障脉动力大小的确定方法应用于高 速铁路。以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定 本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在 不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的 保护范围。
权利要求
一种高速铁路中声屏障脉动力大小的确定方法，包括如下步骤采用相关参数采集高速铁路轨道中心线至声屏障的距离，采集列车速度；确定声屏障脉动力高速铁路中声屏障脉动力其中P表示声屏障脉动力；v表示列车速度；D表示高速铁路轨道中心线至声屏障的距离。FSA00000187958600011.tif
2.根据权利要求1所述的高速铁路中声屏障脉动力大小的确定方法，其特征在于，在 确定声屏障脉动力步骤中，还包括采用动网格模型模拟火车在流场中的高速运动计算运动 边界。
3.根据权利要求2所述的高速铁路中声屏障脉动力大小的确定方法，其特征在于，在 确定声屏障脉动力步骤中，在采用动网格模型模拟火车在流场中的高速运动的过程中，设 置四面体非结构网络的运动区。
4.根据权利要求2所述的高速铁路中声屏障脉动力大小的确定方法，其特征在于，在 确定声屏障脉动力步骤中，在采用动网格模型模拟火车在流场中的高速运动的过程中，对 于运动区内的高速列车表面生成近壁面边界层网格。
5.根据权利要求1所述的高速铁路中声屏障脉动力大小的确定方法，其特征在于，在 确定声屏障脉动力步骤中，对计算域进行分区网格划分，采用混合网格划分方法。
6.根据权利要求1所述的高速铁路中声屏障脉动力大小的确定方法，其特征在于，在 确定声屏障脉动力步骤中，包括采用混合网格模型实现高速列车运动分析。
7.根据权利要求1所述的高速铁路中声屏障脉动力大小的确定方法，其特征在于，在 确定声屏障脉动力步骤中，包括获取声屏障表面的气动力曲线。
8.根据权利要求1所述的高速铁路中声屏障脉动力大小的确定方法，其特征在于，在 确定声屏障脉动力步骤中，获取高速铁路轨道中心线至声屏障的距离对声屏障脉动力的影 响。
9.一种应用高速铁路中声屏障脉动力大小的确定方法的高速铁路，其特征在于，高速 铁路中声屏障脉动力大小的确定方法应用于高速铁路。
全文摘要
本发明涉及一种高速铁路中声屏障脉动力大小的确定方法，包括如下步骤采用相关参数采集高速铁路轨道中心线至声屏障的距离，采集列车速度；确定声屏障脉动力高速铁路中声屏障脉动力其中P表示声屏障脉动力；v表示列车速度；D表示高速铁路轨道中心线至声屏障的距离。本发明高速铁路中声屏障脉动力大小的确定方法及应用通过对高速铁路中运行的列车采用流场分析的方法，并构建高速列车模型，以动网格技术进行混合网格优化计算运动边界。本发明拟合的声屏障脉动力能精确地确定出高速铁路中声屏障脉动力的大小，简便实用。
文档编号E01F8/00GK101906758SQ201010225668
公开日2010年12月8日 申请日期2010年7月12日 优先权日2010年7月12日
发明者查晓雄, 金蕾 申请人:哈尔滨工业大学深圳研究生院