本文采用的单线高架桥ＣＡＤ建立，高架桥及高速列车ＣＡＤ模型见图１．（图片）
图１高架桥及高速列车ＣＡＤ模型
高架桥桥底面距地面高度１５ｍ，高速列车中心线距高架桥声屏障内侧３．７ｍ．计算区域及坐标系见图２，计算网格见图３．在模拟中，地面和高架桥均设为移动壁面边界条件，车体设为无滑移壁面边界条件．选用Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅｋε湍流模型，近壁处理采用非平衡壁面函数，压力－速度耦合采用ＳＩＭＰＬＥＣ算法．为保证收敛性，首先适当调小松弛因子，动量方程、湍动能方程和湍动耗散率方程采用１阶迎风格式，等计算稳定后再换用精度更高的２阶迎风格式，并适当调高松弛因子，加快收敛．（图片）
图２ 计算区域及坐标系，ｍ
（图片）
图３ 计算网格
２ 计算结果分析
2.1 气动力、力矩变化规律分析
随着声屏障高度的不同，作用在高速列车上的气动力和力矩也随之发生变化．图４为阻力因数变化曲线，可知虽然声屏障高度变化，但头车、中间车和尾车的阻力因数基本没有变化；尾车上的阻力最大，中间车上的阻力最小，头车上的阻力介于二者之间．（图片）
图４ 阻力因数变化曲线
图５为升力因数变化曲线，可知随着声屏障高度的增加，头车上的负升力逐渐增加，声屏障高度Ｈ＝４．５ｍ时的升力比无声屏障时增加４０％；中间车上的升力不随声屏障高度变化而变化，且升力几乎为０；尾车上的正升力随声屏障高度增加而逐渐减小，减小幅度最多可达５４．５％．（图片）
图６为俯仰力矩因数变化曲线，可知，中间车俯仰力矩因数对声屏障高度变化不敏感，基本不随声屏障高度变化而变化；而声屏障高度变化对头、尾车俯仰力矩因数影响较大．随着声屏障高度增加，头车俯仰力矩因数逐渐减小．声屏障高度Ｈ＝４．５ｍ时的俯仰力矩比无声屏障时增加１０％；Ｈ＝１．５ｍ时尾车俯仰力矩因数比无声屏障时增加２７％．（图片）
图６ 俯仰力矩因数变化曲线
２．２ 声屏障高度的单独分析
选取Ｈ＝３．０ｍ进行局部分析．图７为Ｈ＝３．０ｍ时各横截面（ｘ＝－２３ｍ，０，２３ｍ）压力云图，可观察到流场压力分布的变化．由于桥梁和车体结构的对称性，压力分布同样表现出对称性．车体上、下压力分布随流动向尾部发展而产生变化，对于横截面ｘ＝０处，中间车上、下压差很小，因此，中间车所受的升力也很小．（图片）
图７ Ｈ＝３．０ｍ时各横截面压力云图比较
图８为Ｈ＝３．０ｍ时各横截面速度云图及流线图，可观察到流场漩涡的发展．与无声屏障的情况相比，声屏障会在其顶部产生漩涡．另外，由于结构的对称性，且不受横向风影响，车体左右漩涡结构也对称分布；随着流动向尾部发展，漩涡逐渐发展长大，并最终在尾迹区耗散掉．（图片）
图８ Ｈ＝３．０ｍ时各横截面速度云图及流线图
由静压因数分析可得某一截面的压力分布．图９（ａ）为Ｈ＝３．０ｍ时中间车体横截面ｘ＝０处静压因数分布，可知，中间车截面上、下部压差很小，故对应的中间车升力很小．图９（ｂ）为Ｈ＝３．０ｍ时车体纵向对称截面ｙ＝０处静压因数分布，可知，中间车上、下部压差很小，所受升力很小；而头、尾部上下压差变化较大，故所受升力较大．头部上下压差明显大于尾部上下压差，因此头车升力明显较尾车大．（图片）
图９ 静压因数分布
２．３ 声屏障高度对比分析
整车阻力因数基本不随声屏障高度变化而变化．分别对Ｈ＝１．５ｍ和２．５ｍ时车体纵向对称截面ｙ＝０与车体水平截面ｚ＝１．０５ｍ处的整车前后压力分布进行对比分析，发现２个不同声屏障高度的前后压力分布基本相同．因此，整车前后压差造成的形状阻力基本相同，且列车运行速度一定，因而整车总的阻力基本不随声屏障高度变化而变化．
图１０（ａ）为Ｈ＝１．５ｍ和２．５ｍ时纵向对称截面ｙ＝０处静压因数比较．整车的压差阻力取决于整车前、后静压因数的积分效果，可知列车在纵向对称截面的压差基本相等，因此，整车的压差阻力相等．图１０（ｂ）为Ｈ＝１．５ｍ和２．５ｍ时车体水平截面ｚ＝１．０５ｍ处静压因数比较，可知，整车前、后压差造成的形状阻力不随声屏障高度变化而变化．（图片）
图１０ 静压因数比较
图１１和１２分别为Ｈ＝１．５ｍ和２．５ｍ时各横截面速度云图及流线图，可知，由于声屏障的存在，形成半封闭的流动空间，车体两侧的流体从上部开第３期罗建斌，等：高架桥声屏障高度对高速列车气动特性的影响９放处散逸，并在声屏障顶部产生漩涡．随着声屏障高度增加，上部散逸效果基本一致，不会造成车体前、后压差的显著变化，因此，车体压差阻力基本不随声屏障高度增加而增加．（图片）
图11 Ｈ＝１．５ｍ时各横截面速度云图及流线图
（图片）
图12 Ｈ＝２．５ｍ时各横截面速度云图及流线图
３ 结论
声屏障的存在对行驶在高架桥上的高速列车气动特性具有很大的影响，对此开展研究具有一定的工程应用价值．本文采用数值模拟方法探讨在无横向风情况下高速列车气动特性随声屏障高度变化的规律．数值计算结果表明，在没有横向风情况下，中间车的力和力矩因数对声屏障高度变化不敏感，基本不随声屏障高度变化而变化；而声屏障高度变化对头、尾车的升力影响较大。
5/22/2013
