气动噪声是高速铁路噪声的主要组成部分,在列车更高速度下将发展为最主要噪声源。在分析了国内外高速列车气动噪声研究现状的基础上,以某型号动车组为研究对象,通过CFD与Lighthill理论混合求解方法,使用Curle宽带噪声源模型及FW-H声类比理论,计算了不同速度下高速列车气动噪声源强并分析其分布特性。研究结果表明,头车、受电弓及转向架区域是高速列车气动噪声源强最大区域;头车前转向架区域气动噪声大于其他位置;高速列车不同区域气动噪声发声机理差异较大,并与湍流涡旋结构密切相关。

高速列车气动噪声主要由结构诱导涡旋及结构表面的流体压力梯度变化形成,针对这2种噪声产生机制,结合DES分离涡模拟方法及Lighthill声比拟理论,计算了受电弓变截面弓杆及仿生表面织构2种气动降噪方式的声学特性,计算结果表明通过本体结构及表面优化均可有效降低高速列车气动噪声;弓杆截面型式的改变会影响周边压力场的分布特性,进而改变结构自身表面声功率特性,实现降噪的效果;仿生表面织构通过在结构阵列面上形成二次涡群来降低结构表面气动噪声;倒角式横杆、椭圆形臂杆及菱形凹坑表面声学特性优于其他结构型式。

针对目前高速铁路规划及噪声治理措施现状,提出了4种轨旁矮屏障型式,并借助数值仿真手段,模拟了高速列车通过高架桥上不同形式矮屏障的过程,研究了矮屏障上作用的气动力特性。计算结果表明,不同型式矮屏障所受气动力随时间变化趋势基本相似,呈现出明显的头波和尾波效应;不同型式矮屏障表面气动力的峰峰值大小有差异,3型矮屏障面板风压峰峰值最大,1型矮屏障背板风压峰峰值最大。结合一般混凝土结构强度,矮屏障设置导致的风压增量较小。

对我国现行高速铁路声屏障技术标准及其相关技术条件的适用性进行了总结分析。结果表明,我国现行铁路声屏障工程设计文件,主要包括时速200 km、250 km和350 km高速铁路声屏障通用参考图。声屏障结构的最大变形、共振效应和疲劳强度是进行声屏障气动效应测试和评判的主要参数。抗疲劳性能测试时的荷载值应根据该运行速度条件下的列车气动风压值和动力响应系数等分析计算确定。现场试验测量中得到的动变形测量值应换算为最不利荷载条件下的最大动变形值才能与声屏障结构动变形设计限值进行对比分析评判。开展声屏障设计时应充分考虑声屏障整体结构在长期荷载作用下的劣化与控制要求。

铁路多采用声屏障措施以减少运行产生的噪声污染,抗疲劳性能是声屏障研发设计中的一项重要指标。在阐述声屏障抗疲劳性能的基础上,结合列车脉动风压作用及声屏障特点,从设计背景、主要结构和设备可靠性等方面设计一种适用于铁路声屏障抗疲劳试验的疲劳试验机,并对其应用前景进行分析。