高速鐵路隧道外聲屏障氣動(dòng)荷載的數(shù)值模擬研究

葉葵葵， 張克躍， 張繼業(yè)， 石小林

(1.西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，四川成都 610031；2.西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031))

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高速鐵路隧道外聲屏障氣動(dòng)荷載的數(shù)值模擬研究

葉葵葵1， 張克躍1， 張繼業(yè)2， 石小林1

(1.西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院，四川成都 610031；2.西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031))

【摘要】采用計(jì)算流體力學(xué)的數(shù)值計(jì)算方法對(duì)基于三維、瞬態(tài)、可壓縮的Navier-Stokes方程和κ-ε兩方程紊流模型進(jìn)行求解，建立了250 km/h標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組單車通過隧道外聲屏障的計(jì)算模型，對(duì)聲屏障上產(chǎn)生的氣動(dòng)力進(jìn)行數(shù)值模擬。隧道外聲屏障離鐵路近側(cè)線路中心距分別取3.5 m、4.25 m、5.0 m，分析和研究了氣動(dòng)力沿隧道外聲屏障豎向、縱向和橫向的變化規(guī)律。由此得出：隧道進(jìn)、出口外的聲屏障會(huì)受到洞口附近三維效應(yīng)的影響，影響強(qiáng)度進(jìn)口比出口要大，影響范圍出口在20 m內(nèi)、進(jìn)口在10 m內(nèi)，離洞口越近，影響效應(yīng)越大；當(dāng)聲屏障與近側(cè)線路中心距取值在3.5～5 m之間時(shí)，聲屏障所受氣動(dòng)力與距近側(cè)線路中心距近似成線性關(guān)系；距隧道洞口相同距離位置處的聲屏障上受到的氣動(dòng)力最大幅值，進(jìn)口外的聲屏障要比出口外的聲屏障大。

【關(guān)鍵詞】標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組；隧道；聲屏障；氣動(dòng)力

隨著列車速度的提高，列車高速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲和輪軌噪聲也越來越大，當(dāng)列車通過隧道時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一系列復(fù)雜的氣動(dòng)效應(yīng)，在隧道口產(chǎn)生嚴(yán)重的噪聲污染，給隧道口附近的居民帶來嚴(yán)重的噪聲污染，所以在隧道口附近設(shè)置聲屏障可以有效降低列車通過隧道時(shí)向外輻射的噪聲[1-3]。對(duì)于隧道外的聲屏障，由于其距離軌道很近又在隧道口附近，當(dāng)列車通過時(shí)，會(huì)受到隧道口附近復(fù)雜的三維流場(chǎng)的影響，使聲屏障承受了復(fù)雜的動(dòng)態(tài)風(fēng)荷載[4-5]。

高速鐵路聲屏障不但要保證有效的降噪作用，而且也要保證結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，所以隧道外聲屏障受到的氣動(dòng)力更需要進(jìn)一步深入研究。

1列車通過隧道外聲屏障的脈動(dòng)力計(jì)算

1.1計(jì)算模型

高速列車通過隧道引起的空氣流動(dòng)是三維、非穩(wěn)態(tài)、可壓縮的湍流流動(dòng)。由于模擬計(jì)算車速取250km/h，并且隧道內(nèi)的空氣受到隧道壁的限制，空氣流動(dòng)需要當(dāng)作可壓縮處理。對(duì)粘性、可壓縮的基本方程進(jìn)行雷諾時(shí)均化，并附加κ-ε方程湍流模型來求解列車通過隧道外聲屏障上的氣動(dòng)力。

列車模型采用8車編組，分為頭車、尾車及6節(jié)中間車，中間車長(zhǎng)度為25m，車寬3.36m，車高3.86m，最大橫截面面積為12.257m2，隧道阻塞比為0.122?？紤]到計(jì)算機(jī)的硬件條件和計(jì)算時(shí)間，忽略了車體外部復(fù)雜結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，如受電弓、車門、車窗、轉(zhuǎn)向架、風(fēng)擋等。列車計(jì)算簡(jiǎn)化模型如圖1所示。

在高速列車通過隧道外的聲屏障的氣動(dòng)特性分析中，線路考慮為雙線，線間距為5m，隧道進(jìn)口和出口在縱向都布置長(zhǎng)50m、高4m的聲屏障，在橫向上聲屏障離近側(cè)線路中心線距離L分別取3.5m、4.25m、5m來計(jì)算[6-8]。列車通過隧道外聲屏障時(shí)，計(jì)算模型布置如圖2所示，CFD仿真分析模型見圖3。

圖1　列車幾何模型

圖2　計(jì)算模型布置示意(單位：m)

圖3　列車過隧道外聲屏障區(qū)域示意

由于聲屏障實(shí)際結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在計(jì)算中對(duì)它進(jìn)行了光滑處理，將其視為一定厚度的平板，忽略了立柱、基礎(chǔ)等結(jié)構(gòu)。

隧道斷面模型如圖4所示，列車底部距離地面0.376m，復(fù)線線路中線距離為5m。

圖4　隧道橫斷面

1.2計(jì)算區(qū)域

建立計(jì)算區(qū)域時(shí)，考慮到流場(chǎng)的充分發(fā)展以及氣流的繞流影響，所以選取計(jì)算區(qū)域，如圖5所示。采用FLUENT中網(wǎng)格滑移方法模擬列車與隧道及聲屏障之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，整個(gè)計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分為移動(dòng)部分和固定部分，其中列車周圍網(wǎng)格以列車運(yùn)行速度滑移，剩下的都是固定區(qū)域，固定部分和移動(dòng)部分的網(wǎng)格信息通過交界面(interface)來傳遞，列車表面、隧道壁面和地面及聲屏障都設(shè)定為無滑移壁面邊界，采用無滑移壁面函數(shù)模擬，外流域設(shè)定為壓力出口邊界條件。

圖5　計(jì)算區(qū)域示意

隧道長(zhǎng)度L按照最不利隧道長(zhǎng)度給定，計(jì)算公式為：

(1)

式中：l為列車的整車長(zhǎng)度，此處取200m；v為列車的速度，此處取250km/h；c為聲速，取340m/s。

根據(jù)式(1)可以得到隧道長(zhǎng)度為1 443m，外流場(chǎng)長(zhǎng)度取650m，外流場(chǎng)高度取60m。初始時(shí)刻，列車鼻尖距離隧道入口100m，聲屏障同時(shí)布置在隧道進(jìn)、出口處。

2高速列車作用于隧道外聲屏障上風(fēng)荷載CFD計(jì)算結(jié)果分析

2.1豎直聲屏障CFD結(jié)果分析

當(dāng)列車以250km/h的速度通過隧道外的聲屏障區(qū)域時(shí)，通過CFD分析聲屏障承受氣動(dòng)力作用。計(jì)算結(jié)果中，主要提取隧道進(jìn)、出口外，自隧道口算起，向外輻射的聲屏障上0m、10m、20m、30m、40m、50m處的計(jì)算結(jié)果。

隧道進(jìn)口聲屏障上某些具有代表性的測(cè)點(diǎn)壓力變化曲線如圖6、圖7所示。隧道出口聲屏障上某些測(cè)點(diǎn)壓力變化曲線如圖8、圖9所示。

圖6　離隧道進(jìn)口0 m處聲屏障上測(cè)點(diǎn)壓力時(shí)程曲線

圖7　離隧道進(jìn)口40 m處聲屏障上測(cè)點(diǎn)壓力時(shí)程曲線

圖8　離隧道出口0 m處聲屏障上測(cè)點(diǎn)壓力時(shí)程曲線

圖9　離隧道出口40 m處聲屏障上測(cè)點(diǎn)壓力時(shí)程曲線

由圖6～圖9可以看出，在高速列車突入隧道洞口和列車高速從隧道駛出時(shí)會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的三維紊流流場(chǎng)，會(huì)引起隧道出、入口處壓力突變，在隧道口會(huì)形成復(fù)雜的三維模式，這種三維模式下對(duì)隧道口外的聲屏障產(chǎn)生的影響會(huì)隨著離隧道口的距離的增加有所減緩，最后達(dá)到某個(gè)距離就會(huì)消失。同時(shí)我們也發(fā)現(xiàn)，隧道進(jìn)口和出口附近的三維效應(yīng)明顯不同，這是由于隧道進(jìn)口處的流場(chǎng)是由無限邊界向有限邊界過渡的一個(gè)流場(chǎng)，而出口處的流場(chǎng)是由有限邊界向無限邊界過渡的一個(gè)流場(chǎng)，所以會(huì)造成這種截然相反的影響效應(yīng)，我們還可以發(fā)現(xiàn)隧道進(jìn)口外的聲屏障受三維效應(yīng)的影響要大于隧道出口外的聲屏障。

2.2聲屏障CFD計(jì)算結(jié)果豎向分析

2.2.1隧道出口外的聲屏障

以距線路中心線4.25m為例，高速列車通過隧道出口外的聲屏障計(jì)算結(jié)果表明，在聲屏障的高度方向上，氣動(dòng)力分布有一定的差異，250km/h列車通過隧道時(shí) ，沿聲屏障高度方向的氣動(dòng)力分布如圖10～圖13所示。

圖10　隧道出口外聲屏障測(cè)點(diǎn)頭波波峰值豎向分布

圖11　隧道出口外聲屏障測(cè)點(diǎn)頭波波谷值豎向分布

圖12　隧道出口外聲屏障測(cè)點(diǎn)尾波波谷值豎向分布

圖13　隧道出口聲屏障測(cè)點(diǎn)尾波波峰值豎向分布

從圖10～圖13中可見，隧道出口外聲屏障測(cè)點(diǎn)頭波波峰值、波谷值和尾波波峰值豎向分布都是沿著高度向上幅值減小，中間測(cè)點(diǎn)比始、末端測(cè)點(diǎn)幅值減小得要快些，幅值相差大些，尾波波谷值沿高度方向上變化較小[8-9]。

在列車通過隧道外的聲屏障區(qū)域時(shí)，沿聲屏障縱向的氣動(dòng)荷載也有一定的差異。列車以 250km/h通過隧道外的聲屏障過程中，聲屏障承受最大壓力沿縱向分布圖如圖14、圖15所示。

圖14　隧道出口外聲屏障測(cè)點(diǎn)頭波波峰值縱向分布

圖15　隧道出口聲屏障測(cè)點(diǎn)頭波波谷值縱向分布注：圖中虛線代表沒設(shè)聲屏障的情況下對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)受到氣動(dòng)力情況。

由圖14和圖15可知：離隧道出口越近，聲屏障受隧道口的三維效應(yīng)的影響越大，影響范圍在隧道出口20m內(nèi)。聲屏障末端由于密閉性沒有中間部分的好，所以會(huì)在聲屏障末端造成聲屏障上受到的壓力會(huì)幅值突然減小。同一位置設(shè)了聲屏障比沒設(shè)聲屏障的最大正壓力幅值大136Pa，最大負(fù)壓力幅值大118Pa。其它距離下的聲屏障可以根據(jù)文章后面提到的聲屏障上受到的氣動(dòng)力橫向變化規(guī)律做相應(yīng)的推算。

列車以 250km/h通過隧道出口外的聲屏障的過程中，聲屏障承受最大正壓力沿橫向分布如圖16、圖17所示。

圖　　　16　隧道出口不同路線中心距的聲屏障測(cè)點(diǎn)頭波波峰值縱向分布　　　注：圖中虛線代表沒設(shè)聲屏障的情況下對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)受到氣動(dòng)力情況。

圖17　隧道出口不同路線中心距的聲屏障測(cè)點(diǎn)壓力橫向分布規(guī)律

隧道出口外不設(shè)聲屏障情況下，不同路線中心距測(cè)點(diǎn)受到的氣動(dòng)力橫向分布如圖18所示。

圖18　隧道出口外不同路線中心距的測(cè)點(diǎn)壓力橫向分布規(guī)律

由圖16～圖18可以看出，聲屏障所受到的氣動(dòng)力隨軌道中心距的增加成明顯遞減趨勢(shì)。聲屏障距離軌道中心越近,受空氣沖擊力越嚴(yán)重,氣動(dòng)力就越大,其大小與該距離幾乎成線性關(guān)系。即使隧道外附近某點(diǎn)處不設(shè)置聲屏障，該處受到的列車氣動(dòng)力幅值大小也與距線路中心的距離幾乎成線性關(guān)系，與《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》中氣動(dòng)力的取值隨路線中心距(取3.5m～5m之間的值)的變化近似成線性關(guān)系是一致的。

2.2.2隧道進(jìn)口外的聲屏障

以距線路中心線4.25m為例，同隧道出口外的聲屏障相比，隧道進(jìn)口外距隧道口0m處的聲屏障上受到的氣動(dòng)力如圖19～圖22所示。

圖19　隧道進(jìn)口外聲屏障測(cè)點(diǎn)頭波波峰值豎向分布

圖20　隧道出口聲屏障測(cè)點(diǎn)頭波波谷值豎向分布

圖21　隧道出口聲屏障測(cè)點(diǎn)尾波波谷值豎向分布

圖22　隧道出口聲屏障測(cè)點(diǎn)尾波波峰值豎向分布

從圖19～圖22中可見，隧道進(jìn)口外聲屏障測(cè)點(diǎn)頭波波峰、尾波波峰豎向分布都是沿著高度向上幅值減小，頭波波谷幅值沿高度方向上變化較小。

在列車通過隧道進(jìn)口外的聲屏障區(qū)域時(shí)，沿聲屏障縱向的脈動(dòng)風(fēng)荷載也有一定的差異。列車以 250km/h通過隧道進(jìn)口外的聲屏障過程中，聲屏障上距底端距離為1.6m的聲屏障上承受最大正壓力沿縱向分布，如圖23所示。

圖23　隧道出口聲屏障測(cè)點(diǎn)頭波波峰值縱向分布注：圖中虛線代表沒設(shè)聲屏障的情況下對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的受到脈動(dòng)風(fēng)壓情況。

由圖23可知，離隧道進(jìn)口越近，聲屏障受隧道口的三維效應(yīng)的影響越大，影響范圍在隧道進(jìn)口10m內(nèi)，相對(duì)于出口，影響范圍有所減小。聲屏障始端由于密閉性沒有中間部分的好，所以會(huì)在聲屏障始端造成聲屏障上受到的壓力幅值會(huì)比中間測(cè)點(diǎn)小。同一位置設(shè)了聲屏障比沒設(shè)聲屏障的最大正壓力幅值大210Pa，幅值變化要比出口聲屏障的大，其它距離下的聲屏障可以根據(jù)前面提到的聲屏障受到的氣動(dòng)力橫向變化規(guī)律做相應(yīng)的推算。

2.2.3隧道出口外聲屏障和進(jìn)口外聲屏障對(duì)比

由表1可知：距隧道洞口相同距離位置處的聲屏障上受到的氣動(dòng)力峰-峰值，進(jìn)口外的要比出口外的聲屏障大。由于列車過隧道進(jìn)口時(shí)，流場(chǎng)是由有限邊界向無限邊界過渡的一個(gè)流場(chǎng)，列車進(jìn)隧道口時(shí)瞬間擠壓空氣，被擠壓后的空氣在隧道口附近就會(huì)作用在洞口周圍的結(jié)構(gòu)物(聲屏障)上，理論上隧道進(jìn)口外的聲屏障受到的氣動(dòng)力幅值會(huì)比其它路段(平地、橋梁等)上的聲屏障要大，但由于隧道口附近會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的三維效應(yīng)，離隧道口越近，這種效應(yīng)會(huì)越強(qiáng)，在綜合考慮了這種效應(yīng)后，就會(huì)產(chǎn)生隧道進(jìn)口外聲屏障受到的氣動(dòng)力峰-峰值和其它路段(路基、橋梁)上布置聲屏障相同的結(jié)果(聲屏障中間段氣動(dòng)力峰-峰值大，始、終端附近的氣動(dòng)力峰-峰值小)[9-11]，但隧道進(jìn)口和平地、橋梁段產(chǎn)生這種結(jié)果的原因是有所區(qū)別的，路基、橋梁段的聲屏障始、終端由于密閉性沒有中間部分的好，所以造成了列車聲屏障中間段氣動(dòng)力峰-峰值大，進(jìn)、出口附近的氣動(dòng)力幅值小。當(dāng)列車出隧道時(shí)，流場(chǎng)是由有限邊界向無線邊界過渡，所以列車和周圍空氣的作用效應(yīng)沒進(jìn)口的強(qiáng)，導(dǎo)致了作用在隧道出口外的聲屏障上的氣動(dòng)力峰-峰值比隧道進(jìn)口外的聲屏障小。

表1　隧道進(jìn)、出外口聲屏障的最大壓力幅值對(duì)比

3結(jié)論

(1)250km/h標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組單車通過隧道外聲屏障時(shí)，隧道進(jìn)、出口外的聲屏障會(huì)受到洞口附近三維效應(yīng)的影響，三維效應(yīng)的影響范圍隧道進(jìn)口在10m內(nèi)，隧道出口在20m內(nèi)，但影響強(qiáng)度進(jìn)口比出口要大，離洞口越近，影響效應(yīng)越大。聲屏障在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該充分考慮這種三維效應(yīng)的影響，以保證結(jié)構(gòu)的安全。

(2)250km/h標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組單車通過隧道外聲屏障時(shí)，距軌道中心距為3.5～5m之間時(shí)，聲屏障所受氣動(dòng)力與距軌道中心距的距離近似成線性關(guān)系，聲屏障距離軌道中心越近,受空氣沖擊力越嚴(yán)重,脈動(dòng)風(fēng)就越大，即使隧道外附近某點(diǎn)處不設(shè)置聲屏障，該處受到的列車脈動(dòng)風(fēng)壓幅值大小也與距線路中心的距離近乎成線性關(guān)系。

(3)250km/h標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組單車通過隧道外聲屏障時(shí)，距隧道洞口相同距離位置處的聲屏障上受到的氣動(dòng)力峰-峰值，進(jìn)口外的聲屏障要比出口外的聲屏障大。

(4)本文只研究分析了250km/h的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組單車通過隧道時(shí)的情況，在后期可以研究分析300km/h、350km/h、400km/h的情況，同時(shí)也可以研究分析隧道長(zhǎng)度對(duì)隧道外聲屏障上受到氣動(dòng)力的影響，得出相關(guān)的結(jié)論和規(guī)律。

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[作者簡(jiǎn)介]葉葵葵(1989～),男，碩士研究生,研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)抗風(fēng)。

【中圖分類號(hào)】U453.8+2

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

[定稿日期]2015-12-31