隧道口聲屏障受列車風(fēng)荷載影響的數(shù)值計(jì)算分析

余海洪， 葉葵葵

(1.中鐵四川生態(tài)城投資有限公司，四川眉山 620500; 2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031)

目前對(duì)聲屏障的研究大多停留在普通路基和橋梁段聲屏障上，對(duì)隧道口聲屏障研究的公開資料較少。當(dāng)列車進(jìn)出隧道時(shí)，列車周圍的空氣處在復(fù)雜的三維紊流流動(dòng)中，隧道口聲屏障會(huì)受到這種三維效應(yīng)的影響，使使隧道口聲屏障上承受了比普通路基、橋梁段聲屏障更加復(fù)雜的動(dòng)態(tài)列車風(fēng)荷載[4]。因此，對(duì)隧道口聲屏障進(jìn)行研究是很有必要的。

1 流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算模型

1.1 幾何模型

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250 km/h及以上，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高速通過隧道口聲屏障區(qū)域時(shí)，隧道口聲屏障表面上受到的列車風(fēng)荷載。

列車模型采用8車編組，每節(jié)車長(zhǎng)都是25 m，車寬3.36 m，車高3.86 m，列車的最大橫截面面積為12.257 m2?？紤]到計(jì)算機(jī)的硬件條件和計(jì)算時(shí)間，不考慮列車外部復(fù)雜構(gòu)造，如車門、受電弓等，這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)對(duì)整體列車風(fēng)荷載影響甚微。列車計(jì)算簡(jiǎn)化模型如圖1所示。

鐵路線路考慮為雙線，線間距為5 m，隧道進(jìn)口和出口附近在縱向都布置了長(zhǎng)50 m、高4 m的直立式聲屏障，聲屏障離近側(cè)線路中心線距離L分別取3.5 m、4.25 m、5 m。圖2為列車高速駛過隧道口聲屏障區(qū)域時(shí)的平面布置示意圖。由于聲屏障實(shí)際構(gòu)造相對(duì)較復(fù)雜，在模擬時(shí)對(duì)它做了一些簡(jiǎn)化，把它簡(jiǎn)化成具有一定厚度的平面板，不考慮底板、基礎(chǔ)等結(jié)構(gòu)。

圖2 平面布置示意(單位：m)

隧道斷面模型如圖3所示，列車底部距離地面0.376 m，復(fù)線線路中線距離為5 m，隧道阻塞比為0.122。

圖3 隧道橫斷面

1.2 計(jì)算區(qū)域

在建立流場(chǎng)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，計(jì)算區(qū)域尺寸的取值應(yīng)當(dāng)足夠大。理論上流場(chǎng)區(qū)域應(yīng)該趨于無窮大，但在模擬時(shí)只能通過有限空間來近似處理這個(gè)無限流場(chǎng)，模擬的流場(chǎng)區(qū)域越大，網(wǎng)格數(shù)量將會(huì)越多，從而導(dǎo)致計(jì)算速度降低。因此在確保滿足精度的前提下可以適當(dāng)提高求解速度，通過對(duì)多個(gè)不同尺寸的流場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行計(jì)算分析比較，最后選取了如圖4示的流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域，列車離隧道進(jìn)口為100 m[5]。

1.3 邊界條件及網(wǎng)格劃分

通過計(jì)算流體軟件FLUENT中的網(wǎng)格滑移方法來處理列車與隧道及聲屏障之間的相對(duì)移動(dòng)，計(jì)算區(qū)域由移動(dòng)區(qū)域和固定區(qū)域兩部分組成，其中移動(dòng)區(qū)域的網(wǎng)格以列車行駛速度滑移，固定區(qū)域的網(wǎng)格保持不動(dòng)，移動(dòng)區(qū)域和固定區(qū)域的信息通過交界面來傳遞，圖5為流場(chǎng)分區(qū)示意圖。

圖4 計(jì)算區(qū)域示意

圖5 流場(chǎng)分區(qū)示意

如圖5示：外部流場(chǎng)A、B、C、D設(shè)定為壓力出口邊界條件，網(wǎng)格信息交界面E、F、G設(shè)定為滑移邊界條件，交界面用“interface對(duì)”來解決移動(dòng)區(qū)域和靜止區(qū)域數(shù)據(jù)交換。隧道壁面、地面和隧道進(jìn)出口面I、H，以及車體和聲屏障等都設(shè)定為無滑移固定壁面邊界條件。

通過ICEM CFD網(wǎng)格劃分工具對(duì)整個(gè)計(jì)算模型分區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，固定區(qū)域使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，移動(dòng)區(qū)域使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的混合網(wǎng)格劃分。

2 隧道口聲屏障表面上受到的列車風(fēng)荷載的計(jì)算分析

為研究列車單車高速駛過隧道口聲屏障區(qū)域時(shí)，聲屏障表面受到列車風(fēng)荷載的影響，本文計(jì)算了不同列車速度、不同隧道長(zhǎng)度和聲屏障距線路中心線不同距離等情況下，隧道進(jìn)、出口聲屏障縱向方向上0 m、5 m、10 m、20 m、30 m、40 m、50 m處受到列車風(fēng)荷載的大小，總結(jié)出了隧道口聲屏障表面上受到的列車風(fēng)荷載的分布規(guī)律[6-7]。測(cè)點(diǎn)布置如圖6、圖7示。

圖6 聲屏障上縱向測(cè)點(diǎn)位置

圖7 聲屏障上豎向測(cè)點(diǎn)位置

2.1 隧道長(zhǎng)度對(duì)聲屏障上列車風(fēng)荷載的影響

為了研究隧道長(zhǎng)度對(duì)設(shè)置在隧道口聲屏障上受到的列車脈動(dòng)風(fēng)荷載的影響，取聲屏障距線路中心線距離為3.5 m，列車單車以時(shí)速250 km分別駛過長(zhǎng)為1 443 m和786 m的隧道情況進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真模擬，隧道出口聲屏障內(nèi)側(cè)同一高度處(測(cè)點(diǎn)c)不同縱向位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)處頭波波峰和頭波波谷差值對(duì)比統(tǒng)計(jì)如表1所示。表1中頭波波峰差值和頭波波谷差值都是用786 m長(zhǎng)的隧道計(jì)算結(jié)果減1 443 m長(zhǎng)的隧道計(jì)算結(jié)果。

表1 不同縱向監(jiān)測(cè)點(diǎn)處頭波波峰和頭波波谷差值對(duì)比

注：表中△P指△P1和△P2中的最大值，P指隧道長(zhǎng)度為786 m時(shí)頭波波峰或頭波波谷壓力值。

由表1可知：在除隧道長(zhǎng)度不一樣而其它條件都相同的情況下，設(shè)置在長(zhǎng)度為1 443 m和786 m的隧道出口處聲屏障內(nèi)側(cè)同一高度處不同縱向位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)處頭波波峰和頭波波谷差值都很小，保持在5 %的范圍內(nèi)，所以，設(shè)置在隧道口的聲屏障表面上受到的列車風(fēng)荷載受隧道長(zhǎng)度的影響很小。因此，本文在后續(xù)計(jì)算分析中只考慮了隧道長(zhǎng)度為786 m的情況。

2.2 聲屏障豎向高度上的列車風(fēng)荷載的分布

為進(jìn)一步分析設(shè)置在隧道口的聲屏障在豎向高度上的列車風(fēng)荷載分布規(guī)律，我們選取了時(shí)速為300 km的列車通過設(shè)置在786 m長(zhǎng)的隧道進(jìn)、出口外的距線路中心距為3.5 m的聲屏障的情況下的計(jì)算結(jié)果。從聲屏障的底部豎直向上在其內(nèi)側(cè)均勻取6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)的布置見圖6、圖7。由于列車通過隧道口聲屏障時(shí)，頭波波峰、波谷值相對(duì)于尾波波峰和波谷幅值變化趨勢(shì)明顯，更具有代表性，所以在計(jì)算中只對(duì)頭波波峰和波谷的計(jì)算值做了分析。相關(guān)的對(duì)比圖見圖8～圖11。

圖8 隧道進(jìn)口聲屏障測(cè)點(diǎn)頭波波峰值豎向分布

圖9 隧道進(jìn)口聲屏障測(cè)點(diǎn)頭波波谷值豎向分布

從圖8和圖9可見，隧道進(jìn)口外聲屏障測(cè)點(diǎn)頭波波峰值、波谷值豎向分布都是沿著聲屏障高度向上幅值減小，聲屏障中間測(cè)點(diǎn)比始(0 m)、末(50 m)測(cè)點(diǎn)幅值減小得要快些，幅值相差大些。這是由于下部要比其頂部封閉性要好些，氣流在其下部的流動(dòng)會(huì)受到更多的限制，因此聲屏障下部結(jié)構(gòu)表面受到的列車風(fēng)荷載幅值要比頂部大些；離隧道進(jìn)口0 m和50 m處的聲屏障相對(duì)于靠近其中間部分的受到限制要少些，所以離隧道口0 m和50 m處的聲屏障的測(cè)點(diǎn)上的列車風(fēng)荷載幅值相對(duì)較小，同時(shí)由于離隧道進(jìn)口很近，會(huì)受到隧道口復(fù)雜三維流場(chǎng)的影響，造成了隧道口(0 m)處測(cè)點(diǎn)壓力變化相對(duì)較復(fù)雜。

圖10 隧道出口聲屏障測(cè)點(diǎn)頭波波峰值豎向分布

圖11 隧道出口聲屏障測(cè)點(diǎn)頭波波谷值豎向分布

由圖10、圖11可以看出，隧道出口外聲屏障豎向高度上列車風(fēng)荷載的分布規(guī)律和隧道進(jìn)口外聲屏障基本一致。對(duì)比圖8～圖11，可以發(fā)現(xiàn)，在離隧道口相同距離時(shí)，隧道出口聲屏障上的壓力幅值要比隧道進(jìn)口的要小。

2.3 列車風(fēng)荷載沿著聲屏障縱向上的分布

為研究聲屏障上受到列車脈動(dòng)風(fēng)壓幅值沿著聲屏障縱向方向上的變化規(guī)律，取聲屏障距線路中心為3.5 m時(shí)，列車分別以250 km/h、300 km/h、350 km/h的速度通過設(shè)置在隧道口的聲屏障區(qū)域，聲屏障面板豎向上中間位置(編號(hào)為c)的一縱行測(cè)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。圖12、圖13為測(cè)點(diǎn)壓力波幅值與縱向測(cè)點(diǎn)的關(guān)系曲線。

圖12 隧道進(jìn)口聲屏障縱向測(cè)點(diǎn)頭波波峰值壓力變化

圖13 隧道進(jìn)口聲屏障縱向測(cè)點(diǎn)頭波波谷值壓力變化

由圖12和圖13可知：離隧道進(jìn)口5 m范圍內(nèi)，聲屏障受隧道口三維效應(yīng)的影響較大；離隧道進(jìn)口5～20 m范圍內(nèi)受三維效應(yīng)影響相對(duì)小很多；離隧道進(jìn)口20 m以外，聲屏障就不再受到三維效應(yīng)的影響。聲屏障始(0 m)、末(50 m)端由于密閉性沒有中間部分的好，所以會(huì)在聲屏障始(0 m)、末(50 m)端造成聲屏障上受到的壓力會(huì)幅值突然減小。隧道進(jìn)口三維效應(yīng)的影響范圍和列車運(yùn)行速度關(guān)系不大，但影響強(qiáng)度隨列車運(yùn)行速度的增加而增加；在離隧道進(jìn)口相同位置處，設(shè)不設(shè)置聲屏障對(duì)隧道進(jìn)口外三維效應(yīng)的影響范圍幾乎沒有影響。

由圖14、圖15可知：越靠近隧道出口，聲屏障受隧道出口三維效應(yīng)的影響強(qiáng)度越大，列車速度越快，影響范圍也就越大，隧道出口5 m范圍內(nèi)，聲屏障上的脈動(dòng)風(fēng)壓受影響強(qiáng)度要比隧道出口5 m范圍外的大的多。在離隧道出口相同位置處，設(shè)不設(shè)置聲屏障對(duì)隧道進(jìn)口外三維效應(yīng)的影響范圍也幾乎沒有影響。

圖14 隧道出口聲屏障縱向測(cè)點(diǎn)頭波波峰值壓力變化

圖15 隧道出口聲屏障縱向測(cè)點(diǎn)頭波波谷值壓力變化

2.4 聲屏障上受列車風(fēng)壓幅值與列車運(yùn)行速度的關(guān)系

為探究聲屏障上受到的列車風(fēng)荷載幅值與列車運(yùn)行速度之間的關(guān)系，取列車以不同速度通過設(shè)置在隧道口的聲屏障區(qū)域時(shí)，聲屏障面板豎向上中間位置(編號(hào)為c)的一縱行測(cè)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析[8]，其中列車運(yùn)行速度分別取250 km/h、300 km/h、350 km/h、400 km/h，聲屏障上受到的列車風(fēng)壓幅值與列車速度的關(guān)系曲線如圖16、圖17所示。

圖16 隧道出口聲屏障頭波波峰幅值與車速的關(guān)系

圖17 隧道進(jìn)口聲屏障頭波波峰幅值與車速的關(guān)系

聲屏障表面受到列車風(fēng)荷載幅值與列車速度之間的關(guān)系曲線經(jīng)過擬合處理后，可以獲得它們之間的關(guān)系式:P=aV2+bV+c，其中P表示聲屏障表面受到列車風(fēng)荷載幅值，V表示列車速度(km/h)，a、b、c表示無量綱常數(shù)，與車速和測(cè)點(diǎn)位置有關(guān)。由此可知，列車單車通過隧道口聲屏障區(qū)域時(shí)其表面受到列車風(fēng)荷載幅值與列車速度成二次函數(shù)關(guān)系。

2.5 聲屏障上受列車風(fēng)壓幅值與其距線路中心距之間的關(guān)系

為了探究聲屏障上受列車風(fēng)荷載幅值與其距線路中心線距離之間的關(guān)系，取列車以時(shí)速350 km/h通過設(shè)置在隧道口的聲屏障區(qū)域時(shí)，聲屏障距線路中心線的距離取3.25 m、4.25 m、5 m三種情況下聲屏障面板豎向上取中間位置(編號(hào)為c)的一行測(cè)點(diǎn)結(jié)果進(jìn)行分析，聲屏障上受列車風(fēng)荷載幅值與其距線路中心線距離之間的關(guān)系曲線如圖18、圖19所示。

圖18 隧道出口聲屏障頭波波峰幅值與其距線路中心距的關(guān)系

圖19 隧道進(jìn)口聲屏障頭波波峰幅值與其距線路中心距的關(guān)系

聲屏障上受列車風(fēng)荷載幅值與其距線路中心線距離之間的關(guān)系曲線經(jīng)過擬合處理后，可以獲得它們之間的關(guān)系式:P′=a′L2+b′L+c′，其中P′表示聲屏障表面受到列車風(fēng)荷載幅值，L表示聲屏障距線路中心線距離(m)，a′、b′、c′表示無量綱常數(shù)，與聲屏障距線路中心線距離和測(cè)點(diǎn)位置有關(guān)。由此可見，列車單車通過隧道口聲屏障區(qū)域時(shí)其表面受到列車風(fēng)荷載幅值與其距線路中心線的距離也成二次函數(shù)關(guān)系。同時(shí)，我們也可以發(fā)現(xiàn),隧道口聲屏障表面受到列車風(fēng) 荷載幅值隨其距線路中心線的距離的增加成遞減變化。因此，我們得出在相同的吸聲降噪的效果下，為保證聲屏障的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和使用壽命，在環(huán)境允許的條件下，應(yīng)該盡可能地增加聲屏障距線路中心線的距離。

3 結(jié)論

本文通過對(duì)比分析隧道口聲屏障上受到的列車風(fēng)荷載與不同因素之間的關(guān)系，可以得到以下主要結(jié)論。

(1) 隧道長(zhǎng)度對(duì)隧道口聲屏障上受到的列車風(fēng)荷載影響不大，基本可以忽略隧道長(zhǎng)度的影響。

(2) 隧道口聲屏障豎向高度上受到列車風(fēng)荷載分布表現(xiàn)為：風(fēng)壓幅值從上至下增加，在其頂部區(qū)域變化率較大，底部區(qū)域幅值變化較小。

(3) 離隧道進(jìn)口5 m范圍內(nèi)，聲屏障受隧道口三維效應(yīng)的影響較大；離隧道進(jìn)口5～20 m范圍內(nèi)受三維效應(yīng)影響相對(duì)小很多；離隧道進(jìn)口20 m以外，聲屏障就不再受到三維效應(yīng)的影響。隧道進(jìn)口三維效應(yīng)的影響范圍和列車運(yùn)行速度關(guān)系不大，但影響強(qiáng)度隨列車運(yùn)行速度的增加而增加。越靠近隧道出口，聲屏障受隧道出口三維效應(yīng)的影響強(qiáng)度越大，列車速度越快，影響范圍也就越大，隧道出口5 m范圍內(nèi)，聲屏障上的脈動(dòng)風(fēng)壓受影響強(qiáng)度要比隧道出口5 m范圍外的大的多。在離隧道口相同位置處，設(shè)不設(shè)置聲屏障對(duì)隧道口外三維效應(yīng)的影響范圍幾乎沒有影響。

(4) 列車單車通過隧道口聲屏障區(qū)域時(shí)聲屏障表面受到

列車風(fēng)荷載幅值與列車速度和其距線路中心線的距離都成二次函數(shù)關(guān)系。

[1] Deng Yongquan, Xiao Xinbiao, He Bin,etal. Analysis of external noise spectrum of high-speed railway[J]. J.Cent.South Univ, 2014, 21(12): 4753-4761.

[2] G·Kouroussis, N·Pauwels, P·Brux,etal. A Numerical Analysis of the Influence of Tram Characteristics and Rail Profile on Railway Traffic Ground-Borne Noise and Vibration in the Brussels Region[J]. Science of the Total Environment, 2014, 483(13): 452-460.

[3] 廖欣，王東鎮(zhèn)，孫召進(jìn)，等. 高速列車進(jìn)出隧道噪聲問題及控制[J]. 聲學(xué)技術(shù)，2010，29(4)：324-327.

[4] 葉葵葵，張克躍，張繼業(yè)，等. 高速鐵路隧道外聲屏障氣動(dòng)荷載的數(shù)值模擬研究[J]. 四川建筑，2016，36(3)：156-160.

[5] 葉葵葵. 高速列車通過隧道口聲屏障氣動(dòng)性能及動(dòng)力特性分[D]. 西南交通大學(xué), 2016.

[6] 龍麗平，趙麗濱，劉立東. 列車致聲屏障結(jié)構(gòu)的空氣脈動(dòng)力研究[J]. 工程力學(xué)，2010，27(3)：246-250.

[7] 張亮，張繼業(yè)，張衛(wèi)華. 高速列車通過聲屏障的流固耦合振動(dòng)響應(yīng)分析[J]. 動(dòng)力學(xué)與控制學(xué)報(bào)，2014，12(2)：153-159.

[8] 李紅梅，宣言，王瀾，等. 高速鐵路聲屏障脈動(dòng)力數(shù)值模擬研究[J]. 鐵道建筑，2013，52(1)：27-30.