全封閉聲屏障斷面尺寸對(duì)列車風(fēng)壓荷載影響規(guī)律的數(shù)值模擬

楊斌，馬西章，郭柯楨，何旭輝, 4，敬海泉, 4

全封閉聲屏障斷面尺寸對(duì)列車風(fēng)壓荷載影響規(guī)律的數(shù)值模擬

楊斌1，馬西章2，郭柯楨3，何旭輝3, 4，敬海泉3, 4

(1. 中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司，北京 100844；2. 雄安高速鐵路有限公司，河北 保定 071700；3. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075；4. 高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

為研究由列車高速通過全封閉聲屏障時(shí)誘發(fā)的氣動(dòng)效應(yīng)，探究斷面面積對(duì)聲屏障風(fēng)壓荷載的影響，基于計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT，以某時(shí)速350 km/h高速鐵路全封閉聲屏障為研究對(duì)象，對(duì)高速列車通過不同凈空面積的全封閉聲屏障過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分別從氣壓波傳播規(guī)律、聲屏障氣動(dòng)荷載變化規(guī)律以及典型截面各測(cè)點(diǎn)壓力分布3個(gè)方面開展研究。模擬結(jié)果驗(yàn)證了聲屏障內(nèi)氣壓波的傳播規(guī)律與隧道結(jié)構(gòu)類似，獲得了全封閉聲屏障氣動(dòng)壓力極值隨斷面面積變化的關(guān)系曲線，發(fā)現(xiàn)同一截面風(fēng)壓在環(huán)向存在明顯不對(duì)稱分布。本文研究成果可為全封閉式聲屏障結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

全封閉聲屏障；350 km/h；斷面尺寸；數(shù)值模擬；氣動(dòng)壓力分布

近年來，高速鐵路350 km/h的運(yùn)營(yíng)速度正在成為主流，極大地方便了人們的日常出行，提高了生活質(zhì)量和工作效率。但隨著人們環(huán)保意識(shí)的提升，高鐵噪聲對(duì)沿線自然環(huán)境及居民生產(chǎn)生活的影響也越來越受到重視。尤其是當(dāng)高鐵線路穿越噪聲敏感區(qū)域時(shí)，必須采取相應(yīng)措施對(duì)其產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行控制。聲屏障是控制噪聲的重要措施之一[1]，可以顯著降低噪聲的傳播范圍和強(qiáng)度。目前，高速鐵路聲屏障根據(jù)不同的降噪標(biāo)準(zhǔn)和工程需求呈現(xiàn)出多種結(jié)構(gòu)形式[2]，其中全封閉式聲屏障因其出色的降噪效果而廣泛應(yīng)用于對(duì)聲環(huán)境要求較為嚴(yán)苛的環(huán)境中。全封閉聲屏障能夠大幅降低環(huán)境噪聲污染的同時(shí)，因其形成相對(duì)封閉的空間，限制了其內(nèi)部氣流的流通路徑，導(dǎo)致高速列車通過聲屏障時(shí)在內(nèi)部產(chǎn)生較大的風(fēng)壓荷載，對(duì)聲屏障結(jié)構(gòu)安全構(gòu)成威脅[3]。目前，針對(duì)全封閉聲屏障列車風(fēng)荷載的研究十分稀少，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中主要參考隧道空氣動(dòng)力學(xué)的研究成果。隧道空氣動(dòng)力學(xué)作為列車空氣動(dòng)力學(xué)的一個(gè)分支，已經(jīng)取得了較多的研究成果。例如：CHEN等[4]通過模擬350 km/h高速列車通過典型的雙線隧道，討論了頭車變化段長(zhǎng)度對(duì)隧道壁面氣動(dòng)荷載的影響；NIU等[5]通過三維數(shù)值模擬的方法，研究了列車長(zhǎng)度與隧道表面的壓力波波形、壓力幅值及分布規(guī)律的影響；ZHANG等[6]選用RNG?湍流模型，模擬了高速列車進(jìn)入隧道時(shí)的脈動(dòng)風(fēng)壓分布，并探討了隧道入口斜率對(duì)列車表面脈動(dòng)風(fēng)壓的影響。韓珈琪等[7]利用數(shù)值模擬中的動(dòng)態(tài)鋪層技術(shù)，模擬了作用在聲屏障上的脈動(dòng)風(fēng)壓特性，并對(duì)不同形式聲屏障的氣動(dòng)特性進(jìn)行了討論；李志偉等[8]對(duì)兩單線隧道之間的橫通道緩解隧道內(nèi)瞬變壓力的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬,得到了當(dāng)高速列車通過有無橫通道的隧道時(shí)隧道壁面及車體表面測(cè)點(diǎn)的瞬變壓力時(shí)間歷程及其變化幅值；王英學(xué)等[9]同樣使用數(shù)值模擬方法對(duì)高速列車進(jìn)入有間縫式開口緩沖結(jié)構(gòu)的隧道的空氣動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行三維數(shù)值模擬，并且分析間縫式單、雙開口緩沖結(jié)構(gòu)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)形式；駱建軍等[10]和研究了隧道橫通道以及入口緩沖結(jié)構(gòu)對(duì)氣壓波的影響規(guī)律；馬輝等[11?12]分別研究了隧道斷面尺寸對(duì)于氣壓波大小以及車內(nèi)順便壓力的影響。高速鐵路全封閉聲屏障結(jié)構(gòu)形狀與隧道結(jié)構(gòu)類似，既有隧道空氣動(dòng)力學(xué)的研究成果對(duì)全封閉聲屏障列車風(fēng)壓荷載具有一定參考意義；然而，由于聲屏障質(zhì)量更輕、結(jié)構(gòu)更柔，因此對(duì)列車風(fēng)荷載更加敏感，既有隧道空氣動(dòng)力學(xué)研究成果無法滿足全封閉聲屏障結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求；目前針對(duì)高速鐵路列車風(fēng)導(dǎo)致全封閉聲屏障氣壓壓力分布的研究十分稀少。因此，本文以我國(guó)某高鐵線路840 m全封閉式聲屏障為研究背景，采用數(shù)值模擬方法，按照實(shí)車模型和實(shí)際運(yùn)行速度建立流固耦合模型；詳細(xì)研究了聲屏障截面尺寸對(duì)聲屏障壁面風(fēng)壓荷載的影響規(guī)律。研究成果可為今后全封閉式聲屏障的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值計(jì)算模型及測(cè)點(diǎn)布置

1.1 計(jì)算模型

綜合考慮計(jì)算效率與計(jì)算精度，本文對(duì)列車模型進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化，如圖1所示，忽略了轉(zhuǎn)向架、車門、受電弓等結(jié)構(gòu)，并對(duì)列車表面進(jìn)行光滑處理。為了更加真實(shí)模擬實(shí)際情況，采用該線路常用的CRH380A型列車，并選擇8列編組建立模型。

圖1 CRH380A型列車模型示意圖

該全封閉聲屏障位于橋梁上部，數(shù)值計(jì)算模型由立柱、橫梁、縱向連接系、單元板等組成，為了提高計(jì)算效率，模型表面進(jìn)行了平滑處理，弧形面板的半徑為3.45 m，弧頂距底部13.6 m，橋面板寬度為12.7 m。整體計(jì)算域分為3部分，如圖2所示，中間部分包含聲屏障，共840 m；為了使列車的加速過程更加充分，減小誤差，參考既有文獻(xiàn)并進(jìn)行試算以后，在中間計(jì)算域的兩端分別向兩側(cè)延伸550 m，分別為列車的加減速區(qū)域。同時(shí)，為了減小列車移動(dòng)對(duì)邊界條件造成影響，列車初始位置設(shè)置在距兩側(cè)邊界200 m處，流域的寬度和高度都設(shè)置為50 m。

單位：m

為了實(shí)現(xiàn)列車在聲屏障中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)的動(dòng)態(tài)鋪層法，將列車及列車周圍有限空間內(nèi)的流體當(dāng)作剛體，稱之為移動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域，通過加載profile文件的方式定義其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)與聲屏障的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而包含聲屏障在內(nèi)的區(qū)域稱之為靜止網(wǎng)格區(qū)域，動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域和靜網(wǎng)格區(qū)域之間通過interface交界面實(shí)現(xiàn)計(jì)算域之間的數(shù)據(jù)交換。圖3為計(jì)算域邊界條件設(shè)置示意圖。計(jì)算域的側(cè)面和頂面都采用壓力出口邊界，地面、列車以及聲屏障設(shè)置為無滑移邊界。

由于聲屏障骨架是H型鋼，結(jié)構(gòu)外形較為復(fù)雜，計(jì)算模型采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。為了更詳細(xì)地捕捉到結(jié)構(gòu)附近的流體運(yùn)動(dòng)情況，提高模擬精度，在聲屏障及靠近列車區(qū)域采用加密網(wǎng)格；而在遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)物的外部區(qū)域采用稀疏網(wǎng)格，以便提高計(jì)算效率。經(jīng)過一系列網(wǎng)格無關(guān)性試算之后，最終確定列車表面網(wǎng)格最大尺寸為0.2 m，聲屏障表面網(wǎng)格最大尺寸為0.3 m，全局網(wǎng)格最大尺寸為1 m，總網(wǎng)格數(shù)為2 400萬。

圖3 計(jì)算邊界條件設(shè)置示意圖

本文基于RANS方法，根據(jù)已有文獻(xiàn)結(jié)論[10]作為參考，選用準(zhǔn)確、高效、適用性強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)?兩方程湍流模型，也是目前工程領(lǐng)域被廣泛運(yùn)用的流體計(jì)算模型之一。

1.2 測(cè)點(diǎn)布置

本次研究總共布置有11個(gè)風(fēng)壓監(jiān)測(cè)截面，各截面位置由表1所示，依據(jù)由兩端逐漸向中間加密的原則，在接近聲屏障出入口的區(qū)域監(jiān)測(cè)截面間隔100 m，在中間區(qū)域截面間隔10 m。每個(gè)監(jiān)測(cè)截面上在聲屏障內(nèi)表面沿環(huán)向布置11個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖4所示。

表1 監(jiān)測(cè)截面編號(hào)位置

圖4 截面測(cè)點(diǎn)分布示意圖

2 模擬結(jié)果分析

2.1 壓力波傳播規(guī)律

圖5(a)為單車通過該聲屏障時(shí)氣壓波傳遞規(guī)律的示意圖，圖5(b)為單車以350 km/h經(jīng)過斷面尺寸110.5 m2聲屏障時(shí)，中間測(cè)試截面的壓力時(shí)程圖。根據(jù)列車鼻尖、車尾進(jìn)入聲屏障時(shí)形成的壓縮波、膨脹波(其中紅線表示車頭、車尾的行進(jìn)過程)以及兩者依據(jù)聲速傳播，并在洞口處以另一種波的形式返回的傳遞過程示意圖，車頭和車尾的經(jīng)過也會(huì)引起相應(yīng)位置的壓力變化，紅線表示兩者隨時(shí)間的移動(dòng)位置。以中間截面為研究對(duì)象，，，，，和6個(gè)點(diǎn)分別表示壓縮波(膨脹波)或者車頭、車尾到達(dá)中間截面的時(shí)刻，其中壓縮波到達(dá)時(shí)會(huì)使壓力增加，膨脹波到達(dá)時(shí)會(huì)使壓力減小，與已有文獻(xiàn)[6]結(jié)論一致。

(a) Sketch Map 示意圖；(b) Time history chart 時(shí)程圖

點(diǎn)表示車頭進(jìn)入聲屏障時(shí)產(chǎn)生的壓縮波以聲速到達(dá)中間截面處，對(duì)應(yīng)下圖點(diǎn)處壓力的增加；點(diǎn)表示車尾進(jìn)入聲屏障時(shí)產(chǎn)生的膨脹波到達(dá)中間截面，對(duì)應(yīng)于下圖的點(diǎn)，即鼻尖處壓力開始減?。稽c(diǎn)表示之前車頭進(jìn)入產(chǎn)生的壓縮波經(jīng)過傳遞到聲屏障的出口反射回來的膨脹波再次經(jīng)過中間截面，對(duì)應(yīng)于下圖的點(diǎn)，壓力值繼續(xù)減?。稽c(diǎn)表示車頭經(jīng)過中間截面處，對(duì)應(yīng)于點(diǎn)也體現(xiàn)出測(cè)點(diǎn)壓力的減小；和兩點(diǎn)都是因?yàn)榕蛎洸ǖ姆瓷湫纬傻膲嚎s波經(jīng)過中間截面，對(duì)應(yīng)于和點(diǎn)壓力值的增加；點(diǎn)表示車尾到達(dá)中間位置處，會(huì)引起所在位置測(cè)點(diǎn)壓力值的增加，這與點(diǎn)的變化趨勢(shì)一致。經(jīng)過對(duì)比分析，其規(guī)律與中間截面測(cè)點(diǎn)的壓力時(shí)程圖變化一致，因此可以驗(yàn)證壓力曲線的變化情況，以及解釋氣動(dòng)壓力波的傳播規(guī)律[14]。

2.2 聲屏障斷面尺寸對(duì)氣動(dòng)荷載的影響

借鑒隧道空氣動(dòng)力學(xué)的研究經(jīng)驗(yàn)采用阻塞比量化聲屏障斷面尺寸。阻塞比定義為列車橫截面積與聲屏障斷面面積的比值。本文計(jì)算的3個(gè)聲屏障斷面，如表2所示，面積分別為121.6 m2，110.5 m2和99.5 m2，對(duì)應(yīng)的阻塞比分別為1=9.6%，2=10.6%和3=11.8%。

表2 不同阻塞比工況

圖6為列車以350 km/h的運(yùn)行速度經(jīng)過不同阻塞比的全封閉聲屏障時(shí)，中間測(cè)試斷面各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓時(shí)程曲線。結(jié)果表明3種阻塞比下，截面氣動(dòng)荷載波動(dòng)趨勢(shì)基本一致，且都在6.6 s左右，即列車頭部行駛至距聲屏障入口312 m處，出現(xiàn)最大正壓；都在9.1 s左右，即列車尾部經(jīng)過中間截面，出現(xiàn)最大負(fù)壓。最大正壓和最大負(fù)壓值都隨著阻塞比的增加而增大。

圖7為最大正壓、最大負(fù)壓以及最大壓力幅值隨阻塞比的變化情況，并且采用指數(shù)函數(shù)擬合阻塞比與極值風(fēng)壓的關(guān)系，結(jié)果表明最大正壓、最大負(fù)壓以及最大壓力幅值隨阻塞比的變化規(guī)律十分 一致。

(a) R1；(b) R2；(c) R3

表3總結(jié)了3種阻塞比全封閉聲屏障各個(gè)監(jiān)測(cè)截面的最大正壓、最大負(fù)壓以及最大壓力變化幅值。結(jié)果表明，3種阻塞比下風(fēng)荷載均在中間截面取得極值，且沿兩端逐漸降低，說明3種阻塞比下中間截面均為最不利截面。阻塞比1時(shí)最大正壓為1 110 Pa，最大負(fù)壓為?1 849 Pa，壓力變化幅值為2 959 Pa；阻塞比2時(shí)最大正壓為1 305 Pa，最大負(fù)壓為?2 154 Pa，壓力變化幅值為3 459 Pa；阻塞比3時(shí)最大正壓為1 660 Pa，最大負(fù)壓為?2 729 Pa，壓力變化幅值為4 389 Pa。當(dāng)阻塞比由1增加(面積減小)10%和20%時(shí)，各測(cè)試截面的正壓力極值平均增大17.6%和49.5%，負(fù)風(fēng)壓極值平均增大16.5%和47.6%，最大壓力變化幅值平均增大16.9%和48.3%。結(jié)果證明全封閉聲屏障截面面積對(duì)于其自身的氣動(dòng)荷載影響顯著，跟隧道空氣動(dòng)力學(xué)的研究結(jié)論一致[13]。

(a) 最大正壓；(b) 最大負(fù)壓；(c) 最大壓力幅值

表3 各個(gè)阻塞比下聲屏障壁面各項(xiàng)壓力極值

圖8為3種阻塞比工況下，各個(gè)監(jiān)測(cè)截面的壓力變化幅值與距離聲屏障入口位置的關(guān)系曲線。隨著阻塞比的增加，各個(gè)截面的壓力變化幅值均增大；3種阻塞比下壓力變化幅值均呈現(xiàn)出中間高兩端低的變化規(guī)律，靠近聲屏障出入口的截面壓力變化幅值均小于中間區(qū)域的壓力變化幅值，且對(duì)稱截面的風(fēng)壓荷載基本遵循對(duì)稱原則。

圖8 不同阻塞比下各截面最大壓力變化幅值

2.3 沿聲屏障展向方向的氣動(dòng)荷載分布

圖9為3種不同阻塞比下，距全封閉聲屏障入口50 m的1號(hào)截面和距離全封閉聲屏障入口410 m的中間截面，即6號(hào)截面的典型測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓時(shí)程圖。結(jié)果顯示，不同阻塞比下同一截面上的典型測(cè)點(diǎn)氣動(dòng)荷載波動(dòng)趨勢(shì)完全一致，但是風(fēng)壓值隨著阻塞比的增大而增大，而且，中間截面的變化更顯著。

(a) 1號(hào)截面；(b) 6號(hào)截面

2.4 典型截面各測(cè)點(diǎn)的壓力分布情況

圖10為3種阻塞比下，壓力極值最大截面即6號(hào)截面上出現(xiàn)最大正壓和最大負(fù)壓時(shí)刻，各測(cè)點(diǎn)的壓力分布圖。圧力曲線在全封閉聲屏障外側(cè)為正壓、內(nèi)側(cè)為負(fù)壓，設(shè)置聲屏障外輪廓線為風(fēng)壓基準(zhǔn)線，其風(fēng)壓取值為該截面各測(cè)點(diǎn)的最小值，以便凸顯不同測(cè)點(diǎn)的差異。結(jié)果顯示，同一截面上風(fēng)壓大小沿環(huán)向存在顯著差異，阻塞比1工況下，最大正壓差為32.5%，最大負(fù)壓差為32.1%；阻塞比2工況下，最大正壓差為45.0%，最大負(fù)壓差為39.0%；阻塞比3工況下，最大正壓差為33.9%，最大負(fù)壓差為36.5%。3種阻塞比工況下，截面風(fēng)壓分布規(guī)律保持一致(即列車運(yùn)行一側(cè)的風(fēng)壓明顯高于另一側(cè))，但是風(fēng)壓值隨著阻塞比的增大而增大；由此說明聲屏障阻塞比對(duì)截面風(fēng)壓環(huán)向分布規(guī)律影響較小，對(duì)風(fēng)壓值影響顯著。

單位：Pa

3 結(jié)論

1) 列車通過全封閉聲屏障時(shí)，由列車風(fēng)導(dǎo)致的聲屏障內(nèi)部風(fēng)壓變化趨勢(shì)與氣壓波的傳播規(guī)律相吻合，可以很好地相互驗(yàn)證，證明了氣壓波傳遞的一維效應(yīng)和該模擬的有效性。

2) 不同阻塞比下，同一位置不同測(cè)點(diǎn)的氣動(dòng)荷載波動(dòng)規(guī)律基本一致，但對(duì)風(fēng)壓荷載極值影響顯著，當(dāng)阻塞比從9.6%分別增加到10.6%和11.8%時(shí)，聲屏障最大壓差幅值平均增加16.9%和48.3%，呈指數(shù)增長(zhǎng)。

3) 各阻塞比下聲屏障中間斷面的極值風(fēng)壓荷載最大，為荷載控制截面，沿兩端出入口方向極值風(fēng)壓逐漸減小；同截面聲屏障上環(huán)向測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓變化趨勢(shì)基本一致，但同一截面風(fēng)壓大小存在顯著差異，最高達(dá)到45%。

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Numerical simulation of the influence of the section size of the fully-enclosed sound barrier on aerodynamic load

YANG Bin1, MA Xizhang2, GUO Kezhen3, HE Xuhui3, 4, JING Haiquan3, 4

(1. China Railway, Beijing 100844, China;2. Xiong’an High Speed Railway Co., Ltd., Baoding 011700, China;3. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;4. National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction, Changsha 410075, China)

In order to study the aerodynamic effect induced by the high speed train passing through the fully-enclosed sound barrier and to explore the influence of the cross-section area on aerodynamic load of the sound barrier, this paper simulates the process of a high-speed train passing through the full closed sound barrier with different clearance areas under the speed of 350 km/h using the computational fluid dynamics software FLUENT. The propagation law of pressure wave, the change law of aerodynamic load of sound barrier and the pressure distribution on typical measuring section were analyzed. The simulation results verify that the propagation law of the air pressure wave in the sound barrier is similar to that in tunnels. The variation curve of maximum value of the aerodynamic pressure of sound barrier changing with the section area is obtained. In addition,it is observed that the maximum value of the aerodynamic pressure has an inhomogeneous distribution in the same section. The research results provide the theoretical basis for the structural design of fully-enclosed sound barrier.

fully-enclosed sound barrier; 350 km/h high speed railway; section size; numerical simulation; aerodynamic load distribution

U491

A

1672 ? 7029(2020)12 ? 3013 ? 08

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200141

2020?02?24

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFB1201204)；中國(guó)鐵路總公司科研課題(P2018G004)；國(guó)家自然科學(xué)基金“杰青”資助項(xiàng)目(51925808)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(U1934209)；中南大學(xué)研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(1053320182068)

敬海泉(1987?)，男，重慶人，副教授，博士，從事橋梁風(fēng)致振動(dòng)及其控制、斜拉索風(fēng)雨振、尾流馳振機(jī)理及其控制措施研究；E?mail：hq.jing@csu.edu.cn

(編輯 涂鵬)