下?lián)舯┝鲗Ω咚勹F路聲屏障氣動特性的影響

林仁坤，黃莎，李志偉，吳京龍，楊龍飛

（五邑大學(xué) 軌道交通學(xué)院，廣東 江門 529020）

因結(jié)構(gòu)簡單、降噪性能良好等優(yōu)勢，聲屏障在鐵路建設(shè)中被廣泛應(yīng)用[1].然而，聲屏障外形呈鈍體，在惡劣風環(huán)境作用下其氣動性能顯著惡化，常常因結(jié)構(gòu)被破壞而被吹起，撞擊經(jīng)過車輛和行人引發(fā)安全隱患.下?lián)舯┝魇怯蓮娤鲁翚饬鲃×覜_擊地面而形成的一種近地面短時破壞性強風[2]，多發(fā)生在熱帶和亞熱帶氣候地區(qū)，具有突發(fā)性強、破壞性大等特點.近年來，下?lián)舯┝髟谑澜绺鞯仡l發(fā)，造成了不同程度的經(jīng)濟損失，這種災(zāi)害性氣象引起了風工程研究者們的重視[3-4].貴州壩陵河大橋在2016 年遭遇下?lián)舯┝鳛?zāi)害，橋上瞬時風速最高達到34 m/s，橋上部分設(shè)施遭到破壞[5].Chay 等[6-7]結(jié)合了風場實測數(shù)據(jù)，驗證了數(shù)值模擬方法在研究下?lián)舯┝魃系目尚行?目前，下?lián)舯┝髯饔孟妈F路聲屏障的相關(guān)研究還處于探索階段[8]，為保證聲屏障在此類極端天氣影響下的結(jié)構(gòu)安全，避免對經(jīng)過列車和行人造成傷害，有必要對聲屏障在下?lián)舯┝鳝h(huán)境影響下的氣動特性開展研究，為其結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計提供依據(jù).

本文采用基于RNGk-ε湍流模型的數(shù)值仿真方法，研究下?lián)舯┝髯饔孟妈F路聲屏障所受氣動載荷和周圍流場變化規(guī)律，分析距風場中心不同徑向位置和下?lián)舯┝黠L速等參數(shù)對聲屏障氣動特性的影響，以期為保障鐵路沿線設(shè)施安全提供理論依據(jù).

1 數(shù)值計算模型

1.1 下?lián)舯┝黠L場建模

壁面射流模型又稱為沖擊射流模型[9]，該模型主要研究下沉氣流沖擊地面后形成的外流，故本文采用沖擊射流模型模擬下?lián)舯┝黠L場.如圖1 所示，射流入口設(shè)定為圓形，射流直徑Djet= 300 m.計算域的長和寬均為D=5Djet，高H= 4Djet，射流入口距離地面高度Z= 2Djet.為了準確模擬下?lián)舯┝黠L場，需要合理定義風場的邊界條件，地面采用壁面條件，風場四周和頂部設(shè)置為壓力出口，射流管壁面采用滑移壁面邊界條件，射流入口給定速度入口，以模擬下沉氣流噴發(fā)的過程.

圖1 計算域及邊界條件

1.2 橋-聲屏障模型建立

本文選用厚度為0.05 m，高度為3 m 的直立式聲屏障作為研究對象，將其設(shè)置在距地面高度為15 m 的橋面上，如圖2 所示.橋上聲屏障模型總長度為700 m，其長度中心位于下?lián)舯┝魃淞魅肟谥行妮S位置，如圖3 所示.研究不同位置工況時，將橋上聲屏障模型沿射流入口徑向位置移動即可.

圖2 橋上聲屏障模型截面示意圖

圖3 風場-橋上聲屏障計算域及邊界定義

1.3 網(wǎng)格劃分

計算模型采用切割體網(wǎng)格劃分策略，由于橋上聲屏障為主要研究對象，對其表面及附近網(wǎng)格進行加密處理，網(wǎng)格單元尺度約為0.15 m，聲屏障表面網(wǎng)格向空間延伸過渡層為10 層.考慮到模型的計算精度和計算成本，最終網(wǎng)格總數(shù)量約為1 500 萬，計算網(wǎng)格如圖4 和圖5 所示.

圖4 風場橫截面網(wǎng)格圖

圖5 橋上聲屏障及附近網(wǎng)格加密

1.4 湍流模型及求解設(shè)置

由于本文研究的下?lián)舯┝黠L場最大風速為35 m/s，因此采用三維、不可壓縮RNGk-ε湍流模型對下?lián)舯┝髁鲌鲞M行模擬，該湍流模型在標準k-ε模型的基礎(chǔ)上做了相應(yīng)改進，提高了旋渦流動的精度.由于k-ε湍流模型普遍用于求解充分發(fā)展的湍流，而近壁面處雷諾數(shù)較低，湍流發(fā)展不充分，因此近壁面處采用標準壁面函數(shù)處理.壓力—速度耦合格式采用SIMPLEC 算法求解，控制體中的壓力梯度采用格林—高斯基于單元體方法計算，控制方程壓力項采用標準格式離散，動量、湍流動能和湍流耗散率均采用二階格式離散.

1.5 聲屏障監(jiān)測單元布置

為監(jiān)測不同位置聲屏障受下?lián)舯┝饔绊懙臍鈩犹匦?，需要在不同縱向位置布置監(jiān)測單元.文獻[10]對聲屏障的屏體寬度給出了1.5 m 為節(jié)點的區(qū)間范圍，實際應(yīng)用中聲屏障單元通常設(shè)計為2 m 或2.5 m，因此本文采用了以2 m 為單元的聲屏障.考慮到下?lián)舯┝髦睆紻jet= 300 m，聲屏障上監(jiān)測單元布置如圖6 所示，其中，0 表示位于下?lián)舯┝黠L場射流入口中心軸位置監(jiān)測單元，-2 和2 表示位于下?lián)舯┝黠L場射流入口邊緣位置監(jiān)測單元.除了位于下?lián)舯┝髡路降穆暺琳蠁卧粎^(qū)分近風場中心側(cè)、背風場中心側(cè)，其他位置工況下靠近風場中心的聲屏障一側(cè)為近風場中心側(cè)，另一側(cè)則為背風場中心側(cè).

圖6 監(jiān)測單元布置編號示意圖

2 數(shù)值計算結(jié)果分析

2.1 下?lián)舯┝黠L場特性

選取風速為Vjet= 25 m/s 的下?lián)舯┝鞣治鲲L場特性，從圖7 看出，風場射流入口區(qū)域的氣流流動方向為豎直向下，風速較大，但由于空氣粘性作用，在風場直徑邊緣區(qū)域流速逐漸降低為零；靠近地面時，風速開始減弱，當氣流撞擊地面后，流動被滯止，風場中心軸位置流速接近零，但撞擊地面后，流場向四周擴散，由豎直流動轉(zhuǎn)為水平流動，水平風速大小隨著高度增加而表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢.通過把水平風速與入口速度進行了歸一化處理，風口高度與射流直徑進行歸一化處理，本次仿真數(shù)據(jù)提取徑向距離r/Djet= 1.00位置的風速廓線與文獻[11]的風速廓線進行匹配.從圖8 看出數(shù)值模擬風場的風速變化趨勢與其他試驗數(shù)據(jù)有較高的一致性，且數(shù)值計算結(jié)果與參考文獻結(jié)果誤差最大為9%，滿足誤差要求，驗證本文建立風場模型能夠較準確地模擬下?lián)舯┝黠L場特性.

圖7 下?lián)舯┝魉俣仍茍D

圖8 計算結(jié)果對比驗證

為研究不同風速下?lián)舯┝鞯挠绊懀疚姆謩e取Vjet1= 15 m/s、Vjet2= 25 m/s 和Vjet3= 35 m/s3 個風速下的下?lián)舯┝黠L場速度云圖，如圖9 所示，同時亦對不同徑向位置風速分布曲線進行比較，如圖10所示.通過比較不同速度下的風場速度云圖和風速分布曲線可以發(fā)現(xiàn)，下?lián)舯┝黠L速對風場分布規(guī)律影響不大，僅表現(xiàn)為風速大小隨著風場射流速度的變化而變化.

圖9 下?lián)舯┝鞲魉俣认嘛L場中心云圖

圖10 不同徑向位置豎向風剖線

2.2 聲屏障周圍流場與壓力分布

為研究距離下?lián)舯┝髦行牟煌瑥较蚓嚯x的橋上聲屏障受到的氣動變化規(guī)律，本文將橋上聲屏障模型分別放置于距風場中心軸線徑向距離分別為0Djet、0 .50Djet、0 .67Djet、0 .83Djet、1 .00Djet和 1.25Djet共6 個位置.圖11 給出了橋上聲屏障在Vjet1= 15 m/s下?lián)舯┝黠L場不同徑向距離的中心橫截面速度流線圖，可以看出：當橋上聲屏障位于風場中心時，氣流方向豎直向下，此時周圍氣流流速較低，當氣流撞擊聲屏障時產(chǎn)生分離，并在橋梁底部形成兩個旋向相反且對稱的渦漩；當橋上聲屏障逐漸遠離風場徑向中心時，其附近風場流速隨之增加，氣流在聲屏障近風場中心側(cè)開始分離，在橋上兩側(cè)聲屏障之間以及背風場中心側(cè)聲屏障遠離風場一端形成渦旋.隨著徑向距離的增加，兩聲屏障之間的旋渦逐漸向背風場中心側(cè)聲屏障方向移動，使得背風場中心側(cè)聲屏障內(nèi)側(cè)面由正壓逐漸減小至負壓.

圖11 橋上聲屏障模型中心截面速度流線圖

橋上聲屏障在Vjet1= 15 m/s下?lián)舯┝黠L場不同徑向距離的橫截面處壓力云圖如圖 12 所示.從圖中觀察得知，當模型位于風場中心正下方時，此時聲屏障和橋體主要受到風場正向壓力的主導(dǎo)作用.然而，隨著模型遠離風場中心，氣流逐漸由下沉氣流轉(zhuǎn)為平運動氣流，聲屏障周圍壓力發(fā)生明顯變化，開始出現(xiàn)近風場中心側(cè)與背風場中心側(cè)的壓力差.當模型位于 0.50Djet時，聲屏障近風場中心側(cè)和橋面仍受到正向壓力，而聲屏障背風場中心側(cè)和橋梁底部開始呈現(xiàn)負壓狀態(tài)；當模型位于 0.83Djet時，正向壓力主要在模型近風場中心側(cè)區(qū)域分布，兩聲屏障之間由正壓減小至負壓分布；隨著徑向距離增加，當模型位于 1.00Djet時，兩聲屏障之間負壓值達到最大，隨后由于周圍流場流速逐漸減小，負壓作用呈減弱的趨勢.

圖12 不同位置橋—聲屏障中心截面壓強云圖

2.3 聲屏障氣動載荷分析

鐵路聲屏障在下?lián)舯┝髯饔孟庐a(chǎn)生氣動載荷變化，從而造成聲屏障對鐵路線路上的安全威脅.因此，對風場中心不同徑向距離的聲屏障氣動載荷影響進行分析.不同徑向位置聲屏障監(jiān)測單元側(cè)向力變化情況如圖13 所示.從圖中可以看出：當聲屏障位于靠近風場中心軸位置時，沿聲屏障長度方向各監(jiān)測單元側(cè)向力變化不大；但當聲屏障距風場中心軸徑向距離大于 0.50Djet后，長度方向靠近風場中心軸的監(jiān)測單元側(cè)向力較大，隨后向兩側(cè)（遠離風場中心）逐漸減小.背風場中心側(cè)各監(jiān)測單元受氣動載荷規(guī)律與近風場中心側(cè)基本相似.根據(jù)力的變化，可將聲屏障分為3 個區(qū)段，依次為中心段（監(jiān)測單元編號為 -1、0 和1），即下?lián)舯┝魃淞魅肟谌?nèi)；過渡段（監(jiān)測單元編號為 -2、2），即下?lián)舯┝魃淞魅肟谌吘?；外圍段（監(jiān)測單元編號為 -5、-4、-3 和3、4、5），即為下?lián)舯┝魃淞魅肟谌ν猓渲兄行亩伪O(jiān)測單元受到氣動效應(yīng)影響最大，即聲屏障距風場中心軸線縱向距離主要影響范圍在下?lián)舯┝黠L場射流入口圈內(nèi).

圖13 不同徑向位置聲屏障各監(jiān)測單元側(cè)向力變化

為了分析聲屏障側(cè)向力隨徑向距離變化規(guī)律，圖14 給出了兩側(cè)聲屏障在Vjet1= 15 m/s 下?lián)舯┝黠L場不同徑向位置的最大側(cè)向力變化，圖14-a 可以看出：隨著風場徑向距離的增加，近風場中心側(cè)聲屏障的側(cè)向力呈現(xiàn)出不斷遞增的趨勢，當聲屏障位于 1.00Djet時所受到的側(cè)向力最大，當徑向距離大于 1.00Djet后，其側(cè)向力數(shù)值呈現(xiàn)下降的趨勢.圖14-b 為不同徑向位置聲屏障背風場中心側(cè)最大側(cè)向力變化情況，隨著徑向距離的增加，其背風場中心側(cè)產(chǎn)生氣流阻礙作用愈加明顯，背風場中心側(cè)聲屏障側(cè)向力在 0.75Djet后由正向變?yōu)樨撓?，但其?cè)向力絕對值依舊在 1.00Djet位置時達到最大.對比兩側(cè)聲屏障側(cè)向力，近風場中心側(cè)受風場氣動效應(yīng)影響更為劇烈.

圖14 不同徑向位置聲屏障監(jiān)測單元最大側(cè)向力隨徑向距離變化

2.4 不同下?lián)舯┝黠L速下橋上聲屏障氣動特性分析

橋上聲屏障位于下?lián)舯┝黠L場中心徑向位置為y= 1.00Djet時受到的氣動效應(yīng)最明顯，為探究不同風速下?lián)舯┝鲗蛏下暺琳蠚鈩犹匦缘挠绊?，對下?lián)舯┝黠L場風速分別為Vjet1= 15 m/s、Vjet2= 25 m/s 和Vjet3= 35 m/s時，位于徑向距離y= 1.00Djet時的橋上聲屏障氣動特性進行分析.

聲屏障在不同風速下?lián)舯┝饔绊懴缕渎暺琳媳O(jiān)測單元側(cè)向力變化如圖 15 所示.隨著下?lián)舯┝黠L速增加，近風場中心側(cè)聲屏障受到水平風速流速增大，因而其側(cè)向力數(shù)值整體呈現(xiàn)遞增趨勢，而其長度方向監(jiān)測單元側(cè)向力分布規(guī)律保持不變.背風場中心側(cè)聲屏障側(cè)向力與近風場中心側(cè)變化規(guī)律表現(xiàn)一致，其絕對值整體變化隨著風速的增加而呈遞增趨勢.

圖15 不同風速下聲屏障監(jiān)測單元側(cè)向力圖

為了得到聲屏障側(cè)向力與風速間的關(guān)系，圖16 給出了聲屏障監(jiān)測單元最大側(cè)向力絕對值隨下?lián)舯┝黠L場風速的變化曲線，可以看出，兩側(cè)聲屏障側(cè)向力最大絕對值均與風速的平方近似成正比.

圖16 聲屏障最大側(cè)向力絕對值隨下?lián)舯┝黠L速變化曲線

3 結(jié)論

通過對下?lián)舯┝髯饔孟赂咚勹F路聲屏障氣動特性影響進行分析可以得到：1）沿聲屏障長度方向，當聲屏障位于靠近風場中心軸位置時，各監(jiān)測單元側(cè)向力變化不大.但當聲屏障距風場中心軸徑向距離大于 0.50Djet后，長度方向靠近風場中心軸的監(jiān)測單元側(cè)向力較大，隨后向兩側(cè)（遠離風場中心）逐漸減小，聲屏障距風場中心軸線縱向距離主要影響范圍在下?lián)舯┝黠L場射流入口圈內(nèi)；2）隨著風場徑向距離的增加，近風場中心側(cè)聲屏障的側(cè)向力呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，當聲屏障位于 1.00Djet時所受到的側(cè)向力最大.背風場中心側(cè)聲屏障側(cè)向力在 0.75Djet后由正向變?yōu)樨撓?，但其?cè)向力絕對值同樣在 1.00Djet位置時達到最大.對比兩側(cè)聲屏障側(cè)向力，近風場中心側(cè)受風場氣動效應(yīng)影響更為劇烈；3）隨著下?lián)舯┝黠L速增加，兩側(cè)聲屏障側(cè)向力均逐漸增大，并與下?lián)舯┝黠L速的平方近似成正比.

本文研究結(jié)果可為橋上聲屏障在下?lián)舯┝髯饔孟碌慕Y(jié)構(gòu)安全提供重要的理論依據(jù)，但本次選擇的模型尺寸較為單一，后期將進一步針對不同設(shè)計尺寸的聲屏障模型開展全面的模擬與分析.