鐵路橋梁聲屏障氣動力初步分析

董 宇，成志強(qiáng)，朱正清

(1.西南交通大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，成都610031;2.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300040)

隨著京津城際的開通和客運(yùn)專線的運(yùn)營，列車在給人們帶來便捷交通的同時，也引發(fā)了噪聲的問題，而聲屏障是降噪的最有效手段之一。列車快速通過聲屏障產(chǎn)生的氣動力對于聲屏障的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常重要。本文應(yīng)用商業(yè)流體分析軟件FLUENT對列車在聲屏障中運(yùn)行產(chǎn)生的氣動力進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了聲屏障氣動力壓力場的分布規(guī)律，為聲屏障的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考。

1 數(shù)值模擬

1.1 工況

以客運(yùn)專線某特大橋試驗(yàn)段上的聲屏障為例，聲屏障離列車中心線3.40 m，聲屏障高2.15 m，厚度為0.15 m。列車和聲屏障之間有防撞墻，防撞墻離列車中心線為2.20 m，防撞墻高出聲屏障底部0.37 m，厚度為0.20 m。模擬中以列車在聲屏障中部的運(yùn)行速度324 km/h(90 m/s)作為模擬工況(圖1)。

圖1 數(shù)值計(jì)算中的坐標(biāo)系

1.2 幾何模型

采用三節(jié)車模型進(jìn)行模擬，即整個模型由首尾兩個車頭、中間一節(jié)車輛組成。其中車頭長25.70 m，車輛長 25.00 m，列車長、寬、高分別為 76.40、3.38、3.70 m。空氣域的上邊界距聲屏障底部10 m，左右邊界分別距離列車中心線10 m。計(jì)算區(qū)域采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格的單元數(shù)約為30萬個。

在數(shù)值模型中，聲屏障是固定不動的，列車相對聲屏障運(yùn)動。這使得計(jì)算域的網(wǎng)格需要進(jìn)行相應(yīng)的更新，以避免奇異網(wǎng)格的出現(xiàn)。在FLUENT中可采用動網(wǎng)格實(shí)施網(wǎng)格的更新，具體可通過三種方式實(shí)現(xiàn):①Smoothing Methods，這個方法用來確定網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)在下一時間步時的位置，節(jié)點(diǎn)并不增減，相應(yīng)的網(wǎng)格數(shù)量不變，但傾斜率將發(fā)生變化;② Dynamic Layering，這種方法用于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，通過判斷網(wǎng)格層之間的距離，確定網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)是否增減;③ Local Remeshing Methods，這種方法通過判斷網(wǎng)格最大、最小尺寸和最大網(wǎng)格傾斜率，確定網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)是否重生成，這種方法只適用于四面體或三角形網(wǎng)格。FLUENT對不同的方法給出了相應(yīng)的控制參數(shù)，通過設(shè)定動區(qū)域的參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)計(jì)算域的變化。在模擬中以上三種控制參數(shù)都被采用。

2 邊界條件和計(jì)算方法

2.1 邊界條件

在聲屏障入口處采用壓力入口邊界條件，入口壓力為工作環(huán)境壓力101 325 Pa;在聲屏障出口處采用壓力出口邊界條件，出口壓力亦為工作環(huán)境壓力;左右邊界及頂部的壓力為工作環(huán)境壓力;列車表面、防撞墻表面、聲屏障表面和底部邊界均采用無滑移壁面條件。由于馬赫數(shù)小于0.3［1］，空氣可視為不可壓縮氣體，其密度為 1.225 kg/m3，黏性系數(shù)為 1.789e－05 kg/m·s。

2.2 計(jì)算方法

在FLUENT軟件中采用非定常、不可壓縮的RANS方程和k(湍動能)－ε(湍動耗散率)二方程模型，對高速列車在聲屏障中部的運(yùn)行進(jìn)行數(shù)值模擬。FLUENT軟件是基于有限體積法開發(fā)的，在本文的模擬中動量、能量、k和ε方程中的對流項(xiàng)均采用一階迎風(fēng)格式求解，擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式求解，并采用SIMPLE算法解算壓力速度耦合問題。列車的運(yùn)動速度使用FLUENT的自定義函數(shù)UDF定義。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析及驗(yàn)證

3.1 聲屏障內(nèi)側(cè)的氣動力

基于以上的幾何模型和網(wǎng)格計(jì)算得到了聲屏障內(nèi)側(cè)的氣動力分布情況。

列車車頭與聲屏障的相對位置如圖2(a)所示，對應(yīng)位置的氣動力云圖如圖2(b)所示。

圖2 車頭附近聲屏障的局部氣動力

列車車尾與聲屏障的相對位置如圖3(a)所示，對應(yīng)位置的氣動力云圖如圖3(b)所示。

圖3 車尾附近聲屏障的局部氣動力

由圖4可以看到，聲屏障內(nèi)側(cè)氣動力具有明顯的“首波”和“尾波”特征，“首波”和“尾波”分別發(fā)生在車頭和車尾附近。就絕對值而言，“首波”的正壓大于負(fù)壓，“尾波”負(fù)壓略大于正壓。在列車的中部位置，聲屏障上的氣動力很小，趨近于零。

圖4 聲屏障內(nèi)側(cè)同一高度H=0上的XY圖

聲屏障內(nèi)側(cè)不同高度直線上的壓力峰值由表1所示，聲屏障內(nèi)側(cè)的壓力峰值的絕對值在聲屏障底部即H=0 m處取得最大值，沿聲屏障越往上壓力峰值的絕對值越小。同一高度直線上，“首波”比“尾波”的正壓峰值大，但“首波”的負(fù)壓峰值絕對值比“尾波”的負(fù)壓峰值絕對值小。

表1 聲屏障不同高度直線上的壓力峰值 Pa

3.2 聲屏障外側(cè)的氣動力的分布

由圖5(a)和圖5(b)可以看到列車車頭和車尾附近聲屏障外側(cè)的氣動力分布，分別在車頭和車尾附近聲屏障的外側(cè)形成一個壓力波。并且從圖5中可以看到，與聲屏障內(nèi)側(cè)的氣動力分布情況不一樣的是，沿聲屏障外側(cè)表面越往上其壓力絕對值越大。

圖5 聲屏障外側(cè)氣動力分布

圖6為聲屏障外側(cè)頂端直線的氣動力XY圖，由圖6可以知道，除了分別在車頭和車尾附近的聲屏障上會產(chǎn)生兩個壓力波外，在列車中間區(qū)域的聲屏障上的壓力值很小，趨近于零，這與聲屏障內(nèi)側(cè)的分布基本情況相同。

圖6 聲屏障外側(cè)同一高度H=2.15 m上的XY圖

3.3 實(shí)測結(jié)果

測試地點(diǎn)為紐倫堡—英戈斯塔特，測試速度為330 km/h，聲屏障高度為3 m，聲屏障與軌道中心距離為4 m，測試列車為短列車。

圖7 聲屏障內(nèi)側(cè)高度H=0 m上某點(diǎn)脈動風(fēng)壓時程

圖7為聲屏障內(nèi)側(cè)高度H=0直線上某點(diǎn)的脈動風(fēng)壓時程圖［2］，由此圖可看到，在列車車頭經(jīng)過此點(diǎn)時產(chǎn)生一個壓力波，列車車尾經(jīng)過時又產(chǎn)生一個壓力波，脈動風(fēng)壓最大值為673 Pa，最小值為 －602 Pa。

當(dāng)列車在聲屏障內(nèi)直線勻速運(yùn)行時，聲屏障上的壓力分布只是隨列車的運(yùn)動而在聲屏障上移動，其大小和分布規(guī)律都不變，所以當(dāng)圖7的橫坐標(biāo)變成時間乘以列車的運(yùn)行速度后就成為聲屏障內(nèi)側(cè)高度H=0上從車頭到車尾方向的壓力分布圖，其縱坐標(biāo)值不變，此時的圖形和圖4類似。通過圖4和圖7的峰值和曲線形狀的比較發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬所得到的結(jié)果和測試結(jié)果氣動力的規(guī)律相同，氣動力的極值有較小的差異，但由于本文所計(jì)算工況和測試工況的聲屏障高度、離外軌中心線的距離和速度均有一定差別，所以脈動風(fēng)壓值的差別也是合理的可以接受的。

4 結(jié)論

通過數(shù)值模擬得到了聲屏障氣動力分布規(guī)律，數(shù)值模擬結(jié)果得到實(shí)際測試結(jié)果的驗(yàn)證，證實(shí)了本文中聲屏障氣動力的模擬方法的可行性，該模擬方法為聲屏障的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供必要的氣動力數(shù)據(jù)。

［1］賀德馨.風(fēng)工程和工業(yè)空氣動力學(xué)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2006.

［2］德國PEC+S工程設(shè)計(jì)咨詢服務(wù)有限公司.客運(yùn)專線聲屏障咨詢報(bào)告［R］.德國:德國PEC+S工程設(shè)計(jì)咨詢服務(wù)有限公司，2007.

［3］梁習(xí)鋒，田紅旗.動力車縱向氣動力風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬［J］.國防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，25(6):101 －105.

［4］何連華，趙鵬飛.武漢站高速列車過站列車風(fēng)的數(shù)值模擬研究 ［J］.鐵道建筑，2008(8):108 －111.