自然風(fēng)作用下高速鐵路聲屏障的數(shù)值模擬研究

王宏朝,王東霞,劉萌萌,田彥彥

（鄭州華信學(xué)院,河南新鄭,451150）

0 引言

為了降低列車行駛過程中所引起的噪聲污染，需要在鐵路與居民區(qū)之間安置聲屏障。高速列車在通過聲屏障的瞬間會形成瞬態(tài)脈動壓力沖擊，國內(nèi)外已發(fā)生多個聲屏障由脈動力沖擊而遭破壞的案例，而往往聲屏障所受到的工況為列車風(fēng)致脈動力和自然風(fēng)荷載等載荷的綜合作用，特別在沿海的多風(fēng)地區(qū)，自然風(fēng)荷載的作用更為顯著，這就使得在對聲屏障進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須考慮其抗風(fēng)壓性能。

故本文利用計算流體力學(xué)軟件Fluent，通過將自然風(fēng)場引入計算域，對在列車風(fēng)致脈動力與自然風(fēng)荷載聯(lián)合作用下的高速鐵路聲屏障進行數(shù)值模擬，分析兩類載荷的疊加方式，并推導(dǎo)出峰值壓力的理論公式，研究結(jié)果對聲屏障的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。

1 建立仿真模型

1.1 數(shù)學(xué)模型

因高速列車行駛車速一般低于350km/h，對應(yīng)馬赫數(shù)Ma小于0.3，故列車運行時的外流場一般按不可壓縮定常流動處理，又因雷諾數(shù)大于106，流體處于湍流狀態(tài)。通過綜合比較，本文采用 兩方程模型。

1.2 幾何模型

本次仿真中參考CRH2車型對計算域進行建模，并以Parasolid格式進行導(dǎo)出。鑒于計算機的性能，該模型無法完全模擬列車的真實情況，必須對其進行一定的簡化，如去掉受電弓、縮短車身長度等。另外，通過試算確定計算域的尺寸，最終所得計算域具體參數(shù)為200m×50m×10m，其中列車長100m，聲屏障150m×3.15m×0.2m，其距內(nèi)軌中心距為3.8m，列車底部距地面0.2m。

2 仿真結(jié)果及分析

2.1 自然風(fēng)影響下聲屏障表面不同高度上的壓力分布及其分析

在此基礎(chǔ)上引入自然風(fēng)場，得到聲屏障12個不同高度上的風(fēng)壓曲線，如圖1所示，由圖可以看出，與無風(fēng)狀態(tài)相比，聲屏障所受的自然風(fēng)荷載和列車風(fēng)致脈動力的復(fù)合載荷呈現(xiàn)出完全相反的變化趨勢，在1.8m以下風(fēng)壓曲線基本重合，而高于1.8m以上的部分，其脈動風(fēng)壓沿著聲屏障高度方向逐漸增大，且增大趨勢逐漸加快，這是由于在此高度范圍內(nèi)，列車與聲屏障之間產(chǎn)生一個低壓渦流，加大了聲屏障近車面上所受到的峰值負壓。

2.2 不同風(fēng)速對聲屏障表面峰值壓力的影響

由于作用在聲屏障上的自然風(fēng)荷載為穩(wěn)態(tài)載荷，現(xiàn)假設(shè)其作為固定值線性疊加至列車風(fēng)致脈動力中去。式3-1為無自然風(fēng)狀態(tài)下的列車風(fēng)致脈動力峰值的計算公式：

式中，表示聲屏障表面至鄰近線路中心線的距離系數(shù)，具體計算公式為 ； 表示聲屏障距軌道中心距，本文取3.8m；列車形狀系數(shù) ； 表示列車車速(m/s)。

由文獻[4]可知聲屏障所受自然風(fēng)荷載的理論計算公式為：

式中，為空氣密度，取 ； 為自然風(fēng)速(m/s)。

由此可推導(dǎo)出其所受峰值壓力W的經(jīng)驗公式如式3-3所示：

為驗證該公式的準(zhǔn)確性，在給定的車速（350km/h）與風(fēng)向角下，選取4個不同風(fēng)速等級：8級(20m/s)、9級(24m/s)、10級(28m/s)、11級(32m/s)，迭代收斂后得到聲屏障近車面上同一高度下的峰值壓力，結(jié)果如表1所示。由表中數(shù)據(jù)可以看出，誤差已遠遠超出可接受的范圍，并隨著風(fēng)速的增大而增大，表明自然風(fēng)荷載和列車風(fēng)致脈動力之間并非是簡單的線性疊加，兩者間存在著顯著的耦合作用。

表1 數(shù)值模擬結(jié)果與理論公式計算結(jié)果的誤差

2.3 復(fù)合載荷理論計算公式的提出及驗證

自然風(fēng)荷載和列車風(fēng)致脈動力復(fù)合疊加后所產(chǎn)生的峰值壓力相比兩者的線性疊加值要大，且差值百分比隨著風(fēng)速的提高而不斷加大，圖2為兩者差值百分比與風(fēng)速等級的關(guān)系曲線，由圖我們可以看出，兩者間呈現(xiàn)出明顯的線性遞增關(guān)系，這是由于兩者的耦合作用所造成的，借助MATLAB cftool工具可擬合出復(fù)合載荷峰值壓力差值百分比的計算公式3-4，該公式的相關(guān)系數(shù)R2=0.9917，具有相當(dāng)高的可信度。

式中代表差值百分比。并結(jié)合式3-3重新推導(dǎo)出復(fù)合載荷作用下聲屏障所受脈動峰值壓力的理論計算公式，如下：

3 結(jié)論

圖1 自然風(fēng)影響下聲屏障不同高度上的風(fēng)壓曲線（單位：Pa）

圖2 復(fù)合載荷峰值壓力差值百分比與風(fēng)速的關(guān)系擬合曲線

本文通過對復(fù)合載荷作用下的聲屏障外流場進行數(shù)值模擬，得到了在自然風(fēng)荷載的作用下，高速鐵路聲屏障不同高度上的脈動風(fēng)壓的分布規(guī)律，通過對各工況下聲屏障表面所受峰值壓力的分析可以得出兩類載荷的疊加方式，并擬合出峰值壓力的理論計算公式，經(jīng)驗證該公式具有較高的精確度，可用于工程上的試算。

[1]伍志英.高速鐵路聲屏障空氣動壓力數(shù)值模擬與分析[D].西南交通大學(xué)碩士論文,2007(6).

[2]胡喆.新型高速鐵路聲屏障動力性能的計算機模擬[J].鐵道工程學(xué)報,2010(12):81-84.

[3]鄧躒,施洲.臺風(fēng)地區(qū)高速鐵路混凝土聲屏障結(jié)構(gòu)分析研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2009(7):149-154.

[4]趙麗濱等.列車風(fēng)致脈動力下聲屏障的動力學(xué)性能[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報,2009(4):505-508.

[5]德國PEC+S工程設(shè)計咨詢服務(wù)有限公司.客運專線聲屏障咨詢報告[R].2007.

[6]羅攀.車輛擾動下高架道路聲屏障風(fēng)荷載的數(shù)值模擬[J].上海公路,2011(2):26-28.