高速鐵路隧道外聲屏障氣動荷載的數值模擬研究

葉葵葵， 張克躍， 張繼業， 石小林

(1.西南交通大學力學與工程學院，四川成都 610031；2.西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，四川成都 610031))

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高速鐵路隧道外聲屏障氣動荷載的數值模擬研究

葉葵葵1， 張克躍1， 張繼業2， 石小林1

(1.西南交通大學力學與工程學院，四川成都 610031；2.西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，四川成都 610031))

【摘要】采用計算流體力學的數值計算方法對基于三維、瞬態、可壓縮的Navier-Stokes方程和κ-ε兩方程紊流模型進行求解，建立了250 km/h標準動車組單車通過隧道外聲屏障的計算模型，對聲屏障上產生的氣動力進行數值模擬。隧道外聲屏障離鐵路近側線路中心距分別取3.5 m、4.25 m、5.0 m，分析和研究了氣動力沿隧道外聲屏障豎向、縱向和橫向的變化規律。由此得出：隧道進、出口外的聲屏障會受到洞口附近三維效應的影響，影響強度進口比出口要大，影響范圍出口在20 m內、進口在10 m內，離洞口越近，影響效應越大；當聲屏障與近側線路中心距取值在3.5～5 m之間時，聲屏障所受氣動力與距近側線路中心距近似成線性關系；距隧道洞口相同距離位置處的聲屏障上受到的氣動力最大幅值，進口外的聲屏障要比出口外的聲屏障大。

【關鍵詞】標準動車組；隧道；聲屏障；氣動力

隨著列車速度的提高，列車高速運行時產生的氣動噪聲和輪軌噪聲也越來越大，當列車通過隧道時，會產生一系列復雜的氣動效應，在隧道口產生嚴重的噪聲污染，給隧道口附近的居民帶來嚴重的噪聲污染，所以在隧道口附近設置聲屏障可以有效降低列車通過隧道時向外輻射的噪聲[1-3]。對于隧道外的聲屏障，由于其距離軌道很近又在隧道口附近，當列車通過時，會受到隧道口附近復雜的三維流場的影響，使聲屏障承受了復雜的動態風荷載[4-5]。

高速鐵路聲屏障不但要保證有效的降噪作用，而且也要保證結構的安全性和耐久性，所以隧道外聲屏障受到的氣動力更需要進一步深入研究。

1列車通過隧道外聲屏障的脈動力計算

1.1計算模型

高速列車通過隧道引起的空氣流動是三維、非穩態、可壓縮的湍流流動。由于模擬計算車速取250km/h，并且隧道內的空氣受到隧道壁的限制，空氣流動需要當作可壓縮處理。對粘性、可壓縮的基本方程進行雷諾時均化，并附加κ-ε方程湍流模型來求解列車通過隧道外聲屏障上的氣動力。

列車模型采用8車編組，分為頭車、尾車及6節中間車，中間車長度為25m，車寬3.36m，車高3.86m，最大橫截面面積為12.257m2，隧道阻塞比為0.122。考慮到計算機的硬件條件和計算時間，忽略了車體外部復雜結構細節，如受電弓、車門、車窗、轉向架、風擋等。列車計算簡化模型如圖1所示。

在高速列車通過隧道外的聲屏障的氣動特性分析中，線路考慮為雙線，線間距為5m，隧道進口和出口在縱向都布置長50m、高4m的聲屏障，在橫向上聲屏障離近側線路中心線距離L分別取3.5m、4.25m、5m來計算[6-8]。列車通過隧道外聲屏障時，計算模型布置如圖2所示，CFD仿真分析模型見圖3。

圖1　列車幾何模型

圖2　計算模型布置示意(單位：m)

圖3　列車過隧道外聲屏障區域示意

由于聲屏障實際結構比較復雜，在計算中對它進行了光滑處理，將其視為一定厚度的平板，忽略了立柱、基礎等結構。

隧道斷面模型如圖4所示，列車底部距離地面0.376m，復線線路中線距離為5m。

圖4　隧道橫斷面

1.2計算區域

建立計算區域時，考慮到流場的充分發展以及氣流的繞流影響，所以選取計算區域，如圖5所示。采用FLUENT中網格滑移方法模擬列車與隧道及聲屏障之間的相對運動，整個計算區域網格劃分為移動部分和固定部分，其中列車周圍網格以列車運行速度滑移，剩下的都是固定區域，固定部分和移動部分的網格信息通過交界面(interface)來傳遞，列車表面、隧道壁面和地面及聲屏障都設定為無滑移壁面邊界，采用無滑移壁面函數模擬，外流域設定為壓力出口邊界條件。

圖5　計算區域示意

隧道長度L按照最不利隧道長度給定，計算公式為：

(1)

式中：l為列車的整車長度，此處取200m；v為列車的速度，此處取250km/h；c為聲速，取340m/s。

根據式(1)可以得到隧道長度為1 443m，外流場長度取650m，外流場高度取60m。初始時刻，列車鼻尖距離隧道入口100m，聲屏障同時布置在隧道進、出口處。

2高速列車作用于隧道外聲屏障上風荷載CFD計算結果分析

2.1豎直聲屏障CFD結果分析

當列車以250km/h的速度通過隧道外的聲屏障區域時，通過CFD分析聲屏障承受氣動力作用。計算結果中，主要提取隧道進、出口外，自隧道口算起，向外輻射的聲屏障上0m、10m、20m、30m、40m、50m處的計算結果。

隧道進口聲屏障上某些具有代表性的測點壓力變化曲線如圖6、圖7所示。隧道出口聲屏障上某些測點壓力變化曲線如圖8、圖9所示。

圖6　離隧道進口0 m處聲屏障上測點壓力時程曲線

圖7　離隧道進口40 m處聲屏障上測點壓力時程曲線

圖8　離隧道出口0 m處聲屏障上測點壓力時程曲線

圖9　離隧道出口40 m處聲屏障上測點壓力時程曲線

由圖6～圖9可以看出，在高速列車突入隧道洞口和列車高速從隧道駛出時會產生復雜的三維紊流流場，會引起隧道出、入口處壓力突變，在隧道口會形成復雜的三維模式，這種三維模式下對隧道口外的聲屏障產生的影響會隨著離隧道口的距離的增加有所減緩，最后達到某個距離就會消失。同時我們也發現，隧道進口和出口附近的三維效應明顯不同，這是由于隧道進口處的流場是由無限邊界向有限邊界過渡的一個流場，而出口處的流場是由有限邊界向無限邊界過渡的一個流場，所以會造成這種截然相反的影響效應，我們還可以發現隧道進口外的聲屏障受三維效應的影響要大于隧道出口外的聲屏障。

2.2聲屏障CFD計算結果豎向分析

2.2.1隧道出口外的聲屏障

以距線路中心線4.25m為例，高速列車通過隧道出口外的聲屏障計算結果表明，在聲屏障的高度方向上，氣動力分布有一定的差異，250km/h列車通過隧道時 ，沿聲屏障高度方向的氣動力分布如圖10～圖13所示。

圖10　隧道出口外聲屏障測點頭波波峰值豎向分布

圖11　隧道出口外聲屏障測點頭波波谷值豎向分布

圖12　隧道出口外聲屏障測點尾波波谷值豎向分布

圖13　隧道出口聲屏障測點尾波波峰值豎向分布

從圖10～圖13中可見，隧道出口外聲屏障測點頭波波峰值、波谷值和尾波波峰值豎向分布都是沿著高度向上幅值減小，中間測點比始、末端測點幅值減小得要快些，幅值相差大些，尾波波谷值沿高度方向上變化較小[8-9]。

在列車通過隧道外的聲屏障區域時，沿聲屏障縱向的氣動荷載也有一定的差異。列車以 250km/h通過隧道外的聲屏障過程中，聲屏障承受最大壓力沿縱向分布圖如圖14、圖15所示。

圖14　隧道出口外聲屏障測點頭波波峰值縱向分布

圖15　隧道出口聲屏障測點頭波波谷值縱向分布注：圖中虛線代表沒設聲屏障的情況下對應測點受到氣動力情況。

由圖14和圖15可知：離隧道出口越近，聲屏障受隧道口的三維效應的影響越大，影響范圍在隧道出口20m內。聲屏障末端由于密閉性沒有中間部分的好，所以會在聲屏障末端造成聲屏障上受到的壓力會幅值突然減小。同一位置設了聲屏障比沒設聲屏障的最大正壓力幅值大136Pa，最大負壓力幅值大118Pa。其它距離下的聲屏障可以根據文章后面提到的聲屏障上受到的氣動力橫向變化規律做相應的推算。

列車以 250km/h通過隧道出口外的聲屏障的過程中，聲屏障承受最大正壓力沿橫向分布如圖16、圖17所示。

圖　　　16　隧道出口不同路線中心距的聲屏障測點頭波波峰值縱向分布　　　注：圖中虛線代表沒設聲屏障的情況下對應測點受到氣動力情況。

圖17　隧道出口不同路線中心距的聲屏障測點壓力橫向分布規律

隧道出口外不設聲屏障情況下，不同路線中心距測點受到的氣動力橫向分布如圖18所示。

圖18　隧道出口外不同路線中心距的測點壓力橫向分布規律

由圖16～圖18可以看出，聲屏障所受到的氣動力隨軌道中心距的增加成明顯遞減趨勢。聲屏障距離軌道中心越近,受空氣沖擊力越嚴重,氣動力就越大,其大小與該距離幾乎成線性關系。即使隧道外附近某點處不設置聲屏障，該處受到的列車氣動力幅值大小也與距線路中心的距離幾乎成線性關系，與《高速鐵路設計規范》中氣動力的取值隨路線中心距(取3.5m～5m之間的值)的變化近似成線性關系是一致的。

2.2.2隧道進口外的聲屏障

以距線路中心線4.25m為例，同隧道出口外的聲屏障相比，隧道進口外距隧道口0m處的聲屏障上受到的氣動力如圖19～圖22所示。

圖19　隧道進口外聲屏障測點頭波波峰值豎向分布

圖20　隧道出口聲屏障測點頭波波谷值豎向分布

圖21　隧道出口聲屏障測點尾波波谷值豎向分布

圖22　隧道出口聲屏障測點尾波波峰值豎向分布

從圖19～圖22中可見，隧道進口外聲屏障測點頭波波峰、尾波波峰豎向分布都是沿著高度向上幅值減小，頭波波谷幅值沿高度方向上變化較小。

在列車通過隧道進口外的聲屏障區域時，沿聲屏障縱向的脈動風荷載也有一定的差異。列車以 250km/h通過隧道進口外的聲屏障過程中，聲屏障上距底端距離為1.6m的聲屏障上承受最大正壓力沿縱向分布，如圖23所示。

圖23　隧道出口聲屏障測點頭波波峰值縱向分布注：圖中虛線代表沒設聲屏障的情況下對應測點的受到脈動風壓情況。

由圖23可知，離隧道進口越近，聲屏障受隧道口的三維效應的影響越大，影響范圍在隧道進口10m內，相對于出口，影響范圍有所減小。聲屏障始端由于密閉性沒有中間部分的好，所以會在聲屏障始端造成聲屏障上受到的壓力幅值會比中間測點小。同一位置設了聲屏障比沒設聲屏障的最大正壓力幅值大210Pa，幅值變化要比出口聲屏障的大，其它距離下的聲屏障可以根據前面提到的聲屏障受到的氣動力橫向變化規律做相應的推算。

2.2.3隧道出口外聲屏障和進口外聲屏障對比

由表1可知：距隧道洞口相同距離位置處的聲屏障上受到的氣動力峰-峰值，進口外的要比出口外的聲屏障大。由于列車過隧道進口時，流場是由有限邊界向無限邊界過渡的一個流場，列車進隧道口時瞬間擠壓空氣，被擠壓后的空氣在隧道口附近就會作用在洞口周圍的結構物(聲屏障)上，理論上隧道進口外的聲屏障受到的氣動力幅值會比其它路段(平地、橋梁等)上的聲屏障要大，但由于隧道口附近會產生復雜的三維效應，離隧道口越近，這種效應會越強，在綜合考慮了這種效應后，就會產生隧道進口外聲屏障受到的氣動力峰-峰值和其它路段(路基、橋梁)上布置聲屏障相同的結果(聲屏障中間段氣動力峰-峰值大，始、終端附近的氣動力峰-峰值小)[9-11]，但隧道進口和平地、橋梁段產生這種結果的原因是有所區別的，路基、橋梁段的聲屏障始、終端由于密閉性沒有中間部分的好，所以造成了列車聲屏障中間段氣動力峰-峰值大，進、出口附近的氣動力幅值小。當列車出隧道時，流場是由有限邊界向無線邊界過渡，所以列車和周圍空氣的作用效應沒進口的強，導致了作用在隧道出口外的聲屏障上的氣動力峰-峰值比隧道進口外的聲屏障小。

表1　隧道進、出外口聲屏障的最大壓力幅值對比

3結論

(1)250km/h標準動車組單車通過隧道外聲屏障時，隧道進、出口外的聲屏障會受到洞口附近三維效應的影響，三維效應的影響范圍隧道進口在10m內，隧道出口在20m內，但影響強度進口比出口要大，離洞口越近，影響效應越大。聲屏障在設計時，應該充分考慮這種三維效應的影響，以保證結構的安全。

(2)250km/h標準動車組單車通過隧道外聲屏障時，距軌道中心距為3.5～5m之間時，聲屏障所受氣動力與距軌道中心距的距離近似成線性關系，聲屏障距離軌道中心越近,受空氣沖擊力越嚴重,脈動風就越大，即使隧道外附近某點處不設置聲屏障，該處受到的列車脈動風壓幅值大小也與距線路中心的距離近乎成線性關系。

(3)250km/h標準動車組單車通過隧道外聲屏障時，距隧道洞口相同距離位置處的聲屏障上受到的氣動力峰-峰值，進口外的聲屏障要比出口外的聲屏障大。

(4)本文只研究分析了250km/h的標準動車組單車通過隧道時的情況，在后期可以研究分析300km/h、350km/h、400km/h的情況，同時也可以研究分析隧道長度對隧道外聲屏障上受到氣動力的影響，得出相關的結論和規律。

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[作者簡介]葉葵葵(1989～),男，碩士研究生,研究方向為結構抗風。

【中圖分類號】U453.8+2

【文獻標志碼】A

[定稿日期]2015-12-31