隧道口聲屏障受列車風荷載影響的數值計算分析

余海洪， 葉葵葵

(1.中鐵四川生態城投資有限公司，四川眉山 620500; 2.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031)

目前對聲屏障的研究大多停留在普通路基和橋梁段聲屏障上，對隧道口聲屏障研究的公開資料較少。當列車進出隧道時，列車周圍的空氣處在復雜的三維紊流流動中，隧道口聲屏障會受到這種三維效應的影響，使使隧道口聲屏障上承受了比普通路基、橋梁段聲屏障更加復雜的動態列車風荷載[4]。因此，對隧道口聲屏障進行研究是很有必要的。

1 流場數值計算模型

1.1 幾何模型

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250 km/h及以上，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高速通過隧道口聲屏障區域時，隧道口聲屏障表面上受到的列車風荷載。

列車模型采用8車編組，每節車長都是25 m，車寬3.36 m，車高3.86 m，列車的最大橫截面面積為12.257 m2。考慮到計算機的硬件條件和計算時間，不考慮列車外部復雜構造，如車門、受電弓等，這些復雜結構對整體列車風荷載影響甚微。列車計算簡化模型如圖1所示。

鐵路線路考慮為雙線，線間距為5 m，隧道進口和出口附近在縱向都布置了長50 m、高4 m的直立式聲屏障，聲屏障離近側線路中心線距離L分別取3.5 m、4.25 m、5 m。圖2為列車高速駛過隧道口聲屏障區域時的平面布置示意圖。由于聲屏障實際構造相對較復雜，在模擬時對它做了一些簡化，把它簡化成具有一定厚度的平面板，不考慮底板、基礎等結構。

圖2 平面布置示意(單位：m)

隧道斷面模型如圖3所示，列車底部距離地面0.376 m，復線線路中線距離為5 m，隧道阻塞比為0.122。

圖3 隧道橫斷面

1.2 計算區域

在建立流場計算區域時，考慮到流場的充分發展以及氣流的繞流影響，計算區域尺寸的取值應當足夠大。理論上流場區域應該趨于無窮大，但在模擬時只能通過有限空間來近似處理這個無限流場，模擬的流場區域越大，網格數量將會越多，從而導致計算速度降低。因此在確保滿足精度的前提下可以適當提高求解速度，通過對多個不同尺寸的流場區域進行計算分析比較，最后選取了如圖4示的流場計算區域，列車離隧道進口為100 m[5]。

1.3 邊界條件及網格劃分

通過計算流體軟件FLUENT中的網格滑移方法來處理列車與隧道及聲屏障之間的相對移動，計算區域由移動區域和固定區域兩部分組成，其中移動區域的網格以列車行駛速度滑移，固定區域的網格保持不動，移動區域和固定區域的信息通過交界面來傳遞，圖5為流場分區示意圖。

圖4 計算區域示意

圖5 流場分區示意

如圖5示：外部流場A、B、C、D設定為壓力出口邊界條件，網格信息交界面E、F、G設定為滑移邊界條件，交界面用“interface對”來解決移動區域和靜止區域數據交換。隧道壁面、地面和隧道進出口面I、H，以及車體和聲屏障等都設定為無滑移固定壁面邊界條件。

通過ICEM CFD網格劃分工具對整個計算模型分區域進行網格劃分，固定區域使用結構化網格劃分，移動區域使用結構化網格和非結構化網格相結合的混合網格劃分。

2 隧道口聲屏障表面上受到的列車風荷載的計算分析

為研究列車單車高速駛過隧道口聲屏障區域時，聲屏障表面受到列車風荷載的影響，本文計算了不同列車速度、不同隧道長度和聲屏障距線路中心線不同距離等情況下，隧道進、出口聲屏障縱向方向上0 m、5 m、10 m、20 m、30 m、40 m、50 m處受到列車風荷載的大小，總結出了隧道口聲屏障表面上受到的列車風荷載的分布規律[6-7]。測點布置如圖6、圖7示。

圖6 聲屏障上縱向測點位置

圖7 聲屏障上豎向測點位置

2.1 隧道長度對聲屏障上列車風荷載的影響

為了研究隧道長度對設置在隧道口聲屏障上受到的列車脈動風荷載的影響，取聲屏障距線路中心線距離為3.5 m，列車單車以時速250 km分別駛過長為1 443 m和786 m的隧道情況進行計算機仿真模擬，隧道出口聲屏障內側同一高度處(測點c)不同縱向位置監測點處頭波波峰和頭波波谷差值對比統計如表1所示。表1中頭波波峰差值和頭波波谷差值都是用786 m長的隧道計算結果減1 443 m長的隧道計算結果。

表1 不同縱向監測點處頭波波峰和頭波波谷差值對比

注：表中△P指△P1和△P2中的最大值，P指隧道長度為786 m時頭波波峰或頭波波谷壓力值。

由表1可知：在除隧道長度不一樣而其它條件都相同的情況下，設置在長度為1 443 m和786 m的隧道出口處聲屏障內側同一高度處不同縱向位置監測點處頭波波峰和頭波波谷差值都很小，保持在5 %的范圍內，所以，設置在隧道口的聲屏障表面上受到的列車風荷載受隧道長度的影響很小。因此，本文在后續計算分析中只考慮了隧道長度為786 m的情況。

2.2 聲屏障豎向高度上的列車風荷載的分布

為進一步分析設置在隧道口的聲屏障在豎向高度上的列車風荷載分布規律，我們選取了時速為300 km的列車通過設置在786 m長的隧道進、出口外的距線路中心距為3.5 m的聲屏障的情況下的計算結果。從聲屏障的底部豎直向上在其內側均勻取6個監測點，測點的布置見圖6、圖7。由于列車通過隧道口聲屏障時，頭波波峰、波谷值相對于尾波波峰和波谷幅值變化趨勢明顯，更具有代表性，所以在計算中只對頭波波峰和波谷的計算值做了分析。相關的對比圖見圖8～圖11。

圖8 隧道進口聲屏障測點頭波波峰值豎向分布

圖9 隧道進口聲屏障測點頭波波谷值豎向分布

從圖8和圖9可見，隧道進口外聲屏障測點頭波波峰值、波谷值豎向分布都是沿著聲屏障高度向上幅值減小，聲屏障中間測點比始(0 m)、末(50 m)測點幅值減小得要快些，幅值相差大些。這是由于下部要比其頂部封閉性要好些，氣流在其下部的流動會受到更多的限制，因此聲屏障下部結構表面受到的列車風荷載幅值要比頂部大些；離隧道進口0 m和50 m處的聲屏障相對于靠近其中間部分的受到限制要少些，所以離隧道口0 m和50 m處的聲屏障的測點上的列車風荷載幅值相對較小，同時由于離隧道進口很近，會受到隧道口復雜三維流場的影響，造成了隧道口(0 m)處測點壓力變化相對較復雜。

圖10 隧道出口聲屏障測點頭波波峰值豎向分布

圖11 隧道出口聲屏障測點頭波波谷值豎向分布

由圖10、圖11可以看出，隧道出口外聲屏障豎向高度上列車風荷載的分布規律和隧道進口外聲屏障基本一致。對比圖8～圖11，可以發現，在離隧道口相同距離時，隧道出口聲屏障上的壓力幅值要比隧道進口的要小。

2.3 列車風荷載沿著聲屏障縱向上的分布

為研究聲屏障上受到列車脈動風壓幅值沿著聲屏障縱向方向上的變化規律，取聲屏障距線路中心為3.5 m時，列車分別以250 km/h、300 km/h、350 km/h的速度通過設置在隧道口的聲屏障區域，聲屏障面板豎向上中間位置(編號為c)的一縱行測點的計算結果進行分析。圖12、圖13為測點壓力波幅值與縱向測點的關系曲線。

圖12 隧道進口聲屏障縱向測點頭波波峰值壓力變化

圖13 隧道進口聲屏障縱向測點頭波波谷值壓力變化

由圖12和圖13可知：離隧道進口5 m范圍內，聲屏障受隧道口三維效應的影響較大；離隧道進口5～20 m范圍內受三維效應影響相對小很多；離隧道進口20 m以外，聲屏障就不再受到三維效應的影響。聲屏障始(0 m)、末(50 m)端由于密閉性沒有中間部分的好，所以會在聲屏障始(0 m)、末(50 m)端造成聲屏障上受到的壓力會幅值突然減小。隧道進口三維效應的影響范圍和列車運行速度關系不大，但影響強度隨列車運行速度的增加而增加；在離隧道進口相同位置處，設不設置聲屏障對隧道進口外三維效應的影響范圍幾乎沒有影響。

由圖14、圖15可知：越靠近隧道出口，聲屏障受隧道出口三維效應的影響強度越大，列車速度越快，影響范圍也就越大，隧道出口5 m范圍內，聲屏障上的脈動風壓受影響強度要比隧道出口5 m范圍外的大的多。在離隧道出口相同位置處，設不設置聲屏障對隧道進口外三維效應的影響范圍也幾乎沒有影響。

圖14 隧道出口聲屏障縱向測點頭波波峰值壓力變化

圖15 隧道出口聲屏障縱向測點頭波波谷值壓力變化

2.4 聲屏障上受列車風壓幅值與列車運行速度的關系

為探究聲屏障上受到的列車風荷載幅值與列車運行速度之間的關系，取列車以不同速度通過設置在隧道口的聲屏障區域時，聲屏障面板豎向上中間位置(編號為c)的一縱行測點的計算結果進行分析[8]，其中列車運行速度分別取250 km/h、300 km/h、350 km/h、400 km/h，聲屏障上受到的列車風壓幅值與列車速度的關系曲線如圖16、圖17所示。

圖16 隧道出口聲屏障頭波波峰幅值與車速的關系

圖17 隧道進口聲屏障頭波波峰幅值與車速的關系

聲屏障表面受到列車風荷載幅值與列車速度之間的關系曲線經過擬合處理后，可以獲得它們之間的關系式:P=aV2+bV+c，其中P表示聲屏障表面受到列車風荷載幅值，V表示列車速度(km/h)，a、b、c表示無量綱常數，與車速和測點位置有關。由此可知，列車單車通過隧道口聲屏障區域時其表面受到列車風荷載幅值與列車速度成二次函數關系。

2.5 聲屏障上受列車風壓幅值與其距線路中心距之間的關系

為了探究聲屏障上受列車風荷載幅值與其距線路中心線距離之間的關系，取列車以時速350 km/h通過設置在隧道口的聲屏障區域時，聲屏障距線路中心線的距離取3.25 m、4.25 m、5 m三種情況下聲屏障面板豎向上取中間位置(編號為c)的一行測點結果進行分析，聲屏障上受列車風荷載幅值與其距線路中心線距離之間的關系曲線如圖18、圖19所示。

圖18 隧道出口聲屏障頭波波峰幅值與其距線路中心距的關系

圖19 隧道進口聲屏障頭波波峰幅值與其距線路中心距的關系

聲屏障上受列車風荷載幅值與其距線路中心線距離之間的關系曲線經過擬合處理后，可以獲得它們之間的關系式:P′=a′L2+b′L+c′，其中P′表示聲屏障表面受到列車風荷載幅值，L表示聲屏障距線路中心線距離(m)，a′、b′、c′表示無量綱常數，與聲屏障距線路中心線距離和測點位置有關。由此可見，列車單車通過隧道口聲屏障區域時其表面受到列車風荷載幅值與其距線路中心線的距離也成二次函數關系。同時，我們也可以發現,隧道口聲屏障表面受到列車風 荷載幅值隨其距線路中心線的距離的增加成遞減變化。因此，我們得出在相同的吸聲降噪的效果下，為保證聲屏障的結構穩定和使用壽命，在環境允許的條件下，應該盡可能地增加聲屏障距線路中心線的距離。

3 結論

本文通過對比分析隧道口聲屏障上受到的列車風荷載與不同因素之間的關系，可以得到以下主要結論。

(1) 隧道長度對隧道口聲屏障上受到的列車風荷載影響不大，基本可以忽略隧道長度的影響。

(2) 隧道口聲屏障豎向高度上受到列車風荷載分布表現為：風壓幅值從上至下增加，在其頂部區域變化率較大，底部區域幅值變化較小。

(3) 離隧道進口5 m范圍內，聲屏障受隧道口三維效應的影響較大；離隧道進口5～20 m范圍內受三維效應影響相對小很多；離隧道進口20 m以外，聲屏障就不再受到三維效應的影響。隧道進口三維效應的影響范圍和列車運行速度關系不大，但影響強度隨列車運行速度的增加而增加。越靠近隧道出口，聲屏障受隧道出口三維效應的影響強度越大，列車速度越快，影響范圍也就越大，隧道出口5 m范圍內，聲屏障上的脈動風壓受影響強度要比隧道出口5 m范圍外的大的多。在離隧道口相同位置處，設不設置聲屏障對隧道口外三維效應的影響范圍幾乎沒有影響。

(4) 列車單車通過隧道口聲屏障區域時聲屏障表面受到

列車風荷載幅值與列車速度和其距線路中心線的距離都成二次函數關系。

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