全封閉聲屏障斷面尺寸對列車風壓荷載影響規律的數值模擬

楊斌，馬西章，郭柯楨，何旭輝, 4，敬海泉, 4

全封閉聲屏障斷面尺寸對列車風壓荷載影響規律的數值模擬

楊斌1，馬西章2，郭柯楨3，何旭輝3, 4，敬海泉3, 4

(1. 中國國家鐵路集團有限公司，北京 100844；2. 雄安高速鐵路有限公司，河北 保定 071700；3. 中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；4. 高速鐵路建造技術國家工程實驗室，湖南 長沙 410075)

為研究由列車高速通過全封閉聲屏障時誘發的氣動效應，探究斷面面積對聲屏障風壓荷載的影響，基于計算流體力學軟件FLUENT，以某時速350 km/h高速鐵路全封閉聲屏障為研究對象，對高速列車通過不同凈空面積的全封閉聲屏障過程進行數值模擬，分別從氣壓波傳播規律、聲屏障氣動荷載變化規律以及典型截面各測點壓力分布3個方面開展研究。模擬結果驗證了聲屏障內氣壓波的傳播規律與隧道結構類似，獲得了全封閉聲屏障氣動壓力極值隨斷面面積變化的關系曲線，發現同一截面風壓在環向存在明顯不對稱分布。本文研究成果可為全封閉式聲屏障結構設計提供理論依據。

全封閉聲屏障；350 km/h；斷面尺寸；數值模擬；氣動壓力分布

近年來，高速鐵路350 km/h的運營速度正在成為主流，極大地方便了人們的日常出行，提高了生活質量和工作效率。但隨著人們環保意識的提升，高鐵噪聲對沿線自然環境及居民生產生活的影響也越來越受到重視。尤其是當高鐵線路穿越噪聲敏感區域時，必須采取相應措施對其產生的噪聲進行控制。聲屏障是控制噪聲的重要措施之一[1]，可以顯著降低噪聲的傳播范圍和強度。目前，高速鐵路聲屏障根據不同的降噪標準和工程需求呈現出多種結構形式[2]，其中全封閉式聲屏障因其出色的降噪效果而廣泛應用于對聲環境要求較為嚴苛的環境中。全封閉聲屏障能夠大幅降低環境噪聲污染的同時，因其形成相對封閉的空間，限制了其內部氣流的流通路徑，導致高速列車通過聲屏障時在內部產生較大的風壓荷載，對聲屏障結構安全構成威脅[3]。目前，針對全封閉聲屏障列車風荷載的研究十分稀少，結構設計過程中主要參考隧道空氣動力學的研究成果。隧道空氣動力學作為列車空氣動力學的一個分支，已經取得了較多的研究成果。例如：CHEN等[4]通過模擬350 km/h高速列車通過典型的雙線隧道，討論了頭車變化段長度對隧道壁面氣動荷載的影響；NIU等[5]通過三維數值模擬的方法，研究了列車長度與隧道表面的壓力波波形、壓力幅值及分布規律的影響；ZHANG等[6]選用RNG?湍流模型，模擬了高速列車進入隧道時的脈動風壓分布，并探討了隧道入口斜率對列車表面脈動風壓的影響。韓珈琪等[7]利用數值模擬中的動態鋪層技術，模擬了作用在聲屏障上的脈動風壓特性，并對不同形式聲屏障的氣動特性進行了討論；李志偉等[8]對兩單線隧道之間的橫通道緩解隧道內瞬變壓力的影響進行了數值模擬,得到了當高速列車通過有無橫通道的隧道時隧道壁面及車體表面測點的瞬變壓力時間歷程及其變化幅值；王英學等[9]同樣使用數值模擬方法對高速列車進入有間縫式開口緩沖結構的隧道的空氣動力學特性進行三維數值模擬，并且分析間縫式單、雙開口緩沖結構的最優結構形式；駱建軍等[10]和研究了隧道橫通道以及入口緩沖結構對氣壓波的影響規律；馬輝等[11?12]分別研究了隧道斷面尺寸對于氣壓波大小以及車內順便壓力的影響。高速鐵路全封閉聲屏障結構形狀與隧道結構類似，既有隧道空氣動力學的研究成果對全封閉聲屏障列車風壓荷載具有一定參考意義；然而，由于聲屏障質量更輕、結構更柔，因此對列車風荷載更加敏感，既有隧道空氣動力學研究成果無法滿足全封閉聲屏障結構設計要求；目前針對高速鐵路列車風導致全封閉聲屏障氣壓壓力分布的研究十分稀少。因此，本文以我國某高鐵線路840 m全封閉式聲屏障為研究背景，采用數值模擬方法，按照實車模型和實際運行速度建立流固耦合模型；詳細研究了聲屏障截面尺寸對聲屏障壁面風壓荷載的影響規律。研究成果可為今后全封閉式聲屏障的結構設計提供理論依據。

1 數值計算模型及測點布置

1.1 計算模型

綜合考慮計算效率與計算精度，本文對列車模型進行了適當簡化，如圖1所示，忽略了轉向架、車門、受電弓等結構，并對列車表面進行光滑處理。為了更加真實模擬實際情況，采用該線路常用的CRH380A型列車，并選擇8列編組建立模型。

圖1 CRH380A型列車模型示意圖

該全封閉聲屏障位于橋梁上部，數值計算模型由立柱、橫梁、縱向連接系、單元板等組成，為了提高計算效率，模型表面進行了平滑處理，弧形面板的半徑為3.45 m，弧頂距底部13.6 m，橋面板寬度為12.7 m。整體計算域分為3部分，如圖2所示，中間部分包含聲屏障，共840 m；為了使列車的加速過程更加充分，減小誤差，參考既有文獻并進行試算以后，在中間計算域的兩端分別向兩側延伸550 m，分別為列車的加減速區域。同時，為了減小列車移動對邊界條件造成影響，列車初始位置設置在距兩側邊界200 m處，流域的寬度和高度都設置為50 m。

單位：m

為了實現列車在聲屏障中的相對運動，采用動網格技術的動態鋪層法，將列車及列車周圍有限空間內的流體當作剛體，稱之為移動網格區域，通過加載profile文件的方式定義其運動規律，實現與聲屏障的相對運動，而包含聲屏障在內的區域稱之為靜止網格區域，動網格區域和靜網格區域之間通過interface交界面實現計算域之間的數據交換。圖3為計算域邊界條件設置示意圖。計算域的側面和頂面都采用壓力出口邊界，地面、列車以及聲屏障設置為無滑移邊界。

由于聲屏障骨架是H型鋼，結構外形較為復雜，計算模型采用非結構化網格。為了更詳細地捕捉到結構附近的流體運動情況，提高模擬精度，在聲屏障及靠近列車區域采用加密網格；而在遠離結構物的外部區域采用稀疏網格，以便提高計算效率。經過一系列網格無關性試算之后，最終確定列車表面網格最大尺寸為0.2 m，聲屏障表面網格最大尺寸為0.3 m，全局網格最大尺寸為1 m，總網格數為2 400萬。

圖3 計算邊界條件設置示意圖

本文基于RANS方法，根據已有文獻結論[10]作為參考，選用準確、高效、適用性強的標準?兩方程湍流模型，也是目前工程領域被廣泛運用的流體計算模型之一。

1.2 測點布置

本次研究總共布置有11個風壓監測截面，各截面位置由表1所示，依據由兩端逐漸向中間加密的原則，在接近聲屏障出入口的區域監測截面間隔100 m，在中間區域截面間隔10 m。每個監測截面上在聲屏障內表面沿環向布置11個監測點，如圖4所示。

表1 監測截面編號位置

圖4 截面測點分布示意圖

2 模擬結果分析

2.1 壓力波傳播規律

圖5(a)為單車通過該聲屏障時氣壓波傳遞規律的示意圖，圖5(b)為單車以350 km/h經過斷面尺寸110.5 m2聲屏障時，中間測試截面的壓力時程圖。根據列車鼻尖、車尾進入聲屏障時形成的壓縮波、膨脹波(其中紅線表示車頭、車尾的行進過程)以及兩者依據聲速傳播，并在洞口處以另一種波的形式返回的傳遞過程示意圖，車頭和車尾的經過也會引起相應位置的壓力變化，紅線表示兩者隨時間的移動位置。以中間截面為研究對象，，，，，和6個點分別表示壓縮波(膨脹波)或者車頭、車尾到達中間截面的時刻，其中壓縮波到達時會使壓力增加，膨脹波到達時會使壓力減小，與已有文獻[6]結論一致。

(a) Sketch Map 示意圖；(b) Time history chart 時程圖

點表示車頭進入聲屏障時產生的壓縮波以聲速到達中間截面處，對應下圖點處壓力的增加；點表示車尾進入聲屏障時產生的膨脹波到達中間截面，對應于下圖的點，即鼻尖處壓力開始減小；點表示之前車頭進入產生的壓縮波經過傳遞到聲屏障的出口反射回來的膨脹波再次經過中間截面，對應于下圖的點，壓力值繼續減小；點表示車頭經過中間截面處，對應于點也體現出測點壓力的減小；和兩點都是因為膨脹波的反射形成的壓縮波經過中間截面，對應于和點壓力值的增加；點表示車尾到達中間位置處，會引起所在位置測點壓力值的增加，這與點的變化趨勢一致。經過對比分析，其規律與中間截面測點的壓力時程圖變化一致，因此可以驗證壓力曲線的變化情況，以及解釋氣動壓力波的傳播規律[14]。

2.2 聲屏障斷面尺寸對氣動荷載的影響

借鑒隧道空氣動力學的研究經驗采用阻塞比量化聲屏障斷面尺寸。阻塞比定義為列車橫截面積與聲屏障斷面面積的比值。本文計算的3個聲屏障斷面，如表2所示，面積分別為121.6 m2，110.5 m2和99.5 m2，對應的阻塞比分別為1=9.6%，2=10.6%和3=11.8%。

表2 不同阻塞比工況

圖6為列車以350 km/h的運行速度經過不同阻塞比的全封閉聲屏障時，中間測試斷面各測點的風壓時程曲線。結果表明3種阻塞比下，截面氣動荷載波動趨勢基本一致，且都在6.6 s左右，即列車頭部行駛至距聲屏障入口312 m處，出現最大正壓；都在9.1 s左右，即列車尾部經過中間截面，出現最大負壓。最大正壓和最大負壓值都隨著阻塞比的增加而增大。

圖7為最大正壓、最大負壓以及最大壓力幅值隨阻塞比的變化情況，并且采用指數函數擬合阻塞比與極值風壓的關系，結果表明最大正壓、最大負壓以及最大壓力幅值隨阻塞比的變化規律十分 一致。

(a) R1；(b) R2；(c) R3

表3總結了3種阻塞比全封閉聲屏障各個監測截面的最大正壓、最大負壓以及最大壓力變化幅值。結果表明，3種阻塞比下風荷載均在中間截面取得極值，且沿兩端逐漸降低，說明3種阻塞比下中間截面均為最不利截面。阻塞比1時最大正壓為1 110 Pa，最大負壓為?1 849 Pa，壓力變化幅值為2 959 Pa；阻塞比2時最大正壓為1 305 Pa，最大負壓為?2 154 Pa，壓力變化幅值為3 459 Pa；阻塞比3時最大正壓為1 660 Pa，最大負壓為?2 729 Pa，壓力變化幅值為4 389 Pa。當阻塞比由1增加(面積減小)10%和20%時，各測試截面的正壓力極值平均增大17.6%和49.5%，負風壓極值平均增大16.5%和47.6%，最大壓力變化幅值平均增大16.9%和48.3%。結果證明全封閉聲屏障截面面積對于其自身的氣動荷載影響顯著，跟隧道空氣動力學的研究結論一致[13]。

(a) 最大正壓；(b) 最大負壓；(c) 最大壓力幅值

表3 各個阻塞比下聲屏障壁面各項壓力極值

圖8為3種阻塞比工況下，各個監測截面的壓力變化幅值與距離聲屏障入口位置的關系曲線。隨著阻塞比的增加，各個截面的壓力變化幅值均增大；3種阻塞比下壓力變化幅值均呈現出中間高兩端低的變化規律，靠近聲屏障出入口的截面壓力變化幅值均小于中間區域的壓力變化幅值，且對稱截面的風壓荷載基本遵循對稱原則。

圖8 不同阻塞比下各截面最大壓力變化幅值

2.3 沿聲屏障展向方向的氣動荷載分布

圖9為3種不同阻塞比下，距全封閉聲屏障入口50 m的1號截面和距離全封閉聲屏障入口410 m的中間截面，即6號截面的典型測點的風壓時程圖。結果顯示，不同阻塞比下同一截面上的典型測點氣動荷載波動趨勢完全一致，但是風壓值隨著阻塞比的增大而增大，而且，中間截面的變化更顯著。

(a) 1號截面；(b) 6號截面

2.4 典型截面各測點的壓力分布情況

圖10為3種阻塞比下，壓力極值最大截面即6號截面上出現最大正壓和最大負壓時刻，各測點的壓力分布圖。圧力曲線在全封閉聲屏障外側為正壓、內側為負壓，設置聲屏障外輪廓線為風壓基準線，其風壓取值為該截面各測點的最小值，以便凸顯不同測點的差異。結果顯示，同一截面上風壓大小沿環向存在顯著差異，阻塞比1工況下，最大正壓差為32.5%，最大負壓差為32.1%；阻塞比2工況下，最大正壓差為45.0%，最大負壓差為39.0%；阻塞比3工況下，最大正壓差為33.9%，最大負壓差為36.5%。3種阻塞比工況下，截面風壓分布規律保持一致(即列車運行一側的風壓明顯高于另一側)，但是風壓值隨著阻塞比的增大而增大；由此說明聲屏障阻塞比對截面風壓環向分布規律影響較小，對風壓值影響顯著。

單位：Pa

3 結論

1) 列車通過全封閉聲屏障時，由列車風導致的聲屏障內部風壓變化趨勢與氣壓波的傳播規律相吻合，可以很好地相互驗證，證明了氣壓波傳遞的一維效應和該模擬的有效性。

2) 不同阻塞比下，同一位置不同測點的氣動荷載波動規律基本一致，但對風壓荷載極值影響顯著，當阻塞比從9.6%分別增加到10.6%和11.8%時，聲屏障最大壓差幅值平均增加16.9%和48.3%，呈指數增長。

3) 各阻塞比下聲屏障中間斷面的極值風壓荷載最大，為荷載控制截面，沿兩端出入口方向極值風壓逐漸減小；同截面聲屏障上環向測點的風壓變化趨勢基本一致，但同一截面風壓大小存在顯著差異，最高達到45%。

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Numerical simulation of the influence of the section size of the fully-enclosed sound barrier on aerodynamic load

YANG Bin1, MA Xizhang2, GUO Kezhen3, HE Xuhui3, 4, JING Haiquan3, 4

(1. China Railway, Beijing 100844, China;2. Xiong’an High Speed Railway Co., Ltd., Baoding 011700, China;3. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;4. National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction, Changsha 410075, China)

In order to study the aerodynamic effect induced by the high speed train passing through the fully-enclosed sound barrier and to explore the influence of the cross-section area on aerodynamic load of the sound barrier, this paper simulates the process of a high-speed train passing through the full closed sound barrier with different clearance areas under the speed of 350 km/h using the computational fluid dynamics software FLUENT. The propagation law of pressure wave, the change law of aerodynamic load of sound barrier and the pressure distribution on typical measuring section were analyzed. The simulation results verify that the propagation law of the air pressure wave in the sound barrier is similar to that in tunnels. The variation curve of maximum value of the aerodynamic pressure of sound barrier changing with the section area is obtained. In addition,it is observed that the maximum value of the aerodynamic pressure has an inhomogeneous distribution in the same section. The research results provide the theoretical basis for the structural design of fully-enclosed sound barrier.

fully-enclosed sound barrier; 350 km/h high speed railway; section size; numerical simulation; aerodynamic load distribution

U491

A

1672 ? 7029(2020)12 ? 3013 ? 08

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200141

2020?02?24

國家重點研發計劃項目(2017YFB1201204)；中國鐵路總公司科研課題(P2018G004)；國家自然科學基金“杰青”資助項目(51925808)；國家自然科學基金資助項目(U1934209)；中南大學研究生科研創新項目(1053320182068)

敬海泉(1987?)，男，重慶人，副教授，博士，從事橋梁風致振動及其控制、斜拉索風雨振、尾流馳振機理及其控制措施研究；E?mail：hq.jing@csu.edu.cn

(編輯 涂鵬)