氣動(dòng)荷載作用下Y型高速鐵路聲屏障上脈動(dòng)風(fēng)壓分布規(guī)律分析

戴圣蘭　葉承敏

摘要：聲屏障是目前降低噪聲污染最為有效和實(shí)際的技術(shù)手段之一。列車通過時(shí)，聲屏障會(huì)受到列車脈動(dòng)風(fēng)壓的作用，隨著速度的提升，脈動(dòng)風(fēng)壓會(huì)隨之增加，可能會(huì)導(dǎo)致聲屏障發(fā)生強(qiáng)度破壞，因此對聲屏障的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求更高。目前國內(nèi)外學(xué)者對直立式聲屏障的研究較為普遍，對其它結(jié)構(gòu)型式聲屏障的研究較少。本文借助有限元軟件ANSYS和計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT對列車高速通過時(shí)，Y型高速鐵路聲屏障上脈動(dòng)風(fēng)壓的分布規(guī)律進(jìn)行分析，并研究不同折板角度對Y型高速鐵路聲屏障上所受脈動(dòng)風(fēng)壓的影響，結(jié)果表明：聲屏障的直立面板和折板在列車頭波的作用下產(chǎn)生了先正后負(fù)的脈動(dòng)風(fēng)壓中心，相對應(yīng)的在列車尾波的作用下，聲屏障直立面板和折板產(chǎn)生了先負(fù)后正的脈動(dòng)風(fēng)壓中心，且最大壓力中心出現(xiàn)在列車頭波正壓中心處;在相同的條件下，隨著Y型折板角度的增加，折板和面板的脈動(dòng)風(fēng)壓峰值逐漸降低并趨于穩(wěn)定，且直立面板的脈動(dòng)風(fēng)壓峰值大于折板的脈動(dòng)風(fēng)壓峰值。

關(guān)鍵詞：高速鐵路;Y型聲屏障，脈動(dòng)風(fēng)壓;計(jì)算流體力學(xué)

引言

高速鐵路蓬勃發(fā)展給人帶來便利的同時(shí)，一些問題也逐漸暴露出來，高速鐵路噪聲就是其中之一。尤其當(dāng)高速鐵路駛過居民聚集區(qū)時(shí)，噪聲問題已嚴(yán)重影響到周邊居民日常的生產(chǎn)生活。鐵路沿線設(shè)置聲屏障結(jié)構(gòu)是降低噪聲污染、建設(shè)環(huán)境友好的綠色鐵路的一種有效措施 。列車高速駛過聲屏障時(shí)，列車周圍的空氣會(huì)被急劇壓縮，從而產(chǎn)生十分強(qiáng)烈的脈動(dòng)風(fēng)壓，可能會(huì)導(dǎo)致聲屏障發(fā)生強(qiáng)度破壞，因此對列車空氣動(dòng)力學(xué)問題進(jìn)行研究是很有必要的。目前國內(nèi)外學(xué)者對直立式聲屏障的研究較為普遍，對其它結(jié)構(gòu)型式聲屏障的研究較少。因此結(jié)合有限元軟件ANSYS和計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT，運(yùn)用數(shù)值仿真的方法對列車高速駛過Y型聲屏障時(shí)聲屏障上脈動(dòng)風(fēng)壓分布規(guī)律分析具有十分重要的意義。

1 聲屏障列車脈動(dòng)風(fēng)壓數(shù)值分析模型

1.1列車幾何模型

采用CRH380A車型，較細(xì)致的建立頭車、中間車和尾車的3車編組列車模型，總長78m，頭車尾車長度為23.45m，中間車長度為31.1m。

1.2 聲屏障布置形式

聲屏障在橋梁段的布置形式參考通環(huán)標(biāo)準(zhǔn)《橋梁金屬聲屏障通環(huán)（2016，8323）》。本文主要是圍繞列車對聲屏障的脈動(dòng)風(fēng)壓作用展開研究，對橋面的附屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理，忽略附屬設(shè)施對列車外流場的影響，把梁的頂面和軌道板整體簡化處理，梁頂近似當(dāng)作平面處理。列車底面與鋼軌頂面的距離為0.2m，底面與梁頂?shù)木嚯x為0.4m，軌道中心線間距為2.5m，橋面寬下的橋梁聲屏障迎風(fēng)面距離線路中心線的距離為3.6m，聲屏障長度為200m，寬度為0.2m。

1.3 確定計(jì)算域

采用的高速列車與聲屏障外流場計(jì)算域取為300m50m30m。

1.4網(wǎng)格劃分

利用ANSYS ICEM CFD軟件對CRH380A型高速列車和聲屏障的外流場區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相結(jié)合的混合網(wǎng)格組合法，主要分為兩個(gè)部分，即高速列車所在計(jì)算域和聲屏障所在計(jì)算域，兩部分網(wǎng)格分別進(jìn)行劃分。

1.5數(shù)值模擬計(jì)算

將建立好的三維數(shù)學(xué)分析模型導(dǎo)入計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT，對分析模型進(jìn)行初始條件、邊界條件及求解器的設(shè)置，迭代求解。

2? Y型聲屏障上脈動(dòng)風(fēng)壓分布規(guī)律分析

2.1聲屏障上脈動(dòng)風(fēng)壓分布規(guī)律

本小節(jié)對車速350km/h，聲屏障底部距離軌道中心的距離為3.6m，高度3.0m、折板長度0.5m，折板折角135°的Y型聲屏障進(jìn)行脈動(dòng)風(fēng)壓數(shù)值模擬，對Y型聲屏障上脈動(dòng)風(fēng)壓分布規(guī)律進(jìn)行分析。

分析發(fā)現(xiàn)，列車頭波作用下的聲屏障首先受到一個(gè)急劇增大的正壓作用，緊接著收到一個(gè)反向急劇增大的負(fù)壓作用。中間車附近的脈動(dòng)風(fēng)壓則很小，幾乎為零。而在列車尾波作用下聲屏障收到的壓力方向與頭波正好相反，其先受到負(fù)壓作用再緊接著收到正壓作用。且尾波的壓力峰值會(huì)比頭波的壓力峰值小，大概為頭波壓力峰值的60%～80%。

在聲屏障脈動(dòng)風(fēng)壓云圖正負(fù)壓區(qū)中心沿著聲屏障高度方向各取一條直線，進(jìn)一步分析聲屏障面板上正負(fù)壓區(qū)的脈動(dòng)風(fēng)壓沿聲屏障高度的變化規(guī)律。結(jié)果顯示在車頭處Y型聲屏障正壓區(qū)沿聲屏障高度脈動(dòng)風(fēng)壓變化規(guī)律是底部脈動(dòng)風(fēng)壓值最大，自下而上脈動(dòng)風(fēng)壓先緩慢減小，在接近Y型折板區(qū)域時(shí)開始急劇降低，底部脈動(dòng)風(fēng)壓值約為頂部風(fēng)壓的2.36倍。在車頭處Y型聲屏障負(fù)壓區(qū)脈動(dòng)風(fēng)壓分布規(guī)律同車頭正壓處，底部脈動(dòng)風(fēng)壓值約為頂部風(fēng)壓的1.59倍。且不管是聲屏障表面的正壓區(qū)還是負(fù)壓區(qū)，直立面板的脈動(dòng)風(fēng)壓峰值總要大于Y型折板的脈動(dòng)風(fēng)壓峰值。

2.2不同折板角度對Y型聲屏障上脈動(dòng)風(fēng)壓影響

本小節(jié)對高度3.0m、折板長度0.5m、五種不同折板角度（105°、120°、135°、150°、165°）的Y型聲屏障在車速為350km/h，軌道中心距為3.6m工況下的脈動(dòng)風(fēng)壓進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，研究Y型聲屏障折板角度對Y型聲屏障所受脈動(dòng)風(fēng)壓的影響。

結(jié)果顯示，聲屏障上表面脈動(dòng)風(fēng)壓的分布規(guī)律是不受折板角度變化影響的，但無論是直立面板還是Y型折板，隨著角度的增加，Y型折板與列車之間的開口越來越大，其脈動(dòng)風(fēng)壓峰值是逐漸降低并且趨于穩(wěn)定，且直立面板的脈動(dòng)風(fēng)壓峰值大于折板的脈動(dòng)風(fēng)壓峰值。

參考文獻(xiàn)：

[1]龍麗平，趙麗濱，劉立東.列車致聲屏障結(jié)構(gòu)的空氣脈動(dòng)力研究[J].工程力學(xué)，2010，27（03）：246-250.

[2]田紅旗.列車空氣動(dòng)力學(xué)[M].中國鐵道出版社，2007.

[3]羅文俊，李恒斌.脈動(dòng)風(fēng)荷載作用下聲屏障動(dòng)力響應(yīng)分析[J].噪聲與振動(dòng)控制，2016，36（2）：162-165.

[4]李紅梅，宣言，王瀾，李晏良.高速鐵路聲屏障脈動(dòng)力數(shù)值模擬研究[J].鐵道建筑，2013（01）：27-30.

[5]時(shí)速250km、350km高速鐵路橋梁插板式金屬聲屏障[S].鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2016.