地鐵全封閉聲屏障阻塞工況自然通風效果模擬研究

劉 冰 楊啟凡 邵建霖 余 濤

（1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司 北京 100055；2.西南交通大學 成都 610031）

0 引言

地鐵列車在市區高架線上運行時，對附近的地面建筑物產生嚴重的噪聲污染，需采取減振降噪措施保障周圍的噪聲環境質量[1]。聲屏障是城市軌道交通地面段噪聲污染的主要治理措施，通常采用直立開敞型或下部直立頂部弧形的全封閉聲屏障形式，可有效治理地鐵高架線上的噪聲污染[2-4]。全封閉聲屏障的降噪效果雖好，但會對聲屏障內的熱環境和排煙效果造成不利影響[5,6]。列車在聲屏障區間內正常運行時，會產生較強的活塞風，與外部空氣的摻混強，區間內溫度不會太高。但列車因事故阻塞在聲屏障區間內時，大量放熱引起列車周圍空氣溫度迅速升高；同時，由于夏季太陽輻射強，全封閉聲屏障頂部采用透光材料，太陽輻射進入后加熱聲屏障內部，聲屏障內外的換氣和換熱弱，內部熱環境差，空氣溫度過高可導致列車空調系統無法正常運行[7]。結合火災排煙需求，聲屏障頂部不能完全封閉，頂部可設置通風消聲百葉開口，使各工況下聲屏障內外進行通風換氣，有助于改善全封閉聲屏障的排熱和排煙效果。

目前，針對全封閉聲屏障通風設計的研究較少，《地鐵設計規范》GB 50157-2013[7]也未對其進行明確規定。聲屏障頂部開口的通風設計方案可滿足排熱和排煙需求，開口面積越大越有利于通風和排煙，但由此導致的漏聲現象會大大降低聲屏障的隔聲效果。近年來，降噪減振措施、景觀設計方案、結構動力性能分析等是地鐵聲屏障的研究重點。劉磊等[6]基于流體動力學的三維數值仿真方法，研究了地鐵全封閉聲屏障的自然排煙性能及影響因素。劉磊等[8]還利用CFD 方法對列車通過雙線橋封閉式聲屏障全過程的活塞風壓進行了模擬分析。對頂部開口的地鐵全封閉聲屏障自然通風效果開展研究，在滿足通風排熱要求的同時降低漏聲量，解決通風與降噪的矛盾，對全封閉聲屏障降噪的發展具有重要的意義。

本文以北京地鐵5 號線某區間高架段的全封閉聲屏障為研究對象，采用三維數值模擬計算方法研究列車在該高架段阻塞時全封閉聲屏障頂部不同開口下的內部空氣溫度分布及自然通風換氣效果，為類似地鐵工程的降噪設計提供參考。

1 工程概況

北京地鐵5 號線是首條貫穿城市中心、連接南北郊地區的快速軌道交通干線，線路南起豐臺區宋家莊站，北至昌平區天通苑北站，線路全長27.5km，其中地下段21.5km、地面段1km、高架段5.5km。共設23 座車站，其中地下站16 座、地面站1 座、高架站6 座，采用6 節編組B 型車。天通苑南站、天通苑站、天通苑北站為高架側式車站，對應有3個區間為高架明線，為治理高架段周邊噪聲，需要在高架段增設全封閉聲屏障，其結構示意如圖1所示。豎向聲屏障板每側高度2.5m，頂部一側封閉，另一側采用6mm 厚的4 塊聚碳酸酯板形成全封閉聲屏障，部分不安裝時對應頂部開口率為10%、20%、30%、40%。

圖1 全封閉聲屏障構造示意圖（單位：mm）Fig.1 Schematic diagram of fully-enclosed sound barrier(Unit:mm)

2 三維數值模擬計算方法

本文采用三維CFD 數值模擬計算方法建立全封閉聲屏障的數值計算模型，通過模擬獲得聲屏障內部的溫度和風速分布，從而評價聲屏障的自然通風效果。

2.1 基本控制方程

聲屏障內氣流運動過程遵守流體力學的三大守恒定律和基本控制方程[9]，其微分方程的通用形式為：

式中，φ為通用變量；Γ 為廣義擴散系數；S為廣義源項。

模擬計算采用標準k－ε湍流模型對控制方程進行求解。由于太陽輻射進入聲屏障內后加熱表面使其溫度升高，同時列車高溫表面也會散熱，采用Boussinesq 假設[10]來模擬聲屏障內部的自然對流換熱過程。

2.2 物理模型

列車在聲屏障區間內正常運行時有較強的活塞風作用，熱環境可滿足設計要求。火災時，頂部的開口可滿足自然排煙[6]。聲屏障內有列車阻塞時，一方面聲屏障內受太陽輻射得熱的影響，另一方面列車空調冷凝器也向聲屏障內散熱，聲屏障內空氣流動弱，空氣溫度較高，可能使列車空調無法運行。因此，阻塞工況是聲屏障內通風換氣的最不利工況。本文僅考慮列車靜止阻塞于聲屏障內的自然通風效果，將列車簡化為長方體，斷面尺寸3.6m×3.2m，斷面積11.52m2。忽略實際聲屏障結構螺栓連接以及縱向梁間支撐等影響，斷面簡化模型如圖2所示。頂部左側的4 處聚碳酸酯板可不安裝，4 塊板全開、開3 塊板、開2 塊板、開1 塊板時頂部聲屏障開口率依次對應為40%、30%、20%、10%。

圖2 全封閉聲屏障斷面簡化示意圖（單位：mm）Fig.2 Simplified schematic diagram of fully-enclosed sound barrier(Unit:mm)

列車阻塞于聲屏障內的物理模型如圖3所示，考慮對稱性，列車采用3 節共60m 長的模型，列車頂部空調冷凝器簡化為面熱源散熱。為確定頂部開口率的影響及減小計算量，首先建立總長度90m的聲屏障模型一，除列車段外的區間長度取30m。確定開口率的影響后，為使計算模型更貼近實際情況，再建立總長度490m 的聲屏障模型二，除列車段外的區間長度取430m，根據對稱性相當于模擬了一個完整區間。

圖3 列車阻塞于聲屏障內的物理模型圖（單位：mm）Fig.3 Physical model of train congested in the sound barrier(Unit:mm)

模擬中需要考慮聲屏障壁面的導熱，實際聲屏障結構的組成材料及熱物性參數如表1所示。

表1 材料熱物性參數Table 1 Thermal properties of material

2.3 數值計算模型

采用GAMBIT 軟件建立該段聲屏障的三維數值計算模型，如圖4所示。為準確模擬表面附近的流動和傳熱，對車體附近以及壁面位置進行網格加密，采用結構化網格進行網格劃分，模型一和模型二的網格總數分別為5782006 個和15647714 個。劃分網格后的模型導入Fluent 軟件中進行設置和模擬計算。

圖4 聲屏障數值計算模型Fig.4 Numerical models of the sound barrier

2.4 邊界條件

（1）太陽輻射強度

由于頂部聚碳酸酯板以及兩側夾膠玻璃窗具有較好的透光性，應考慮聲屏障內太陽輻射得熱的影響。本模擬采用Fluent 軟件的太陽輻射計算模型，太陽輻射取北京夏季最熱月7月每天14 點的平均值700W/m2，同時考慮壁面間的長波輻射換熱，開啟S2S 輻射模型進行計算。

（2）邊界條件設置

聲屏障外的空氣溫度取夏季通風計算溫度30.0℃[11]，聲屏障結構內表面為耦合邊界條件，列車側為對稱邊界條件，聲屏障入口側為壓力入口邊界。列車頂部采用面熱源散熱，考慮中午非高峰時間段空調系統一半負荷運行，每塊面熱源強度為18kW。聲屏障頂部聚碳酸脂板開啟時采用壓力出口條件。

3 結果及分析

采用三維CFD 軟件模擬了聲屏障頂部不同開口下列車阻塞于聲屏障內空調系統運行時，聲屏障內受太陽輻射得熱和空調冷凝器散熱同時作用下的自然通風效果。

3.1 模型一不同開口率及開口位置下的自然通風效果

（1）聲屏障內斷面平均溫度分布

為研究聲屏障頂部開口率對自然通風效果的影響，對模型一在不同開口率下聲屏障內沿程斷面空氣平均溫度進行分析，結果如圖5所示。圖中，0open 表示頂部全封閉不開口；1open 表示頂部開口率為10%，開圖2 中的板1；2open 表示頂部開口率為20%，開圖2 中的板1、2；3open 表示頂部開口率為30%，開圖2 中的板1、2、3；4open 表示頂部開口率為40%，開圖2 中的板1、2、3、4。

從圖5 可以看出，如果聲屏障頂部不開口，列車阻塞位置處由于太陽輻射得熱和列車散熱，將導致聲屏障內空氣溫度極高，對稱面附近（車中部）最高溫度可達到70℃，無法滿足設計要求。開口率10%至40%時的內部空氣溫度分布比較接近，均低于40℃。

圖5 模型一聲屏障內斷面平均溫度分布Fig.5 Average temperature distribution inside the sound barrier of model 1

（2）聲屏障內換氣量和換熱量

進一步分析模型各進出口的換氣量和換熱量，結果如表2 和表3所示。表中進口表示聲屏障左側的壓力入口，出口表示聲屏障頂部的各個開口。流量正值表示空氣從外界流入聲屏障，負值表示空氣從聲屏障流出；熱量正值表示從聲屏障排走的熱量，負值表示從外界帶入聲屏障內的熱量。

表2 不同開口情況下時進出口空氣流量（kg/s）Table 2 Air flow rate at the inlet and the outlet with different openings(kg/s)

表3 不同開口情況下時進出口空氣熱量（W）Table 3 Thermal energy of air at the inlet and the outlet with different openings(W)

開口率為20%時進出口流量和換熱量都最大，開口率為10%時進出口流量和換熱量次之。聲屏障內熱空氣在頂部累積，形成較強的熱壓作用，外界空氣從壓力入口進入，熱空氣從頂部流出。相同開口率下，開口部位越靠近頂部中間位置換氣量和換熱量均越大。如開板1 比開板4 的通風換熱效果好，主要是由于中間部位更接近冷凝器所在部位，冷凝器上方的熱空氣更易流出；而當開口位置越靠近側邊，離冷凝器位置越遠，熱空氣在冷凝器上方累積不易排除，開口位置處空氣溫度稍低，換熱和換熱量都相應減少。圖6 給出了進出口總空氣流量，頂部2 個開口時進出口流量最大；當靠近側邊的板3和板4 開啟時，流量小很多。聲屏障內由于熱空氣的浮升力作用，熱量累積在頂部，開頂部開口時自然通風效果更好。

圖6 不同開口位置進出口空氣流量Fig.6 Air flow rate under different openings

續表2 不同開口情況下時進出口空氣流量（kg/s）

（3）不同開口位置時的斷面溫度分布

圖7 和圖8 分別給出了靠側面開口和從頂部開口時第一節車廂中間斷面處的溫度分布，溫度高于40℃的區域不顯示，1open（1）和1open（4）分別表示只開板1 和板4，對應開口率10%，其他類似。聲屏障內部得熱量大，不開口時斷面溫度均高于40℃。有開口時，外部氣流流入對內部進行降溫，溫度最高位置基本位于列車頂部及右側區域。對比相同開口率但不同開口位置的結果，開口位置越靠近頂棚中部的排熱效果越好。圖7 中，10%開口率、開口位于板4 時，車頂部部分區域溫度超過40℃，因為板4 位于邊緣處，不利于頂部散熱。圖8 中，10%開口率、開口位于板1 時，車頂部溫度在40℃以內，因為板1 位于聲屏障頂部，有利于頂部散熱。當采用1 個開口時，應布置在最頂部，自然通風排熱效果好。

圖7 靠側面開口時第一節車廂中間斷面溫度分布Fig.7 Surface temperature distribution of the first carriage with the side openings

圖8 從頂部開口時第一節車廂中間斷面溫度分布Fig.8 Surface temperature distribution of the first carriage with the top openings

3.2 模型二不同開口率的自然通風效果

由3.1 節可知，頂部開口率為10%和20%的換氣量和換熱量都很接近，沿程斷面平均溫度和車體周圍區域溫度均低于40℃。為保證最佳隔音效果，聲屏障頂部可只開1 個板即10%開口率。本節繼續研究一個完整區間列車阻塞的工況，采用490m 長的對稱數值計算模型二。根據設計方案，頂部10%開口率時可采用一塊百葉風口，由于風口百葉有一定阻擋作用，使風口的凈流通面積減小，現分別考慮風口位于板1，且開度減小使頂部凈開口率降低到10%、7%、5%的工況，探索這三種工況下的自然通風效果。考慮極端室外氣候，室外空氣計算溫度選取33.5℃，每列車頂部空調冷凝器散熱強度為36kW。

（1）聲屏障內換氣量和斷面平均溫度

圖9 為不同凈開口率下聲屏障內的換氣量結果，三種開口率下換氣量基本相當，隨著開口率的降低，換氣量略有上升。

圖9 模型二不同開口率下進出口空氣流量Fig.9 Air flow rate of the inlet and the outlet under different openings of model 2

圖10 給出了不同凈開口率下聲屏障內斷面空氣平均溫度分布，為方便比較，圖中僅顯示車附近90 m 范圍的結果。由圖可知，三種開口率下斷面空氣平均溫度均低于40℃，其中10%開口率的溫度分布略高，7%與5%開口率下空氣溫度分布較為接近。5%的凈開口率能滿足列車阻塞時的通風換氣，使聲屏障內空氣溫度滿足設計要求。

圖10 模型二聲屏障內斷面平均溫度分布Fig.10 Average temperature distribution inside the sound barrier of model 2

（2）不同開口率下的斷面溫度分布

不同開口率下第一節車廂中間斷面溫度分布如圖11所示。由圖可知，斷面右側區域溫度普遍高于左側，主要是由于太陽輻射得熱在右側區域累積，右側區域受列車阻塞空間的限制，空氣流動弱，且冷凝器散熱部位布置于車廂頂部。開口率7%和10%的斷面溫度局部高于40℃的范圍更大，開口率5%時，斷面整體溫度分布最低，且較為均勻，滿足設計要求。聲屏障頂部設置通風消聲百葉，即使百葉凈流通面積僅有一半，自然通風降溫也是可行的。

圖11 模型二不同開口率下第一節車廂中間斷面溫度分布Fig.11 Surface temperature distribution of the first carriage with different opening ratios for model 2

4 結論

本文針對北京地鐵5 號線噪聲治理中在高架段明線上加裝聲屏障后的通風問題，開展了CFD數值模擬計算，對列車阻塞工況聲屏障頂部不同開口情況下的自然通風效果進行了分析，得到以下結論：

（1）當同時考慮列車空調冷凝器散熱和太陽輻射得熱時，頂部不開口，聲屏障內斷面空氣平均溫度最高可達70℃，不滿足設計要求，聲屏障頂部必須設置開口。

（2）相同開口率下，開口位置越靠近頂部中間位置，熱壓作用越強，通風換氣量越大，聲屏障內熱空氣更易從頂部開口流出，自然通風降溫效果越好；開口越靠近聲屏障側面位置，頂部熱氣流較難排出，換熱效果稍差。

（3）頂部采用通風消聲百葉且頂部凈開口率為5%時，聲屏障內的不同斷面空氣平均溫度仍低于40℃，滿足設計要求，列車阻塞時冷凝器能正常工作。