鐵路橋梁聲屏障氣動力初步分析

董 宇，成志強，朱正清

(1.西南交通大學 力學與工程學院，成都610031;2.鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津300040)

隨著京津城際的開通和客運專線的運營，列車在給人們帶來便捷交通的同時，也引發了噪聲的問題，而聲屏障是降噪的最有效手段之一。列車快速通過聲屏障產生的氣動力對于聲屏障的結構設計非常重要。本文應用商業流體分析軟件FLUENT對列車在聲屏障中運行產生的氣動力進行了數值模擬，得到了聲屏障氣動力壓力場的分布規律，為聲屏障的結構設計提供了參考。

1 數值模擬

1.1 工況

以客運專線某特大橋試驗段上的聲屏障為例，聲屏障離列車中心線3.40 m，聲屏障高2.15 m，厚度為0.15 m。列車和聲屏障之間有防撞墻，防撞墻離列車中心線為2.20 m，防撞墻高出聲屏障底部0.37 m，厚度為0.20 m。模擬中以列車在聲屏障中部的運行速度324 km/h(90 m/s)作為模擬工況(圖1)。

圖1 數值計算中的坐標系

1.2 幾何模型

采用三節車模型進行模擬，即整個模型由首尾兩個車頭、中間一節車輛組成。其中車頭長25.70 m，車輛長 25.00 m，列車長、寬、高分別為 76.40、3.38、3.70 m。空氣域的上邊界距聲屏障底部10 m，左右邊界分別距離列車中心線10 m。計算區域采用四面體非結構化網格，網格的單元數約為30萬個。

在數值模型中，聲屏障是固定不動的，列車相對聲屏障運動。這使得計算域的網格需要進行相應的更新，以避免奇異網格的出現。在FLUENT中可采用動網格實施網格的更新，具體可通過三種方式實現:①Smoothing Methods，這個方法用來確定網格節點在下一時間步時的位置，節點并不增減，相應的網格數量不變，但傾斜率將發生變化;② Dynamic Layering，這種方法用于結構化網格，通過判斷網格層之間的距離，確定網格節點是否增減;③ Local Remeshing Methods，這種方法通過判斷網格最大、最小尺寸和最大網格傾斜率，確定網格節點是否重生成，這種方法只適用于四面體或三角形網格。FLUENT對不同的方法給出了相應的控制參數，通過設定動區域的參數即可實現計算域的變化。在模擬中以上三種控制參數都被采用。

2 邊界條件和計算方法

2.1 邊界條件

在聲屏障入口處采用壓力入口邊界條件，入口壓力為工作環境壓力101 325 Pa;在聲屏障出口處采用壓力出口邊界條件，出口壓力亦為工作環境壓力;左右邊界及頂部的壓力為工作環境壓力;列車表面、防撞墻表面、聲屏障表面和底部邊界均采用無滑移壁面條件。由于馬赫數小于0.3［1］，空氣可視為不可壓縮氣體，其密度為 1.225 kg/m3，黏性系數為 1.789e－05 kg/m·s。

2.2 計算方法

在FLUENT軟件中采用非定常、不可壓縮的RANS方程和k(湍動能)－ε(湍動耗散率)二方程模型，對高速列車在聲屏障中部的運行進行數值模擬。FLUENT軟件是基于有限體積法開發的，在本文的模擬中動量、能量、k和ε方程中的對流項均采用一階迎風格式求解，擴散項采用中心差分格式求解，并采用SIMPLE算法解算壓力速度耦合問題。列車的運動速度使用FLUENT的自定義函數UDF定義。

3 數值模擬結果分析及驗證

3.1 聲屏障內側的氣動力

基于以上的幾何模型和網格計算得到了聲屏障內側的氣動力分布情況。

列車車頭與聲屏障的相對位置如圖2(a)所示，對應位置的氣動力云圖如圖2(b)所示。

圖2 車頭附近聲屏障的局部氣動力

列車車尾與聲屏障的相對位置如圖3(a)所示，對應位置的氣動力云圖如圖3(b)所示。

圖3 車尾附近聲屏障的局部氣動力

由圖4可以看到，聲屏障內側氣動力具有明顯的“首波”和“尾波”特征，“首波”和“尾波”分別發生在車頭和車尾附近。就絕對值而言，“首波”的正壓大于負壓，“尾波”負壓略大于正壓。在列車的中部位置，聲屏障上的氣動力很小，趨近于零。

圖4 聲屏障內側同一高度H=0上的XY圖

聲屏障內側不同高度直線上的壓力峰值由表1所示，聲屏障內側的壓力峰值的絕對值在聲屏障底部即H=0 m處取得最大值，沿聲屏障越往上壓力峰值的絕對值越小。同一高度直線上，“首波”比“尾波”的正壓峰值大，但“首波”的負壓峰值絕對值比“尾波”的負壓峰值絕對值小。

表1 聲屏障不同高度直線上的壓力峰值 Pa

3.2 聲屏障外側的氣動力的分布

由圖5(a)和圖5(b)可以看到列車車頭和車尾附近聲屏障外側的氣動力分布，分別在車頭和車尾附近聲屏障的外側形成一個壓力波。并且從圖5中可以看到，與聲屏障內側的氣動力分布情況不一樣的是，沿聲屏障外側表面越往上其壓力絕對值越大。

圖5 聲屏障外側氣動力分布

圖6為聲屏障外側頂端直線的氣動力XY圖，由圖6可以知道，除了分別在車頭和車尾附近的聲屏障上會產生兩個壓力波外，在列車中間區域的聲屏障上的壓力值很小，趨近于零，這與聲屏障內側的分布基本情況相同。

圖6 聲屏障外側同一高度H=2.15 m上的XY圖

3.3 實測結果

測試地點為紐倫堡—英戈斯塔特，測試速度為330 km/h，聲屏障高度為3 m，聲屏障與軌道中心距離為4 m，測試列車為短列車。

圖7 聲屏障內側高度H=0 m上某點脈動風壓時程

圖7為聲屏障內側高度H=0直線上某點的脈動風壓時程圖［2］，由此圖可看到，在列車車頭經過此點時產生一個壓力波，列車車尾經過時又產生一個壓力波，脈動風壓最大值為673 Pa，最小值為 －602 Pa。

當列車在聲屏障內直線勻速運行時，聲屏障上的壓力分布只是隨列車的運動而在聲屏障上移動，其大小和分布規律都不變，所以當圖7的橫坐標變成時間乘以列車的運行速度后就成為聲屏障內側高度H=0上從車頭到車尾方向的壓力分布圖，其縱坐標值不變，此時的圖形和圖4類似。通過圖4和圖7的峰值和曲線形狀的比較發現數值模擬所得到的結果和測試結果氣動力的規律相同，氣動力的極值有較小的差異，但由于本文所計算工況和測試工況的聲屏障高度、離外軌中心線的距離和速度均有一定差別，所以脈動風壓值的差別也是合理的可以接受的。

4 結論

通過數值模擬得到了聲屏障氣動力分布規律，數值模擬結果得到實際測試結果的驗證，證實了本文中聲屏障氣動力的模擬方法的可行性，該模擬方法為聲屏障的結構設計提供必要的氣動力數據。

［1］賀德馨.風工程和工業空氣動力學［M］.北京:國防工業出版社，2006.

［2］德國PEC+S工程設計咨詢服務有限公司.客運專線聲屏障咨詢報告［R］.德國:德國PEC+S工程設計咨詢服務有限公司，2007.

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