高速鐵路聲屏障氣動力的數值模擬研究與試驗驗證

朱正清,成志強

(1.鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300142；2.西南交通大學力學與工程學院,成都 610031)

高速鐵路在給人們生活帶來便利,使物流更加快捷的同時,也引起噪聲污染,并且噪聲問題隨速度提升而日趨嚴重[1-3]。為打造綠色鐵路,具有吸聲、隔聲功能的聲屏障被廣泛應用于鐵路沿線以降低噪聲。國外研究經驗表明：高速行駛的列車使列車周圍的空氣產生強烈擾動,當行駛的列車高速通過聲屏障瞬間,這一擾動將會加劇,引起聲屏障表面的空氣壓力發生突變,形成一種瞬態壓力沖擊,在幾十毫秒之間相繼出現正負壓力峰值,這一瞬態壓力沖擊即為列車駛過聲屏障時產生的氣動力；氣動力的大小與速度的平方、列車流線形狀、軌道邊建筑物的高度、建筑物離軌道的距離有關[4-7]。德國在紐倫堡—英戈斯塔特的測試試驗結果表明,高速列車駛過聲屏障時的壓力波表現出明顯的“頭波”和“尾波”特性[8],如圖1所示,即列車車鼻進入聲屏障時,聲屏障近軌迎風面先承受正壓,再承受負壓；尾部進入聲屏障時則相反,先承受負壓,再承受正壓。德國的測試獲得了聲屏障關鍵點的壓力時程曲線,但由于測點較少,無法得到聲屏障迎風面壓力場的分布。聲屏障的受力狀態與聲屏障表面壓力場的分布直接相關,氣動力可導致聲屏障結構的瞬時應力過大或疲勞破壞,國外已有一些失敗的工程案例[9-10]。為了分析列車高速通過聲屏障時其結構的安全性,本文采用數值模擬與現場測試試驗相結合的方法探索聲屏障壓力場的特性,以測試結果驗證模擬方法的有效性,采用數值模擬彌補現場測試工況條件的限制,為高速鐵路聲屏障的設計提供依據。

圖1 重聯動車組典型壓力時程曲線

1 力學模型

高速列車在聲屏障內側運行時所引起的氣流場是復雜的可壓縮、非定常湍流。目前高速列車最高運營時速為350 km,對應的馬赫數是0.286。通常對馬赫數小于0.3的流體,可簡化為不可壓縮流體計算,故連續性方程可簡化為

·V=0

(1)

式中,V為流場速度。

流場還需滿足動量守恒定律,即為Navier-Stocks方程,表達式如下

(2)

式中,ρ為密度；t為時間；FRe為雷諾應力相關項；P為壓力；μ為動力黏度。

式(2)中雷諾應力相關項采用RNGk-ε湍流模型求得。對于以上考慮湍流作用的控制方程,采用Fluent軟件自帶的瞬態SIMPLER算法求解器計算。

2 數值模型

依據我國高速鐵路橋梁工況,聲屏障內緣離外軌中心線的距離為3.34 m,列車最高行駛速度350 km/h,聲屏障高度按3.15 m,厚度0.14 m,防撞墻內側距軌道中心線為2.2 m,防撞墻高出聲屏障底部0.4 m,防撞墻寬度0.2 m。 計算以CRH2車型為例, 列車長度201.4 m,寬3.38 m,高3.7 m。考慮計算機硬件的計算能力,對列車某些結構進行簡化,具體簡化措施為：(1)去掉轉向架；(2)不考慮受電弓；(3)把動車間的結合部位簡化成與車輛表面形狀一致的光滑曲面；(4)忽略擋砟墻結合縫、軌枕和道床的影響；(5)忽略了聲屏障H型鋼立柱、接觸網立柱和混凝土基礎等結構。

高速列車駛過聲屏障時,壓力波的影響區在理想狀況下是無限遠的,這樣求解域的尺寸越大,計算結果越接近真實值。但由于受計算條件的限制,只能取適合計算尺度的求解域。通過選取不同的求解域反復試算,觀察求解域邊界的壓力值是否接近無限遠邊界處的壓力場和速度場,以及列車車鼻流場和尾流區的變化規律,確定計算區總長度取為260 m,寬12 m(距軌道中心距各為6 m),高10 m,列車底部距計算區域底面為0.4 m。由于求解區域的復雜性,采用非結構化單元對求解域進行網格劃分,共用非結構化的四面體單元524 267個,節點112 069個,列車、聲屏障和擋砟墻表面的網格如圖2所示。

圖2 計算模型表面網格

高速列車行駛使其附近的空氣域產生較大的速度梯度,這樣必須考慮空氣的黏度,列車表面、列車底部地面、聲屏障迎風面、背風面和防撞墻表面等固體邊界的速度均設置為無滑移的壁面邊界條件。求解域頂面和兩側面均離列車較遠,將其設置為無限遠場的壓力邊界條件；求解域前后邊界跟列車運行方向垂直,其流體壓力接近零值,將其設置為壓力為零的出口邊界條件。

3 CRH2動車組駛過聲屏障時的氣動力模擬分析

列車駛過聲屏障時,迎風面和背風面均承受氣動壓力,迎風面的壓力遠大于背風面。聲屏障的結構強度與迎風面和背風面的壓差,即有效壓力直接相關。基于以上數值模型,應用Fluent軟件模擬列車進入聲屏障過程中壓力場的變化,并在后處理中通過差值方法計算有效壓力,計算得到“頭波”的有效正負壓力的峰值,如表1所示(本文中的壓力均指有效壓力)。

表1 模擬所得有效壓力峰值

車鼻駛至聲屏障端口外0.2 m時,“頭波”正壓場已經形成,正壓峰值達到906 Pa；車鼻進入聲屏障1.7 m時,“頭波”正壓峰值達到最大值1 039 Pa；隨著車鼻的繼續進入,壓力峰值開始減小,穩定在863 Pa左右。隨著“頭波”正壓場的前移,負壓場開始形成,“頭波”負壓峰值從1.7 m處的-408 Pa增大到8.5 m處的最大值-859 Pa,之后達到穩定值-789 Pa,最大負壓發生在車鼻進入聲屏障8.5 m處。由此可推斷CRH2動車組進入聲屏障時“頭波”正負壓峰值的穩定值與車鼻在聲屏障中部行駛時相同。正壓峰值達到最大值時的壓力場云圖如圖3所示,正壓場呈“靶形”,“靶心”正壓值最大,距“靶心”越遠壓力越小,“靶心”位于聲屏障入口約3 m、高1.2 m處。負壓峰值達到最大值時的壓力場云圖如圖4所示,負壓場亦呈“靶形”,與正壓場的壓力分布規律相同,“靶心”位于聲屏障入口約4 m、高1 m處。

圖3 最大正壓發生時刻模擬壓力場云圖

圖4 最大負壓發生時刻模擬壓力場云圖

4 工程測試試驗

現場測試在某鐵路特大橋的聲屏障試驗段進行,插板式聲屏障由鋁合金單元板和H型鋼立柱裝配而成,立柱標準間距2 m,由小里程往大里程聲屏障高度由3.15、2.65、2.15 m依次分布,長度分別為130.1、53.4、110.1 m,靠近聲屏障一側的軌道為試驗軌道,屏障距近軌中心3.34 m,聲屏障與橋梁遮板采用混凝土基礎、螺栓連接,以CRH2型動車組為試驗車輛,試驗進行了不同高度聲屏障立柱、單元板的壓力、應力、位移、固有頻率等測試。在3.15 m聲屏障的端口至8.7 m處設置了28個差壓式壓力傳感器,測得“頭波”壓力峰值達到最大時的壓力云圖,如圖5所示,壓力云圖呈“靶形”,“靶心”位于聲屏障入口約4 m、高1 m處,最大正壓1 012 Pa。模擬所得“頭波”正壓壓力場與測試結果相比,不論是壓力場形狀還是正壓峰值大小均非常接近。“頭波”最大正壓發生點的模擬結果與測試有一定差異,這與模型中未考慮聲屏障內側接觸網立柱和擋砟墻的縫隙有關。

圖5 最大正壓發生時刻測試壓力場云圖

測試得到負壓峰值發生時刻的壓力場云圖如圖6所示,最大負壓-851 Pa,亦位于聲屏障入口約4 m、高1 m處。模擬所得“頭波”負壓場與測試結果在風壓場形狀和最大負壓值均非常一致。現場測試和數值模擬結果均表明“尾波”的正負壓力場亦呈“靶形”,由于“尾波”的最大正負壓力均明顯小于“頭波”。

圖6 最大負壓發生時刻測試壓力場云圖

測試風壓極值、應力極值均低于理論計算值,立柱、單元板位移極值均在設計許可范圍內；測試所得聲屏障的風壓場與數值模擬結果吻合較好,測試所得列車速度與風壓的關系與理論類比值的總體趨勢一致；聲屏障固有頻率遠大于列車產生的脈動風壓頻率3～5 Hz,不會發生共振效應。試驗驗證了插板式聲屏障設計參數正確、結構強度及剛度滿足要求、連接方式可行。

5 最大壓力與速度、聲屏障高度以及距外軌中心距離的關系

測試試驗研究表明,CRH2動車組駛入聲屏障時,“頭波”正壓峰值略大于其負壓峰值；駛出聲屏障時,“頭波”負壓峰值僅略大于其正壓峰值,這樣可以簡單采用最大正壓作為最大壓力,為聲屏障設計提供依據。下面結合橋面寬12 m的聲屏障專項試驗測試和橋面寬13.4 m的聲屏障測試,探索最大正壓和速度、聲屏障高度以及距外軌中心距離的關系。CRH2動車組以225～350 km/h 各速度駛入某鐵路特大橋3.15 m聲屏障時,最大正壓與車速的關系曲線如圖7所示。列車交匯壓力波研究表明,一車靜止,另一車行駛交會時壓力波峰值與列車速度的平方成正比[5，6]。為找出聲屏障壓力與列車行駛速度的關系,以列車速度260 km/h時的正壓峰值541 Pa作為基準點,根據壓力與速度的平方成正比的關系,計算出各速度下相應的理論壓力類比值。由圖7可見,測試值曲線與基于測試值的理論類比值在趨勢上一致,模擬所得壓力-速度關系曲線與測試理論類比曲線總體平行,證實了壓力與速度平方的線性關系,也驗證了模擬方法的可行性。CRH2動車組以不同速度駛出聲屏障時,壓力與速度亦有同樣關系,僅“頭波”最大正壓略小于最大負壓,數據不再一一列出。

圖7 最大正壓與速度的關系

CRH2動車組以350 km/h速度駛過某鐵路特大橋聲屏障時,布置于3.15、2.65 m和2.15 m的壓力傳感器陣列記錄下各測點壓力時程變化過程,這樣可獲得各高度聲屏障的最大正壓值,最大正壓與聲屏障高度的關系曲線，如圖8所示。測試與模擬結果均顯示,速度和外軌中心距一定時,最大正壓隨聲屏障高度的增加而增加,且增幅亦隨聲屏障高度增加而增加。

圖8 最大正壓與聲屏障高度的關系

通過對比既有客運專線鐵路橋面寬13.4 m、聲屏障高3.15 m、距外軌中心的距離4.1 m、CRH2動車組在時速330 km經過聲屏障時的壓力測試結果,與某鐵路特大橋在同樣時速下的測試結果可知,同樣速度下,距外軌中心的距離由3.34 m變為4.1 m時,聲屏障的最大正壓由843 Pa下降為700 Pa,降幅16.9%。模擬結果顯示,最大正壓隨距外軌中心距離的增大線性遞減，如圖9所示。

圖9 最大正壓與聲屏障距外軌中心距離的關系

6 結論

通過對高速列車駛過聲屏障時氣動力的模擬和聲屏障試驗段的測試,驗證了聲屏障迎風面壓力場具有典型“頭波”和“尾波”特征,“頭波“的正負壓力峰值均大于“尾波”。 “頭波”先形成正壓場后形成負壓場；“尾波”先形成負壓場后形成正壓場,其壓力場形狀均為“靶形”, “靶心”壓力值最大,距“靶心”越遠壓力值越小。CRH2動車組駛入聲屏障時,“頭波”正壓峰值略大于其負壓峰值；駛出聲屏障時,“頭波”負壓峰值僅略大于其正壓峰值,可以用最大正壓作為聲屏障設計依據。數值模擬和試驗研究表明,壓力波的最大正壓與速度的平方成正比,隨聲屏障距近軌中心的距離增大而線性減小,隨聲屏障高度的增加而增加,呈非線性加速增加。

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