自然風作用下高速鐵路聲屏障的數值模擬研究

王宏朝,王東霞,劉萌萌,田彥彥

（鄭州華信學院,河南新鄭,451150）

0 引言

為了降低列車行駛過程中所引起的噪聲污染，需要在鐵路與居民區之間安置聲屏障。高速列車在通過聲屏障的瞬間會形成瞬態脈動壓力沖擊，國內外已發生多個聲屏障由脈動力沖擊而遭破壞的案例，而往往聲屏障所受到的工況為列車風致脈動力和自然風荷載等載荷的綜合作用，特別在沿海的多風地區，自然風荷載的作用更為顯著，這就使得在對聲屏障進行結構設計時必須考慮其抗風壓性能。

故本文利用計算流體力學軟件Fluent，通過將自然風場引入計算域，對在列車風致脈動力與自然風荷載聯合作用下的高速鐵路聲屏障進行數值模擬，分析兩類載荷的疊加方式，并推導出峰值壓力的理論公式，研究結果對聲屏障的結構設計具有一定的指導意義。

1 建立仿真模型

1.1 數學模型

因高速列車行駛車速一般低于350km/h，對應馬赫數Ma小于0.3，故列車運行時的外流場一般按不可壓縮定常流動處理，又因雷諾數大于106，流體處于湍流狀態。通過綜合比較，本文采用 兩方程模型。

1.2 幾何模型

本次仿真中參考CRH2車型對計算域進行建模，并以Parasolid格式進行導出。鑒于計算機的性能，該模型無法完全模擬列車的真實情況，必須對其進行一定的簡化，如去掉受電弓、縮短車身長度等。另外，通過試算確定計算域的尺寸，最終所得計算域具體參數為200m×50m×10m，其中列車長100m，聲屏障150m×3.15m×0.2m，其距內軌中心距為3.8m，列車底部距地面0.2m。

2 仿真結果及分析

2.1 自然風影響下聲屏障表面不同高度上的壓力分布及其分析

在此基礎上引入自然風場，得到聲屏障12個不同高度上的風壓曲線，如圖1所示，由圖可以看出，與無風狀態相比，聲屏障所受的自然風荷載和列車風致脈動力的復合載荷呈現出完全相反的變化趨勢，在1.8m以下風壓曲線基本重合，而高于1.8m以上的部分，其脈動風壓沿著聲屏障高度方向逐漸增大，且增大趨勢逐漸加快，這是由于在此高度范圍內，列車與聲屏障之間產生一個低壓渦流，加大了聲屏障近車面上所受到的峰值負壓。

2.2 不同風速對聲屏障表面峰值壓力的影響

由于作用在聲屏障上的自然風荷載為穩態載荷，現假設其作為固定值線性疊加至列車風致脈動力中去。式3-1為無自然風狀態下的列車風致脈動力峰值的計算公式：

式中，表示聲屏障表面至鄰近線路中心線的距離系數，具體計算公式為 ； 表示聲屏障距軌道中心距，本文取3.8m；列車形狀系數 ； 表示列車車速(m/s)。

由文獻[4]可知聲屏障所受自然風荷載的理論計算公式為：

式中，為空氣密度，取 ； 為自然風速(m/s)。

由此可推導出其所受峰值壓力W的經驗公式如式3-3所示：

為驗證該公式的準確性，在給定的車速（350km/h）與風向角下，選取4個不同風速等級：8級(20m/s)、9級(24m/s)、10級(28m/s)、11級(32m/s)，迭代收斂后得到聲屏障近車面上同一高度下的峰值壓力，結果如表1所示。由表中數據可以看出，誤差已遠遠超出可接受的范圍，并隨著風速的增大而增大，表明自然風荷載和列車風致脈動力之間并非是簡單的線性疊加，兩者間存在著顯著的耦合作用。

表1 數值模擬結果與理論公式計算結果的誤差

2.3 復合載荷理論計算公式的提出及驗證

自然風荷載和列車風致脈動力復合疊加后所產生的峰值壓力相比兩者的線性疊加值要大，且差值百分比隨著風速的提高而不斷加大，圖2為兩者差值百分比與風速等級的關系曲線，由圖我們可以看出，兩者間呈現出明顯的線性遞增關系，這是由于兩者的耦合作用所造成的，借助MATLAB cftool工具可擬合出復合載荷峰值壓力差值百分比的計算公式3-4，該公式的相關系數R2=0.9917，具有相當高的可信度。

式中代表差值百分比。并結合式3-3重新推導出復合載荷作用下聲屏障所受脈動峰值壓力的理論計算公式，如下：

3 結論

圖1 自然風影響下聲屏障不同高度上的風壓曲線（單位：Pa）

圖2 復合載荷峰值壓力差值百分比與風速的關系擬合曲線

本文通過對復合載荷作用下的聲屏障外流場進行數值模擬，得到了在自然風荷載的作用下，高速鐵路聲屏障不同高度上的脈動風壓的分布規律，通過對各工況下聲屏障表面所受峰值壓力的分析可以得出兩類載荷的疊加方式，并擬合出峰值壓力的理論計算公式，經驗證該公式具有較高的精確度，可用于工程上的試算。

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