氣動荷載作用下Y型高速鐵路聲屏障上脈動風壓分布規律分析

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際的技術手段之一。列車通過時，聲屏障會受到列車脈動風壓的作用，隨著速度的提升，脈動風壓會隨之增加，可能會導致聲屏障發生強度破壞，因此對聲屏障的結構設計要求更高。目前國內外學者對直立式聲屏障的研究較為普遍，對其它結構型式聲屏障的研究較少。本文借助有限元軟件ANSYS和計算流體力學軟件FLUENT對列車高速通過時，Y型高速鐵路聲屏障上脈動風壓的分布規律進行分析，并研究不同折板角度對Y型高速鐵路聲屏障上所受脈動風壓的影響，結果表明：聲屏障的直立面板和折板在列車頭波的作用下產生了先正后負的脈動風壓中心，相對應的在列車尾波的作用下，聲屏障直立面板和折板產生了先負后正的脈動風壓中心，且最大壓力中心出現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，折板和面板的脈動風壓峰值逐漸降低并趨于穩定，且直立面板的脈動風壓峰值大于折板的脈動風壓峰值。

關鍵詞：高速鐵路;Y型聲屏障，脈動風壓;計算流體力學

引言

高速鐵路蓬勃發展給人帶來便利的同時，一些問題也逐漸暴露出來，高速鐵路噪聲就是其中之一。尤其當高速鐵路駛過居民聚集區時，噪聲問題已嚴重影響到周邊居民日常的生產生活。鐵路沿線設置聲屏障結構是降低噪聲污染、建設環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，列車周圍的空氣會被急劇壓縮，從而產生十分強烈的脈動風壓，可能會導致聲屏障發生強度破壞，因此對列車空氣動力學問題進行研究是很有必要的。目前國內外學者對直立式聲屏障的研究較為普遍，對其它結構型式聲屏障的研究較少。因此結合有限元軟件ANSYS和計算流體力學軟件FLUENT，運用數值仿真的方法對列車高速駛過Y型聲屏障時聲屏障上脈動風壓分布規律分析具有十分重要的意義。

1 聲屏障列車脈動風壓數值分析模型

1.1列車幾何模型

采用CRH380A車型，較細致的建立頭車、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標準《橋梁金屬聲屏障通環（2016，8323）》。本文主要是圍繞列車對聲屏障的脈動風壓作用展開研究，對橋面的附屬結構進行簡化處理，忽略附屬設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，底面與梁頂的距離為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 確定計算域

采用的高速列車與聲屏障外流場計算域取為300m50m30m。

1.4網格劃分

利用ANSYS ICEM CFD軟件對CRH380A型高速列車和聲屏障的外流場區域進行網格劃分，采用非結構網格和結構網格相結合的混合網格組合法，主要分為兩個部分，即高速列車所在計算域和聲屏障所在計算域，兩部分網格分別進行劃分。

1.5數值模擬計算

將建立好的三維數學分析模型導入計算流體力學軟件FLUENT，對分析模型進行初始條件、邊界條件及求解器的設置，迭代求解。

2? Y型聲屏障上脈動風壓分布規律分析

2.1聲屏障上脈動風壓分布規律

本小節對車速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型聲屏障進行脈動風壓數值模擬，對Y型聲屏障上脈動風壓分布規律進行分析。

分析發現，列車頭波作用下的聲屏障首先受到一個急劇增大的正壓作用，緊接著收到一個反向急劇增大的負壓作用。中間車附近的脈動風壓則很小，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，其先受到負壓作用再緊接著收到正壓作用。且尾波的壓力峰值會比頭波的壓力峰值小，大概為頭波壓力峰值的60%～80%。

在聲屏障脈動風壓云圖正負壓區中心沿著聲屏障高度方向各取一條直線，進一步分析聲屏障面板上正負壓區的脈動風壓沿聲屏障高度的變化規律。結果顯示在車頭處Y型聲屏障正壓區沿聲屏障高度脈動風壓變化規律是底部脈動風壓值最大，自下而上脈動風壓先緩慢減小，在接近Y型折板區域時開始急劇降低，底部脈動風壓值約為頂部風壓的2.36倍。在車頭處Y型聲屏障負壓區脈動風壓分布規律同車頭正壓處，底部脈動風壓值約為頂部風壓的1.59倍。且不管是聲屏障表面的正壓區還是負壓區，直立面板的脈動風壓峰值總要大于Y型折板的脈動風壓峰值。

2.2不同折板角度對Y型聲屏障上脈動風壓影響

本小節對高度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工況下的脈動風壓進行數值仿真計算，研究Y型聲屏障折板角度對Y型聲屏障所受脈動風壓的影響。

結果顯示，聲屏障上表面脈動風壓的分布規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，其脈動風壓峰值是逐漸降低并且趨于穩定，且直立面板的脈動風壓峰值大于折板的脈動風壓峰值。

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