铁路桥梁声屏障气动力初步分析

董 宇，成志强，朱正清

(1.西南交通大学 力学与工程学院，成都610031;2.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300040)

随着京津城际的开通和客运专线的运营，列车在给人们带来便捷交通的同时，也引发了噪声的问题，而声屏障是降噪的最有效手段之一。列车快速通过声屏障产生的气动力对于声屏障的结构设计非常重要。本文应用商业流体分析软件FLUENT对列车在声屏障中运行产生的气动力进行了数值模拟，得到了声屏障气动力压力场的分布规律，为声屏障的结构设计提供了参考。

1 数值模拟

1.1 工况

以客运专线某特大桥试验段上的声屏障为例，声屏障离列车中心线3.40 m，声屏障高2.15 m，厚度为0.15 m。列车和声屏障之间有防撞墙，防撞墙离列车中心线为2.20 m，防撞墙高出声屏障底部0.37 m，厚度为0.20 m。模拟中以列车在声屏障中部的运行速度324 km/h(90 m/s)作为模拟工况(图1)。

图1 数值计算中的坐标系

1.2 几何模型

采用三节车模型进行模拟，即整个模型由首尾两个车头、中间一节车辆组成。其中车头长25.70 m，车辆长 25.00 m，列车长、宽、高分别为 76.40、3.38、3.70 m。空气域的上边界距声屏障底部10 m，左右边界分别距离列车中心线10 m。计算区域采用四面体非结构化网格，网格的单元数约为30万个。

在数值模型中，声屏障是固定不动的，列车相对声屏障运动。这使得计算域的网格需要进行相应的更新，以避免奇异网格的出现。在FLUENT中可采用动网格实施网格的更新，具体可通过三种方式实现:①Smoothing Methods，这个方法用来确定网格节点在下一时间步时的位置，节点并不增减，相应的网格数量不变，但倾斜率将发生变化;② Dynamic Layering，这种方法用于结构化网格，通过判断网格层之间的距离，确定网格节点是否增减;③ Local Remeshing Methods，这种方法通过判断网格最大、最小尺寸和最大网格倾斜率，确定网格节点是否重生成，这种方法只适用于四面体或三角形网格。FLUENT对不同的方法给出了相应的控制参数，通过设定动区域的参数即可实现计算域的变化。在模拟中以上三种控制参数都被采用。

2 边界条件和计算方法

2.1 边界条件

在声屏障入口处采用压力入口边界条件，入口压力为工作环境压力101 325 Pa;在声屏障出口处采用压力出口边界条件，出口压力亦为工作环境压力;左右边界及顶部的压力为工作环境压力;列车表面、防撞墙表面、声屏障表面和底部边界均采用无滑移壁面条件。由于马赫数小于0.3［1］，空气可视为不可压缩气体，其密度为 1.225 kg/m3，黏性系数为 1.789e－05 kg/m·s。

2.2 计算方法

在FLUENT软件中采用非定常、不可压缩的RANS方程和k(湍动能)－ε(湍动耗散率)二方程模型，对高速列车在声屏障中部的运行进行数值模拟。FLUENT软件是基于有限体积法开发的，在本文的模拟中动量、能量、k和ε方程中的对流项均采用一阶迎风格式求解，扩散项采用中心差分格式求解，并采用SIMPLE算法解算压力速度耦合问题。列车的运动速度使用FLUENT的自定义函数UDF定义。

3 数值模拟结果分析及验证

3.1 声屏障内侧的气动力

基于以上的几何模型和网格计算得到了声屏障内侧的气动力分布情况。

列车车头与声屏障的相对位置如图2(a)所示，对应位置的气动力云图如图2(b)所示。

图2 车头附近声屏障的局部气动力

列车车尾与声屏障的相对位置如图3(a)所示，对应位置的气动力云图如图3(b)所示。

图3 车尾附近声屏障的局部气动力

由图4可以看到，声屏障内侧气动力具有明显的“首波”和“尾波”特征，“首波”和“尾波”分别发生在车头和车尾附近。就绝对值而言，“首波”的正压大于负压，“尾波”负压略大于正压。在列车的中部位置，声屏障上的气动力很小，趋近于零。

图4 声屏障内侧同一高度H=0上的XY图

声屏障内侧不同高度直线上的压力峰值由表1所示，声屏障内侧的压力峰值的绝对值在声屏障底部即H=0 m处取得最大值，沿声屏障越往上压力峰值的绝对值越小。同一高度直线上，“首波”比“尾波”的正压峰值大，但“首波”的负压峰值绝对值比“尾波”的负压峰值绝对值小。

表1 声屏障不同高度直线上的压力峰值 Pa

3.2 声屏障外侧的气动力的分布

由图5(a)和图5(b)可以看到列车车头和车尾附近声屏障外侧的气动力分布，分别在车头和车尾附近声屏障的外侧形成一个压力波。并且从图5中可以看到，与声屏障内侧的气动力分布情况不一样的是，沿声屏障外侧表面越往上其压力绝对值越大。

图5 声屏障外侧气动力分布

图6为声屏障外侧顶端直线的气动力XY图，由图6可以知道，除了分别在车头和车尾附近的声屏障上会产生两个压力波外，在列车中间区域的声屏障上的压力值很小，趋近于零，这与声屏障内侧的分布基本情况相同。

图6 声屏障外侧同一高度H=2.15 m上的XY图

3.3 实测结果

测试地点为纽伦堡—英戈斯塔特，测试速度为330 km/h，声屏障高度为3 m，声屏障与轨道中心距离为4 m，测试列车为短列车。

图7 声屏障内侧高度H=0 m上某点脉动风压时程

图7为声屏障内侧高度H=0直线上某点的脉动风压时程图［2］，由此图可看到，在列车车头经过此点时产生一个压力波，列车车尾经过时又产生一个压力波，脉动风压最大值为673 Pa，最小值为 －602 Pa。

当列车在声屏障内直线匀速运行时，声屏障上的压力分布只是随列车的运动而在声屏障上移动，其大小和分布规律都不变，所以当图7的横坐标变成时间乘以列车的运行速度后就成为声屏障内侧高度H=0上从车头到车尾方向的压力分布图，其纵坐标值不变，此时的图形和图4类似。通过图4和图7的峰值和曲线形状的比较发现数值模拟所得到的结果和测试结果气动力的规律相同，气动力的极值有较小的差异，但由于本文所计算工况和测试工况的声屏障高度、离外轨中心线的距离和速度均有一定差别，所以脉动风压值的差别也是合理的可以接受的。

4 结论

通过数值模拟得到了声屏障气动力分布规律，数值模拟结果得到实际测试结果的验证，证实了本文中声屏障气动力的模拟方法的可行性，该模拟方法为声屏障的结构设计提供必要的气动力数据。

［1］贺德馨.风工程和工业空气动力学［M］.北京:国防工业出版社，2006.

［2］德国PEC+S工程设计咨询服务有限公司.客运专线声屏障咨询报告［R］.德国:德国PEC+S工程设计咨询服务有限公司，2007.

［3］梁习锋，田红旗.动力车纵向气动力风洞实验及数值模拟［J］.国防科技大学学报，2003，25(6):101 －105.

［4］何连华，赵鹏飞.武汉站高速列车过站列车风的数值模拟研究 ［J］.铁道建筑，2008(8):108 －111.