高速铁路声屏障气动力的数值模拟研究与试验验证

朱正清,成志强

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300142；2.西南交通大学力学与工程学院,成都 610031)

高速铁路在给人们生活带来便利,使物流更加快捷的同时,也引起噪声污染,并且噪声问题随速度提升而日趋严重[1-3]。为打造绿色铁路,具有吸声、隔声功能的声屏障被广泛应用于铁路沿线以降低噪声。国外研究经验表明：高速行驶的列车使列车周围的空气产生强烈扰动,当行驶的列车高速通过声屏障瞬间,这一扰动将会加剧,引起声屏障表面的空气压力发生突变,形成一种瞬态压力冲击,在几十毫秒之间相继出现正负压力峰值,这一瞬态压力冲击即为列车驶过声屏障时产生的气动力；气动力的大小与速度的平方、列车流线形状、轨道边建筑物的高度、建筑物离轨道的距离有关[4-7]。德国在纽伦堡—英戈斯塔特的测试试验结果表明,高速列车驶过声屏障时的压力波表现出明显的“头波”和“尾波”特性[8],如图1所示,即列车车鼻进入声屏障时,声屏障近轨迎风面先承受正压,再承受负压；尾部进入声屏障时则相反,先承受负压,再承受正压。德国的测试获得了声屏障关键点的压力时程曲线,但由于测点较少,无法得到声屏障迎风面压力场的分布。声屏障的受力状态与声屏障表面压力场的分布直接相关,气动力可导致声屏障结构的瞬时应力过大或疲劳破坏,国外已有一些失败的工程案例[9-10]。为了分析列车高速通过声屏障时其结构的安全性,本文采用数值模拟与现场测试试验相结合的方法探索声屏障压力场的特性,以测试结果验证模拟方法的有效性,采用数值模拟弥补现场测试工况条件的限制,为高速铁路声屏障的设计提供依据。

图1 重联动车组典型压力时程曲线

1 力学模型

高速列车在声屏障内侧运行时所引起的气流场是复杂的可压缩、非定常湍流。目前高速列车最高运营时速为350 km,对应的马赫数是0.286。通常对马赫数小于0.3的流体,可简化为不可压缩流体计算,故连续性方程可简化为

·V=0

(1)

式中,V为流场速度。

流场还需满足动量守恒定律,即为Navier-Stocks方程,表达式如下

(2)

式中,ρ为密度；t为时间；FRe为雷诺应力相关项；P为压力；μ为动力黏度。

式(2)中雷诺应力相关项采用RNGk-ε湍流模型求得。对于以上考虑湍流作用的控制方程,采用Fluent软件自带的瞬态SIMPLER算法求解器计算。

2 数值模型

依据我国高速铁路桥梁工况,声屏障内缘离外轨中心线的距离为3.34 m,列车最高行驶速度350 km/h,声屏障高度按3.15 m,厚度0.14 m,防撞墙内侧距轨道中心线为2.2 m,防撞墙高出声屏障底部0.4 m,防撞墙宽度0.2 m。 计算以CRH2车型为例, 列车长度201.4 m,宽3.38 m,高3.7 m。考虑计算机硬件的计算能力,对列车某些结构进行简化,具体简化措施为：(1)去掉转向架；(2)不考虑受电弓；(3)把动车间的结合部位简化成与车辆表面形状一致的光滑曲面；(4)忽略挡砟墙结合缝、轨枕和道床的影响；(5)忽略了声屏障H型钢立柱、接触网立柱和混凝土基础等结构。

高速列车驶过声屏障时,压力波的影响区在理想状况下是无限远的,这样求解域的尺寸越大,计算结果越接近真实值。但由于受计算条件的限制,只能取适合计算尺度的求解域。通过选取不同的求解域反复试算,观察求解域边界的压力值是否接近无限远边界处的压力场和速度场,以及列车车鼻流场和尾流区的变化规律,确定计算区总长度取为260 m,宽12 m(距轨道中心距各为6 m),高10 m,列车底部距计算区域底面为0.4 m。由于求解区域的复杂性,采用非结构化单元对求解域进行网格划分,共用非结构化的四面体单元524 267个,节点112 069个,列车、声屏障和挡砟墙表面的网格如图2所示。

图2 计算模型表面网格

高速列车行驶使其附近的空气域产生较大的速度梯度,这样必须考虑空气的黏度,列车表面、列车底部地面、声屏障迎风面、背风面和防撞墙表面等固体边界的速度均设置为无滑移的壁面边界条件。求解域顶面和两侧面均离列车较远,将其设置为无限远场的压力边界条件；求解域前后边界跟列车运行方向垂直,其流体压力接近零值,将其设置为压力为零的出口边界条件。

3 CRH2动车组驶过声屏障时的气动力模拟分析

列车驶过声屏障时,迎风面和背风面均承受气动压力,迎风面的压力远大于背风面。声屏障的结构强度与迎风面和背风面的压差,即有效压力直接相关。基于以上数值模型,应用Fluent软件模拟列车进入声屏障过程中压力场的变化,并在后处理中通过差值方法计算有效压力,计算得到“头波”的有效正负压力的峰值,如表1所示(本文中的压力均指有效压力)。

表1 模拟所得有效压力峰值

车鼻驶至声屏障端口外0.2 m时,“头波”正压场已经形成,正压峰值达到906 Pa；车鼻进入声屏障1.7 m时,“头波”正压峰值达到最大值1 039 Pa；随着车鼻的继续进入,压力峰值开始减小,稳定在863 Pa左右。随着“头波”正压场的前移,负压场开始形成,“头波”负压峰值从1.7 m处的-408 Pa增大到8.5 m处的最大值-859 Pa,之后达到稳定值-789 Pa,最大负压发生在车鼻进入声屏障8.5 m处。由此可推断CRH2动车组进入声屏障时“头波”正负压峰值的稳定值与车鼻在声屏障中部行驶时相同。正压峰值达到最大值时的压力场云图如图3所示,正压场呈“靶形”,“靶心”正压值最大,距“靶心”越远压力越小,“靶心”位于声屏障入口约3 m、高1.2 m处。负压峰值达到最大值时的压力场云图如图4所示,负压场亦呈“靶形”,与正压场的压力分布规律相同,“靶心”位于声屏障入口约4 m、高1 m处。

图3 最大正压发生时刻模拟压力场云图

图4 最大负压发生时刻模拟压力场云图

4 工程测试试验

现场测试在某铁路特大桥的声屏障试验段进行,插板式声屏障由铝合金单元板和H型钢立柱装配而成,立柱标准间距2 m,由小里程往大里程声屏障高度由3.15、2.65、2.15 m依次分布,长度分别为130.1、53.4、110.1 m,靠近声屏障一侧的轨道为试验轨道,屏障距近轨中心3.34 m,声屏障与桥梁遮板采用混凝土基础、螺栓连接,以CRH2型动车组为试验车辆,试验进行了不同高度声屏障立柱、单元板的压力、应力、位移、固有频率等测试。在3.15 m声屏障的端口至8.7 m处设置了28个差压式压力传感器,测得“头波”压力峰值达到最大时的压力云图,如图5所示,压力云图呈“靶形”,“靶心”位于声屏障入口约4 m、高1 m处,最大正压1 012 Pa。模拟所得“头波”正压压力场与测试结果相比,不论是压力场形状还是正压峰值大小均非常接近。“头波”最大正压发生点的模拟结果与测试有一定差异,这与模型中未考虑声屏障内侧接触网立柱和挡砟墙的缝隙有关。

图5 最大正压发生时刻测试压力场云图

测试得到负压峰值发生时刻的压力场云图如图6所示,最大负压-851 Pa,亦位于声屏障入口约4 m、高1 m处。模拟所得“头波”负压场与测试结果在风压场形状和最大负压值均非常一致。现场测试和数值模拟结果均表明“尾波”的正负压力场亦呈“靶形”,由于“尾波”的最大正负压力均明显小于“头波”。

图6 最大负压发生时刻测试压力场云图

测试风压极值、应力极值均低于理论计算值,立柱、单元板位移极值均在设计许可范围内；测试所得声屏障的风压场与数值模拟结果吻合较好,测试所得列车速度与风压的关系与理论类比值的总体趋势一致；声屏障固有频率远大于列车产生的脉动风压频率3～5 Hz,不会发生共振效应。试验验证了插板式声屏障设计参数正确、结构强度及刚度满足要求、连接方式可行。

5 最大压力与速度、声屏障高度以及距外轨中心距离的关系

测试试验研究表明,CRH2动车组驶入声屏障时,“头波”正压峰值略大于其负压峰值；驶出声屏障时,“头波”负压峰值仅略大于其正压峰值,这样可以简单采用最大正压作为最大压力,为声屏障设计提供依据。下面结合桥面宽12 m的声屏障专项试验测试和桥面宽13.4 m的声屏障测试,探索最大正压和速度、声屏障高度以及距外轨中心距离的关系。CRH2动车组以225～350 km/h 各速度驶入某铁路特大桥3.15 m声屏障时,最大正压与车速的关系曲线如图7所示。列车交汇压力波研究表明,一车静止,另一车行驶交会时压力波峰值与列车速度的平方成正比[5，6]。为找出声屏障压力与列车行驶速度的关系,以列车速度260 km/h时的正压峰值541 Pa作为基准点,根据压力与速度的平方成正比的关系,计算出各速度下相应的理论压力类比值。由图7可见,测试值曲线与基于测试值的理论类比值在趋势上一致,模拟所得压力-速度关系曲线与测试理论类比曲线总体平行,证实了压力与速度平方的线性关系,也验证了模拟方法的可行性。CRH2动车组以不同速度驶出声屏障时,压力与速度亦有同样关系,仅“头波”最大正压略小于最大负压,数据不再一一列出。

图7 最大正压与速度的关系

CRH2动车组以350 km/h速度驶过某铁路特大桥声屏障时,布置于3.15、2.65 m和2.15 m的压力传感器阵列记录下各测点压力时程变化过程,这样可获得各高度声屏障的最大正压值,最大正压与声屏障高度的关系曲线，如图8所示。测试与模拟结果均显示,速度和外轨中心距一定时,最大正压随声屏障高度的增加而增加,且增幅亦随声屏障高度增加而增加。

图8 最大正压与声屏障高度的关系

通过对比既有客运专线铁路桥面宽13.4 m、声屏障高3.15 m、距外轨中心的距离4.1 m、CRH2动车组在时速330 km经过声屏障时的压力测试结果,与某铁路特大桥在同样时速下的测试结果可知,同样速度下,距外轨中心的距离由3.34 m变为4.1 m时,声屏障的最大正压由843 Pa下降为700 Pa,降幅16.9%。模拟结果显示,最大正压随距外轨中心距离的增大线性递减，如图9所示。

图9 最大正压与声屏障距外轨中心距离的关系

6 结论

通过对高速列车驶过声屏障时气动力的模拟和声屏障试验段的测试,验证了声屏障迎风面压力场具有典型“头波”和“尾波”特征,“头波“的正负压力峰值均大于“尾波”。 “头波”先形成正压场后形成负压场；“尾波”先形成负压场后形成正压场,其压力场形状均为“靶形”, “靶心”压力值最大,距“靶心”越远压力值越小。CRH2动车组驶入声屏障时,“头波”正压峰值略大于其负压峰值；驶出声屏障时,“头波”负压峰值仅略大于其正压峰值,可以用最大正压作为声屏障设计依据。数值模拟和试验研究表明,压力波的最大正压与速度的平方成正比,随声屏障距近轨中心的距离增大而线性减小,随声屏障高度的增加而增加,呈非线性加速增加。

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