自然风作用下高速铁路声屏障的数值模拟研究

王宏朝,王东霞,刘萌萌,田彦彦

（郑州华信学院,河南新郑,451150）

0 引言

为了降低列车行驶过程中所引起的噪声污染，需要在铁路与居民区之间安置声屏障。高速列车在通过声屏障的瞬间会形成瞬态脉动压力冲击，国内外已发生多个声屏障由脉动力冲击而遭破坏的案例，而往往声屏障所受到的工况为列车风致脉动力和自然风荷载等载荷的综合作用，特别在沿海的多风地区，自然风荷载的作用更为显著，这就使得在对声屏障进行结构设计时必须考虑其抗风压性能。

故本文利用计算流体力学软件Fluent，通过将自然风场引入计算域，对在列车风致脉动力与自然风荷载联合作用下的高速铁路声屏障进行数值模拟，分析两类载荷的叠加方式，并推导出峰值压力的理论公式，研究结果对声屏障的结构设计具有一定的指导意义。

1 建立仿真模型

1.1 数学模型

因高速列车行驶车速一般低于350km/h，对应马赫数Ma小于0.3，故列车运行时的外流场一般按不可压缩定常流动处理，又因雷诺数大于106，流体处于湍流状态。通过综合比较，本文采用 两方程模型。

1.2 几何模型

本次仿真中参考CRH2车型对计算域进行建模，并以Parasolid格式进行导出。鉴于计算机的性能，该模型无法完全模拟列车的真实情况，必须对其进行一定的简化，如去掉受电弓、缩短车身长度等。另外，通过试算确定计算域的尺寸，最终所得计算域具体参数为200m×50m×10m，其中列车长100m，声屏障150m×3.15m×0.2m，其距内轨中心距为3.8m，列车底部距地面0.2m。

2 仿真结果及分析

2.1 自然风影响下声屏障表面不同高度上的压力分布及其分析

在此基础上引入自然风场，得到声屏障12个不同高度上的风压曲线，如图1所示，由图可以看出，与无风状态相比，声屏障所受的自然风荷载和列车风致脉动力的复合载荷呈现出完全相反的变化趋势，在1.8m以下风压曲线基本重合，而高于1.8m以上的部分，其脉动风压沿着声屏障高度方向逐渐增大，且增大趋势逐渐加快，这是由于在此高度范围内，列车与声屏障之间产生一个低压涡流，加大了声屏障近车面上所受到的峰值负压。

2.2 不同风速对声屏障表面峰值压力的影响

由于作用在声屏障上的自然风荷载为稳态载荷，现假设其作为固定值线性叠加至列车风致脉动力中去。式3-1为无自然风状态下的列车风致脉动力峰值的计算公式：

式中，表示声屏障表面至邻近线路中心线的距离系数，具体计算公式为 ； 表示声屏障距轨道中心距，本文取3.8m；列车形状系数 ； 表示列车车速(m/s)。

由文献[4]可知声屏障所受自然风荷载的理论计算公式为：

式中，为空气密度，取 ； 为自然风速(m/s)。

由此可推导出其所受峰值压力W的经验公式如式3-3所示：

为验证该公式的准确性，在给定的车速（350km/h）与风向角下，选取4个不同风速等级：8级(20m/s)、9级(24m/s)、10级(28m/s)、11级(32m/s)，迭代收敛后得到声屏障近车面上同一高度下的峰值压力，结果如表1所示。由表中数据可以看出，误差已远远超出可接受的范围，并随着风速的增大而增大，表明自然风荷载和列车风致脉动力之间并非是简单的线性叠加，两者间存在着显著的耦合作用。

表1 数值模拟结果与理论公式计算结果的误差

2.3 复合载荷理论计算公式的提出及验证

自然风荷载和列车风致脉动力复合叠加后所产生的峰值压力相比两者的线性叠加值要大，且差值百分比随着风速的提高而不断加大，图2为两者差值百分比与风速等级的关系曲线，由图我们可以看出，两者间呈现出明显的线性递增关系，这是由于两者的耦合作用所造成的，借助MATLAB cftool工具可拟合出复合载荷峰值压力差值百分比的计算公式3-4，该公式的相关系数R2=0.9917，具有相当高的可信度。

式中代表差值百分比。并结合式3-3重新推导出复合载荷作用下声屏障所受脉动峰值压力的理论计算公式，如下：

3 结论

图1 自然风影响下声屏障不同高度上的风压曲线（单位：Pa）

图2 复合载荷峰值压力差值百分比与风速的关系拟合曲线

本文通过对复合载荷作用下的声屏障外流场进行数值模拟，得到了在自然风荷载的作用下，高速铁路声屏障不同高度上的脉动风压的分布规律，通过对各工况下声屏障表面所受峰值压力的分析可以得出两类载荷的叠加方式，并拟合出峰值压力的理论计算公式，经验证该公式具有较高的精确度，可用于工程上的试算。

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