减载式声屏障对高速列车气动阻力影响分析

赵允刚，王鑫涛，赵 晋，屠阳磊

(1.中铁电气工业有限公司，河北 保定 071000；2.北京交通大学 机械与电子控制工程学院，北京 100044)

高速铁路的应用在给人们出行带来便利的同时，也带来了很多问题[1-2]，噪音污染是其中较为严重的问题之一[3].声屏障对降低高速列车行驶时的噪音污染具有重要作用[4].

随着高速列车运行速度的提升，作用在声屏障上的气动载荷也会有所增加[5-7].为了提高高速铁路声屏障的可靠性、安全性以及降噪效果，依托国家863计划项目,中铁电气化局开发出一种具有倒V字型通孔结构的减载式声屏障，并委托北京交通大学在高速铁路试验线上进行了现场测试[8-9].测试结果表明，与普通声屏障相比，减载式声屏障具有显著降低声屏障气动载荷的效果，同时降噪效果也会有一定程度的提升[9].

近年来，国内许多学者对减载式声屏障进行了研究.李锋[10]对减载式声屏障与均匀多孔介质的等效关系进行了研究，指出了等效阻力因子与惯性阻力因子的确定方法.刘靖天[11]采用流固耦合方法研究了减载式声屏障的结构响应及减载特性.研究结果表明，随着列车速度增加，普通声屏障所受最大正压的增长率相比减载式声屏障的增长率更大.季钊[12]通过试验研究了减载式声屏障的减载特性.研究结果表明，相同工况下减载式声屏障受到的冲击强度小于普通声屏障，且其表面气动载荷在时间和空间上分布更加均匀.国外也有学者对减载式声屏障的减载效果进行了研究.Sato等[13]设计了一种磁铁式减载声屏障，试验研究表明这种减载式声屏障的减载能力能够达到50%.Watanabe等[14]对电磁式减载声屏障进行了试验测试，研究表明电磁式减载声屏障可以降低列车脉动风压的影响，有效延长声屏障的寿命.

部分学者利用数值模拟方法对列车运行过程中表面受力情况进行了研究.毛军等[15]对高速列车横风运行的稳定性进行了数值模拟研究，结果表明头车的气动性能和运行稳定性受横风的影响最大.郗艳红等[16]对高速列车侧风效应进行了数值模拟，研究表明随着风向角的增大，头车的倾覆力矩系数远大于中间车和尾车的倾覆力矩系数.

已有对减载式声屏障和高速列车的研究主要集中在高速列车行驶时减载式声屏障受到的气动载荷的冲击、减载效果、降噪效果和高速列车运行时的稳定性上，而对减载式声屏障对高速列车行驶阻力影响的研究还鲜见报道.实际上，减载式声屏障不仅会显著降低高速列车通过时声屏障受到的气动载荷作用，而且对高速列车行驶过程中的气动阻力也会产生一定影响.

本文作者通过仿真的方法研究了减载式声屏障对以350 km/h速度行驶的高速列车表面压强分布和气动阻力的影响，并以京沪高速铁路为例分析了采用减载式声屏障后，与普通声屏障相比高速列车能耗的降低效果.研究结果对于减载式声屏障的推广应用具有一定的参考价值.

1 计算模型

1.1 物理模型

以高速列车、倒V字型结构的减载式声屏障以及普通声屏障为研究对象.根据计算条件，对计算模型做一定简化：高速列车模型采用3节车编组，即一节头车、一节尾车和一节中间车；高速列车表面光滑，忽略转向架、受电弓等复杂结构；忽略高速列车底部与地面的间隙；将倒V字型结构的减载式声屏障简化为均质的多孔介质.

计算域为一有限区域，如图1所示.根据文献[9]，为了减小计算域边界对高速列车行驶时列车表面压力分布的计算产生影响，将计算域尺寸设置为260 m×80 m×30 m；根据现行“大同-西安高铁试验段”的列车尺寸等参数，选择列车模型尺寸为78 m×3.7 m×3.4 m，列车表面与两侧声屏障之间的距离分别为0.95 m与5.95 m[12].

利用Gambit软件建立图1所示计算域的物理模型并划分网格.在计算模型中，计算域入口设为压力入口边界，计算域出口、侧面及顶面设为压力出口边界；列车车体表面设为等速运动无滑移固壁边界，地面与声屏障表面均设为无滑移固壁边界.

孔隙率φ为表征声屏障减载特性的参数，其值为孔隙体积与声屏障总体积之比.倒V字型减载式声屏障单元板结构如图2所示，其孔隙率为0.4；普通声屏障的孔隙率为0.利用Gambit软件建立的高速列车及声屏障物理模型进行计算分析时，将减载式声屏障简化为均质多孔介质，并以惯性阻力因子和黏性阻力因子表征其流通特性.惯性阻力因子和黏性阻力因子是声屏障孔隙率的函数；不同孔隙率的减载式声屏障，其惯性阻力因子和黏性阻力因子根据文献[10]中的风洞试验结果进行确定.

1.2 数学模型

将Gambit软件建立的声屏障及高速列车模型导入Fluent软件中进行数值模拟计算.高速列车与声屏障之间的气体流动属于三维湍流流动，数值模拟计算时采用的流体力学基本控制方程为

(1)

式中:ρ为流体的密度，kg/m3；t为时间，s；u、v、w为x、y、z3个方向的速度，m/s；φ为通用变量；S为源项；λ为广义扩散系数.

当式(1)为质量守恒方程时，其限制条件为

p(bω)(·)和p(fω)(·)分别表示后向和前向预测模型，与标准解码器不同的是，在解码的过程中加入了匹配到的事实三元组全局信息：st=f(yt-1，st，c)；p(yi/·，T，Q)=g(yi，st，c，[s，p，o])。其中s，p和o表示匹配到的事实三元组通过知识库表示学习得到的向量表示。

(2)

当式(1)为动量守恒方程时，其限制条件为

(3)

当式(1)为湍动能方程时，其限制条件为

(4)

当式(1)为湍流耗散方程时，其限制条件为

(5)

式中：Ui= (u,v,w)代表x、y、z3个方向的速度；μ和μt分别为流体的动力、湍流黏度，Pa·s；ε为湍能耗散率，m2/s3；k为湍动能，J/kg；pG为湍动能k产生项，J/kg；C1、C2和σk为经验常数.另外，由于列车的行驶速度较高，需要将空气流动作为可压缩流动处理，因此还需补充理想气体状态方程.

1.3 模型的验证

文献[12]对采用倒V字型减载式声屏障时，高速列车以325 km/h速度行驶过程中声屏障表面的压力分布进行了试验测试.采用本文建立的数值模拟模型，在相同的列车行驶速度和声屏障孔隙率下对减载式声屏障表面试验测试点的压力进行了仿真计算.数值模拟计算结果与试验结果的对比如表1所示.

表1 数值模拟计算结果与试验结果的对比

由表1可知，在试验测试点处，通过仿真计算得到的减载式声屏障表面的最大正压和最大负压与试验结果的相对偏差均在5%以下，这说明仿真模型是准确的[17].

2 声屏障对列车表面压力的影响

减载式声屏障与普通声屏障相比,最大的不同是声屏障表面具有倒V字型的通孔，通孔的存在不仅会对声屏障表面的压力分布(气动载荷)产生影响，同时也会对高速列车行驶时表面的压力分布产生影响.

由图3可知，列车高速行驶时，头车和中间车前部区域为正压区，中间车车身以及尾车表面均为负压区.列车前部和尾部的压强差构成了列车高速行驶时的压差阻力.

采用不同孔隙率声屏障时，列车头车表面的压力分布如图4所示.

从图4可知，与普通声屏障相比，倒V字型通孔结构的减载式声屏障对高速气流的泄压作用使得采用减载式声屏障时，头车前部高压区的面积明显减小，且随着声屏障孔隙率的增加，高压区面积减小的幅度增大.

当φ分别为0、0.2、0.4和0.6时，数值模拟计算得到的头车鼻翼处的最大压力为3 698 Pa、3 718 Pa、3 735 Pa和3 742 Pa.这表明，尽管随着φ的增加，头车前部高压区的面积明显减小，头车鼻翼处的最大压力却略有增大；但总体上看，头车鼻翼处最大压力升高的幅度不大.

对于高速列车头车，减载式声屏障孔隙率的增加会使其表面的高压区面积减小，而最大压力受到的影响较小.这是因为列车行驶速度较大时,列车头车的最大压力也很大，而减载式声屏障对列车头车区域的作用力相对于头车的最大压力较小，因此孔隙率增加时,头车部分的最大压力变化不大.

采用不同孔隙率声屏障时列车中间车表面的压力分布如图5所示.

由图5可知，与声屏障孔隙率对头车表面压力分布的影响相比，声屏障孔隙率对中间车表面压力分布的影响不明显.从总体上来看，随着孔隙率增加，中间车前端表面的高压区面积和中间车后端表面的低压区面积皆略有减小.

数值模拟结果表明，对于列车中间车，减载式声屏障孔隙率的增加会使列车中间车前端表面的高压区与后端低压区面积减小.这是由于随着孔隙率的增加，减载式声屏障的卸载作用使得声屏障对列车中间车表面的作用力变小，从而使列车中间车前端的正压降低，后端的负压增大，因而这两区域的面积有所减小.这使得中间车前后端的压差减小，对列车的运行是有利的.

采用不同孔隙率声屏障时,高速列车尾车表面的压力分布如图6所示.

由图6可知，同样是由于倒V字型通孔结构的减载式声屏障对高速气流的泄压作用，采用减载式声屏障时，与普通声屏障相比，尾车鼻翼及其附近高压区的面积明显增大，且随着声屏障孔隙率的增加，高压区面积增加的幅度增大.

当φ分别为0、0.2、0.4与0.6时，数值模拟计算得到的尾车鼻翼处的最大压力分别为-7 075 Pa、-7 067 Pa、-7 099 Pa和-7 187 Pa.这表明，尾车鼻翼处的最大压力随着φ的增加而略有减小.与列车头车最大压力变化的原因类似，随着φ的增加，声屏障的减载作用使列车尾部区域的最大压力减小.

3 声屏障对列车气动阻力的影响

高速列车行驶过程中的气动阻力主要包括列车前后的压差阻力Fp和列车表面的摩擦阻力Ff.其中，Fp可以通过高速列车表面的压力分布进行计算，而Ff则根据列车表面的速度梯度分布进行计算，即

(6)

式中:A是列车表面积；x为高速列车行驶方向.

利用Fluent软件对不同孔隙率声屏障时高速列车受到的压差阻力和摩擦阻力进行了计算.当φ分别为0、0.2、0.4与0.6时，高速列车受到的压差阻力分别为85 225 N、83 796 N、82 358 N和79 972 N，高速列车受到的表面摩擦阻力分别为2 608.25 N、2 608.24 N、2 608.21 N和2 608.19 N.

由此可知，高速列车行驶时受到的压差阻力随声屏障孔隙率的增加而明显减低.与普通声屏障相比，采用减载式声屏障后列车前部压力降低、尾部压力升高，从而使列车行驶过程中受到的压差阻力明显减小.而随着声屏障孔隙率的增加，高速列车受到的摩擦阻力变化不大.

对比压差阻力和摩擦阻力的计算结果可知，高速列车行驶时受到的压差阻力要明显大于列车表面的摩擦阻力.本文计算分析时，高速列车模型采用3节车编组；实际中高速列车通常为8节或16节车编组，由于列车表面受到的摩擦阻力与列车表面积呈近似的线性关系，实际列车表面受到的摩擦阻力与数值模拟计算得到的结果相差不大，因此压差阻力是高速列车行驶时的主要气动阻力.

当φ分别为0、0.2、0.4与0.6时，利用Fluent软件计算得到的高速列车行驶时受到的气动阻力分别为87 833.29 N、86 405.07 N、84 966.38 N和82 581.44 N.由计算结果可知，与普通声屏障相比，由于减载式声屏障对高速气流的泄压作用，采用减载式声屏障时，高速列车受到的气动阻力明显减小，且随着声屏障孔隙率的增加，气动阻力的减小幅度增大.

4 声屏障对列车运行能耗的影响

数值模拟结果表明，采用减载式声屏障后，高速列车受到的气动阻力会有所减小，从而对高速列车行驶过程中的能耗产生影响.

高速列车行驶过程中的总阻力主要由气动阻力和机械阻力组成.相关文献表明[18-22]，高速列车以350 km/h速度行驶时，其受到的气动阻力约占总阻力的93% ～ 97%.

以京沪高速铁路为例，将减载式声屏障对高速列车运行能耗的影响进行简单分析.京沪高速铁路全长1 318 km，其中声屏障安装里程为326 km.假设高速列车以350 km/h速度通过声屏障，不考虑列车进出声屏障瞬间气动阻力的变化.列车行驶能耗E与行驶阻力的关系为[18]

(7)

利用式(7)以及数值模拟计算得到的高速列车受到的压差阻力和摩擦阻力，可以计算得到采用减载式声屏障后，与普通声屏障相比，高速列车行驶能耗随声屏障孔隙率的变化，如图7所示.

由图7可知，随着减载式声屏障孔隙率的增加，列车行驶能耗降低.对于目前研发的孔隙率为0.4的倒V字型通孔结构减载式声屏障，按声屏障沿线路程计算，单程行驶能耗减少量为3%左右；按京沪高速铁路全长计算，单程行驶能耗减少量为0.85%左右.按目前京沪铁路每天往返高速列车数量44对估算，采用减载式声屏障后，每天京沪高速铁路行驶的高速列车的电能消耗可以减少2.43×104kw·h左右.

5 结论

1)与普通声屏障相比，采用减载式声屏障时，头车前部高压区分布面积明显减小，尾车鼻翼及其附近处高压区分布面积明显增大，且随着声屏障孔隙率增加，头车前部高压区面积减小幅度和尾车高压区面积增加幅度增大.

2)高速列车以350 km/h速度行驶时，列车受到的压差阻力随声屏障孔隙率的增加而明显减低；列车受到的摩擦阻力也会有所减小，但降低幅度小于压差阻力；压差阻力是高速列车以350 km/h速度行驶时的最主要的气动阻力.

3)随着减载式声屏障孔隙率的增加，高速列车行驶能耗降低；按孔隙率为0.4的减载式声屏障计算，采用倒V字型通孔结构的减载式声屏障后，京沪高速铁路单程行驶能耗减少量为0.85%左右.