气动荷载作用下Y型高速铁路声屏障上脉动风压分布规律分析

戴圣兰　叶承敏

摘要：声屏障是目前降低噪声污染最为有效和实际的技术手段之一。列车通过时，声屏障会受到列车脉动风压的作用，随着速度的提升，脉动风压会随之增加，可能会导致声屏障发生强度破坏，因此对声屏障的结构设计要求更高。目前国内外学者对直立式声屏障的研究较为普遍，对其它结构型式声屏障的研究较少。本文借助有限元软件ANSYS和计算流体力学软件FLUENT对列车高速通过时，Y型高速铁路声屏障上脉动风压的分布规律进行分析，并研究不同折板角度对Y型高速铁路声屏障上所受脉动风压的影响，结果表明：声屏障的直立面板和折板在列车头波的作用下产生了先正后负的脉动风压中心，相对应的在列车尾波的作用下，声屏障直立面板和折板产生了先负后正的脉动风压中心，且最大压力中心出现在列车头波正压中心处;在相同的条件下，随着Y型折板角度的增加，折板和面板的脉动风压峰值逐渐降低并趋于稳定，且直立面板的脉动风压峰值大于折板的脉动风压峰值。

关键词：高速铁路;Y型声屏障，脉动风压;计算流体力学

引言

高速铁路蓬勃发展给人带来便利的同时，一些问题也逐渐暴露出来，高速铁路噪声就是其中之一。尤其当高速铁路驶过居民聚集区时，噪声问题已严重影响到周边居民日常的生产生活。铁路沿线设置声屏障结构是降低噪声污染、建设环境友好的绿色铁路的一种有效措施 。列车高速驶过声屏障时，列车周围的空气会被急剧压缩，从而产生十分强烈的脉动风压，可能会导致声屏障发生强度破坏，因此对列车空气动力学问题进行研究是很有必要的。目前国内外学者对直立式声屏障的研究较为普遍，对其它结构型式声屏障的研究较少。因此结合有限元软件ANSYS和计算流体力学软件FLUENT，运用数值仿真的方法对列车高速驶过Y型声屏障时声屏障上脉动风压分布规律分析具有十分重要的意义。

1 声屏障列车脉动风压数值分析模型

1.1列车几何模型

采用CRH380A车型，较细致的建立头车、中间车和尾车的3车编组列车模型，总长78m，头车尾车长度为23.45m，中间车长度为31.1m。

1.2 声屏障布置形式

声屏障在桥梁段的布置形式参考通环标准《桥梁金属声屏障通环（2016，8323）》。本文主要是围绕列车对声屏障的脉动风压作用展开研究，对桥面的附属结构进行简化处理，忽略附属设施对列车外流场的影响，把梁的顶面和轨道板整体简化处理，梁顶近似当作平面处理。列车底面与钢轨顶面的距离为0.2m，底面与梁顶的距离为0.4m，轨道中心线间距为2.5m，桥面宽下的桥梁声屏障迎风面距离线路中心线的距离为3.6m，声屏障长度为200m，宽度为0.2m。

1.3 确定计算域

采用的高速列车与声屏障外流场计算域取为300m50m30m。

1.4网格划分

利用ANSYS ICEM CFD软件对CRH380A型高速列车和声屏障的外流场区域进行网格划分，采用非结构网格和结构网格相结合的混合网格组合法，主要分为两个部分，即高速列车所在计算域和声屏障所在计算域，两部分网格分别进行划分。

1.5数值模拟计算

将建立好的三维数学分析模型导入计算流体力学软件FLUENT，对分析模型进行初始条件、边界条件及求解器的设置，迭代求解。

2  Y型声屏障上脉动风压分布规律分析

2.1声屏障上脉动风压分布规律

本小节对车速350km/h，声屏障底部距离轨道中心的距离为3.6m，高度3.0m、折板长度0.5m，折板折角135°的Y型声屏障进行脉动风压数值模拟，对Y型声屏障上脉动风压分布规律进行分析。

分析发现，列车头波作用下的声屏障首先受到一个急剧增大的正压作用，紧接着收到一个反向急剧增大的负压作用。中间车附近的脉动风压则很小，几乎为零。而在列车尾波作用下声屏障收到的压力方向与头波正好相反，其先受到负压作用再紧接着收到正压作用。且尾波的压力峰值会比头波的压力峰值小，大概为头波压力峰值的60%～80%。

在声屏障脉动风压云图正负压区中心沿着声屏障高度方向各取一条直线，进一步分析声屏障面板上正负压区的脉动风压沿声屏障高度的变化规律。结果显示在车头处Y型声屏障正压区沿声屏障高度脉动风压变化规律是底部脉动风压值最大，自下而上脉动风压先缓慢减小，在接近Y型折板区域时开始急剧降低，底部脉动风压值约为顶部风压的2.36倍。在车头处Y型声屏障负压区脉动风压分布规律同车头正压处，底部脉动风压值约为顶部风压的1.59倍。且不管是声屏障表面的正压区还是负压区，直立面板的脉动风压峰值总要大于Y型折板的脉动风压峰值。

2.2不同折板角度对Y型声屏障上脉动风压影响

本小节对高度3.0m、折板长度0.5m、五种不同折板角度（105°、120°、135°、150°、165°）的Y型声屏障在车速为350km/h，轨道中心距为3.6m工况下的脉动风压进行数值仿真计算，研究Y型声屏障折板角度对Y型声屏障所受脉动风压的影响。

结果显示，声屏障上表面脉动风压的分布规律是不受折板角度变化影响的，但无论是直立面板还是Y型折板，随着角度的增加，Y型折板与列车之间的开口越来越大，其脉动风压峰值是逐渐降低并且趋于稳定，且直立面板的脉动风压峰值大于折板的脉动风压峰值。

参考文献：

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