流体力学课程设计

高速铁路声屏障空气动力学效应研究

一、研究背景

随着我国高速铁路的迅速发展，列车运行速度不断提高。高速列车除了给人们的出行带来便捷的同时，列车高速行驶的安全性、平稳性及其对周边居民生活环境的影响也日益成为人们关注的焦点。例如，铁路噪声污染已经严重影响到周边居民的正常生活。声屏障是高速铁路的重要组成部分，对降低铁路噪声、保护居民生活环境、保证列车高速行驶安全具有重要的作用。

声屏障是指在声源和接收者之间，用于阻挡声波传播，从而减弱接收者所在的一定区域内的噪声影响的设施。高速铁路的声屏障如图1所示。

(a)(b)

图1 高速铁路声屏障

高速铁路声屏障的结构形式对降噪效果有着直接的影响，目前已经研究的结构形式有直立型、倒L型、内倾型、圆弧型、T字型、和人字型等，如图2所示。高速铁路声屏障按材质又可以分为：金属声屏障、混凝土声屏障、PC声屏障、玻璃钢声屏障等。高速铁路声屏障的设计除了要考虑高度、沿线景观、线路信号、

列车司机视线及列车乘客视野问题外，还应考虑声屏障的施工安装、维护和更换以及经济性因素等。

图2 声屏障各种截面形式

高速铁路声屏障的结构一般较高，部分采用上部透明结构。在高速铁路声屏障实际应用中，最为广泛的是金属立柱插板式声屏障，金属立柱通常为H型钢，插板为金属铝包板、混凝土板、加劲纤维板以及一些有机材料的透明隔声板等。列车高速行驶时，会对周围空气产生扰动进而在高速铁路两侧的声屏障上产生很大的脉动压力——气动载荷，在气动载荷的长期作用下，会导致声屏障结构的严重损毁，甚至会对高速列车的运行带来极大的安全隐患。因此障降噪性能的同时降低作用于声屏障上的气动载荷，对于保障高速铁路的安全运行具有非常重要的意义。

二、研究现状

在欧日等国家以高速铁路声屏障解决沿线噪声问题较为广泛。日、德、法等国在上个世纪就开始了声屏障的理论研究，但主要集中在降噪方面以及声屏障顶部结构优化等方面，而在整体结构以及其振动等方面研究相对较少，也曾导致200年欧洲一些高铁线路全线声屏障的拆除。而在其空气动力学特性的研究上则广泛通过声屏障结构气动力测试的方式——通过测量找出作用于结构上的载荷, 研究并定义一个结构计算模型, 通过对设计声屏障或采用其他材料、新部件等做成的声屏障进行动力分析和模拟，即能够对其性能做出可靠的预测。关于声屏障结构气动力指标则采用风压、位移、固有频率等参数。

在国内的声屏障结构受力研究中，主要集中在声屏障与桥梁连接等结构安全性及声屏障在列车脉动荷载下动力特性分析这两个方面。而声屏障结构形式上的设计方案更是多种多样。其中经过大量实验研究及理论分析其空气动力学效应所得的两种类型声屏障备受关注，即整体混凝土声屏障和金属立柱插板式声屏障。尽管已有不少研究成果，但国内相关声屏障的研究远远落后于工程实践，深入系统的理论研究不足。在声屏障设计的理论中仍以静态的受力思维进行结构设计，

在动力设计方面的理论研究尚不足；在具体设计中，尚无完善的规范等依据。

三、物理建模

整体式声屏障结构尺寸如图3所示，在声屏障底部竖墙处预出钢筋，与桥梁箱梁翼缘采用混凝土后浇连接，在计算模型中不考虑新老混凝土的界面粘结。

图3 截面形式加载面图(单位:长度为 mm;标高为 m)

四、列车脉动风荷载的CFD仿真分析

1、物理关系

列车高速行驶中车体挤压车头前方空气而产生脉动风压力，并作用在沿线的声屏障等结构上。可通过计算流体力学的方法来模拟列车高速运行导致的脉动风荷载作用，即CFD计算。在高速列车及声屏障的脉动风荷载CFD仿真分析中，将空气视为理想气体，采用粘性流体计算，求解纳维—斯托克斯（Navier—Stokes）方程（以下简称为N—S 方程），得到流场的数值解。N-S 方程包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程，分别见式(1)～式(3)。

脉动风荷载CFD分析采用大型流体数值模拟软件Fluent进行。计算中采用动态网格法模拟列车进入并离开声屏障区域的全过程。其中空气介质取粘性、可

压缩理想气体，紊流方程采用k-ε模型，采用耦合式求解器隐式方案对三维Navier-Stocks方程求解。在高速列车作用于声屏障脉动力的CFD分析中，线路考虑为双线，线路间距为 5.0m，声屏障区域长度为400m，列车长取100m。带弧形顶部的声屏障网格见图4。列车以“CHR3” 型为例，列车模型网格见图5。

图4带弧形顶部声屏障网格图5 CRH3型列车车体网格

2、计算结果及分析

在高速列车作用于声屏障的脉动风荷载CFD 分析中，系统分别讨论列车以300、350、380、400km/h 的速度，声屏障距离线路中心线3.0、3.8、4.6、5.2、6.8m 的距离等不同工况下的计算分析结果。并考虑双车交汇、声屏障不同的顶部与进口处构造等工况。CFD 计算作用于近侧声屏障的脉动风压力时程曲线如图6所示。部分不同车速及工况下近侧声屏障上不同测点的风荷载峰值如表1，其中会车是指两列车以同样的速度在声屏障区域反向交会。350km/h 列车通行时，沿声屏障高度方向的最大风压力分布见图7，沿声屏障长度方向的最大风压力分布见图8。

图6 50m处测点的压力分布（分开图，350 km/h）

图7 声屏障测点正压竖向分布图8声屏障上测点压力纵向分布

CFD 分析结果表明，声屏障距离线路中心线 3.8m 时，350km/h 速度下最大风压力为1430Pa，380km/h 速度下最大风压力为1686Pa。由高速列车脉动风荷载的 CFD 计算分析中的参数分析可知，作用于声屏障的脉动风荷载压力值基本与列车速度的平方成正比，脉动风压力值与声屏障至线路中心线的距离成双曲线性反比。各工况的计算与对比呈现如下规律：作用于声屏障的最大风压力出现在声屏障的下部，并沿高度向上至声屏障半高处缓慢变小，并在H/2至顶部附近较快减小至底部风荷载的1/2左右，并在顶部大约30cm高度范围内保持不变。沿声屏障纵向分布中，在列车入口处最小，沿着列车前进方向50m处迅速增大，后稍减小并在100m至400m处即末端处保持较平稳值。脉动风荷载的最大正压力稍大于最大负压力。单车通行远侧声屏障承受的脉动压力远小于近侧的结果。列车在声屏障区域内会车对脉动风荷载规律稍有影响，对风压量值影响不大。

五、改进方案

振型为声屏障整体振动，振动幅度最大部位为声屏障的弧形吸声顶部，透明隔声板部分振幅相对较大。弧形吸声顶部增加了结构的高度，降低了结构的自振频率，所以我认为其他条件相同时弧形结构更有优势。声屏障透明板厚度参数的影响分析表明，在透明板四周约束的条件下，0.15cm～0.25cm 的板厚参数对固有频率的影响并不显著。而当透明板上端无固定时自振频率将显著下降。声屏障顶部的最大侧向位移及立柱底部弯矩沿线路方向(纵向)差别不大，两者沿纵向分布规律均显示为在声屏障的中部位移较大，固应该适当增强中部的强度。同时,声屏障端部结构单元的位移响应比中部结构单元的位移响应大, 设计时需要对端部结构单元进行加强。

六、参考文献