广珠城际铁路江门段的高架轨道交通声屏障仿真

常宁，黄尊地



广珠城际铁路江门段的高架轨道交通声屏障仿真

常宁，黄尊地

（五邑大学 机电工程学院，广东 江门 529020）

为研究江门地区高架轨道交通的声屏障合理建设问题，采用回归正交设计的方法对声屏障的设置位置、宽度和高度等三个设计参数进行试验设计，利用流场软件FLUENT对实地考察测量的高架轨道及动车组的数据进行建模和仿真，得到了声屏障的最佳设置方案：采用直立式声屏障，位置在高架轨道交通线路的最外侧，高度为2.80 m，高出轨面2.57 m，宽度为0.50 m.仿真结果与广珠线已建声屏障方案的数据保持了较高的一致性.

高架轨道交通；声屏障；回归正交设计

作为一种经济、实用、高效、安全的快速交通模式，高架轨道交通已成为城市轨道交通建设的世界性趋势. 但随着列车运行速度和发车班次的提高，噪声污染也急剧增加. 过大的噪声会严重影响乘客和轨道沿线居民的心理、生理和正常生活，还可能引起周围设备和周边建筑的疲劳损坏[1]1.

根据国内外轨道交通噪声理论研究和实验测试可知高架轨道交通的噪声主要由牵引噪声、轮轨噪声和空气动力噪声等组成[1]2,[2-3], [4]352-353. 当列车运行速度超过250 km/h时，空气动力噪声逐渐占据主导地位[5]，气动噪声成为列车噪声中重要的部分，特别是在轨道交通高架桥上，列车经过时气产生的动噪声影响更大，传播更远. 所以，在高架桥有限的空间里，合理设置声屏障的位置、外形和高度，使降噪效果最好，有着重要的理论意义和实际意义. 为缓解珠三角交通压力于2011年1月7日建成通车的广珠城际铁路在江门地区有4个车站，分别是江海站、江门站、礼乐站和新会站，其线路的架设方式均以高架的形式. 本文通过对江门高架轨道交通的实地考察测量，利用流场商业软件FLUENT对高架桥及动车组模型进行仿真分析，使用回归正交试验设计的方法，研究了声屏障建设的位置、宽度和高度对降噪和降低压力波动的影响，以期得到最佳的声屏障设计方案.

1 模型建立

本文计算模型的建立遵循以下原则: 建立的模型应反映计算对象的主要特征; 其次是通过对计算对象的分析，对其外形予以适当简化，以便有效地利用计算机资源. 具体简化措施为：①转向架以裙板代替；②不建立受电弓及接触网等结构的模型；③车体简化成由光滑曲面构成的几何体；④为避免网格离散难度和计算量急剧增加，忽略铁轨、轨枕和扣件等细小结构. CRH1动车组由八节车编组，但受计算机硬件条件的限制，计算模型难以对八车编组进行数值模拟. 由于CRH1动车组中间车辆截面形状不变，当气流流过车头一定距离后，绕流边界层的结构已趋于稳定，列车气动力变化也趋于稳定，因此计算模型取3车编组（头车+中车+尾车），全长80.500 m，宽3.328 m，高4.040 m. 简化后的计算模型如图1所示.

图1 CRH1动车组模型图

高架桥的模型是经过在新会站实地测量得到的真实数据，包括线间距和道床尺寸等. 声屏障按外形可分为直立型、半封闭型和全封闭型，直立型声屏障大多适用于临近线路的噪声敏感多层建筑，半封闭型和全封闭型的声屏障具有较好的降噪声效果，尤其适用于线路两侧高层建筑密集的路段[4]371-373. 鉴于江门地区为高架轨道线路，且线路两侧的建筑为多层建筑物，所以本文中声屏障设计为直立型. 高架桥与声屏障模型如图2所示.

图2 高架桥和声屏障模型图

本文仿真计算中使用的FLUENT软件是一个用于模拟和分析在复杂几何区域内的流体流动与热交换问题的专用CFD软件. FLUENT提供了灵活的网格特性, 可用于二维平面、二维轴对称和三维流动分析，可完成定常与非定常流动分析、不可压和可压流计算、层流和湍流模拟、多相流分析等[6]. 本文采用滑移网格技术研究列车在高架桥上通过时的三维、湍流、非定常特性.

2 监测点布置

刘红光在分析车辆气动噪声与表面脉动压力之间关系的基础上，通过求解广义Lighthill方程，得到了适合车辆行驶工况的气动噪声积分公式，明确了在车辆气动噪声中偶极子源噪声占主导地位，而车辆气动噪声中的偶极子源又取决于车辆的表面脉动压力[7-8]. 当CRH1高速行驶时，由于车头的挤压，周围的流场呈正压状态，最高气压值为1.03×105Pa，比正常大气压高出2 000 Pa，并向四周辐射. 当车头经过后，周围压力又变为负压，这样，就形成了气压波动，对周边产生气动噪声. 当车尾经过时，同样也产生压力波动. 受计算机硬件的限制，本文的研究将对噪声的数值仿真转变为列车表面的气动压力的变化. 在设置声屏障的一段区域内，距离轨道中心不同距离设置了8个监测点，如图3所示.

设列车沿方向行驶，1～5号点分别是距离轨道中心5 m处不同高度上的五个点，3、6～8号点是同一高度不同位置的点，高度值为1.57 m，为列车截面最外侧点的高度值. 通过计算，对比监测点1～5的压力波动值，可知监测点3的压力波动值是最大的；比较测点3和6～8知，距轨道中心越近，气压波动越大；当距轨道中心10 m（6号点）的时候，压力波动值下降了80 %，由170.1 Pa降到33.5 Pa；当到达20 m（8号点）开外时，气压波动已经比较小，只有不足10 Pa. 计算结果也验证了车体外型截面鼓形所在的高度位置压力波动最大，后续的声屏障优化研究着重考虑测点3.

图4 监测点位置示意图

3 回归正交试验设计

回归正交设计，是把正交试验设计、回归数据处理和回归精度统一起来的回归设计与分析方法. 在正交试验设计中，首先选定设计参数，本文研究直立型声屏障，声屏障的建设位置、宽度及高度即为设计参数1、2、3. 优化目标为列车经过时产生的压力波动值，构造函数为[9]：

通过查阅相关资料以及综合整个模型的参数，对声屏障的三个因素作如下规定：

1）位置：考虑到高架桥上有限的空间、逃生及车辆限界等问题，根据行业规定，在距离轨道中心2.20 m外设置声屏障. 位置设在走行道1.467 0 m的范围内，以靠近走行道边缘为0，分别取0、0.733 5和1.467 0；

2）宽度：0.20～0.50 m，取0.20、0.35和0.50；

3）高度：1.80～2.80 m，取1.80、2.30和2.80.

由上述取值，有3×3×3组参数，需要建立27个模型，全面试验规模比较大，且方程的重复度很大. 根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备了“均匀分散，齐整可比”的特点.

按照L9(3^3)正交表安排实验[14]，只需作9次，得出表1中的设计表. 其中，为了求得二次回归方程的10个系数，第10组实验是考虑了比较特殊的中间位置而添加的.

表1 正交试验设计

4 计算结果分析

对于监测点3，计算结果见表1. 求得各个系数分别为：189.988 2、-47.543 5、-222.986 9、24.269 9、41.094 7、14.170 4、92.135 9、-1.274 6、-49.479 3、-22.876 0. 则二次回归方程为：

由MATLAB编程求得最优解为（0，0.5，2.8），气压值为83.7 Pa.

通过回归方程系数的比较，无论是一次系数还是二次系数，宽度2的系数绝对值都是最大的，说明宽度对整个声屏障的影响最显著. 但在有限的高架轨道交通线路上，不可能无限制地加大声屏障的宽度以达到降噪的效果，所以，采用隔音效果较好的声屏障材料是上佳的选择.

5 结论

通过对江门高架轨道交通的实地考察测量，研究了声屏障建设的位置、宽度和高度，得到最佳的声屏障设计方案：采用直立式声屏障，位置在高架轨道交通线路的最外侧，高度为2.80 m，高出轨面2.57 m，宽度为0.50 m，其中宽度为关键因素，可采用较好的降噪材料来降低建设费用、减小声屏障建设空间. 广珠城际线在小榄站等部分地段已修建了声屏障，小榄段的声屏障位置在高架桥的最外侧，与仿真结果相符；声屏障宽度比仿真结果偏小，采用了较好的隔音材料的原因；声屏障高度为高出轨面2.50 m，与仿真结果相差2.8 %. 所以，综合比较已建声屏障测量结果与仿真结果，可得数值仿真计算和回归正交设计的准确性，仿真结果为江门高架轨道交通的声屏障建设提供理论依据.

[1]黄莎. 高速列车车外气动噪声数值模拟研究[D]. 长沙：中南大学，2009:1-2.

[2]KITAGAWA T, NAGAKURA K. Aerodynamic noise generated by shinkansen cars[J]. Journal of Sound and Vibration, 2000, 231(3): 913-924.

[3]BARSIKOW B, DISH D R, HANSON C E, et al. Noise characteristics of the transrapid TR08 maglev system [R]. Washington: U S Department of Transportation, Federal Railroad Administration, USA, 2002.

[4]谭复兴，高伟君. 城市轨道交通系统概论[M]. 北京：中国水利水电出版社. 2007:352-353, 371-373.

[5]张曙光. 350km/h高速列车噪声机理、声源识别及控制[J]. 中国铁道科学，2009, 30(1): 86-90.

[6] 王福军. 计算流体动力学分析[M]. 北京：清华大学出版社，2004: 21-22.

[7] 刘红光，陆森林，曾发林. 高速车辆气流噪声的试验研究[J]. 中国公路学报，2005, 18(1): 113-121.

[8] 刘红光，陆森林，曾发林. 高速车辆气流噪声计算方法[J]. 交通运输工程学报，2002, 2(2): 41-44.

[9] 何为，薛卫东，唐斌. 优化试验设计方法及数据分析[M]. 北京：化学工业出版社，2012: 99-102, 170-176.

[责任编辑：韦 韬]

Noise Barrier Research for Guangzhou–Zhuhai Intercity Railway (Jiangmen Branch)

CHANGNing, HUANGZun-di

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

Noise barrier construction of Guangzhou-Zhuhai intercity railway (Jiangmen section) is studied by using regression orthogonal design method. Three parameters are considered: location, width and height of the noise barrier. Elevated rail transit and CRH1 are modeled and simulated in FLUENT software. The optimal noise barrier construction solution is obtained: the vertical type noise barrier, setting on the most lateral, the height is 2.80 m, distance to rail surface is 2.75 m and the width is 0.50 m. Simulation result maintains highly consistency with other railway line between Guangzhou and Zhuhai.

elevated rail transit; noise barrier; regression orthogonal design

1006-7302（2013）01-0038-04

U239.5

A

2012-10-26

五邑大学青年基金资助项目（201105261941321）

常宁（1984—），女，山西原平人，助教，硕士，主要从事轨道交通车辆研究.