高速铁路隧道外声屏障气动荷载的数值模拟研究

叶葵葵， 张克跃， 张继业， 石小林

(1.西南交通大学力学与工程学院，四川成都 610031；2.西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都 610031))



高速铁路隧道外声屏障气动荷载的数值模拟研究

叶葵葵1， 张克跃1， 张继业2， 石小林1

(1.西南交通大学力学与工程学院，四川成都 610031；2.西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都 610031))

【摘要】采用计算流体力学的数值计算方法对基于三维、瞬态、可压缩的Navier-Stokes方程和κ-ε两方程紊流模型进行求解，建立了250 km/h标准动车组单车通过隧道外声屏障的计算模型，对声屏障上产生的气动力进行数值模拟。隧道外声屏障离铁路近侧线路中心距分别取3.5 m、4.25 m、5.0 m，分析和研究了气动力沿隧道外声屏障竖向、纵向和横向的变化规律。由此得出：隧道进、出口外的声屏障会受到洞口附近三维效应的影响，影响强度进口比出口要大，影响范围出口在20 m内、进口在10 m内，离洞口越近，影响效应越大；当声屏障与近侧线路中心距取值在3.5～5 m之间时，声屏障所受气动力与距近侧线路中心距近似成线性关系；距隧道洞口相同距离位置处的声屏障上受到的气动力最大幅值，进口外的声屏障要比出口外的声屏障大。

【关键词】标准动车组；隧道；声屏障；气动力

随着列车速度的提高，列车高速运行时产生的气动噪声和轮轨噪声也越来越大，当列车通过隧道时，会产生一系列复杂的气动效应，在隧道口产生严重的噪声污染，给隧道口附近的居民带来严重的噪声污染，所以在隧道口附近设置声屏障可以有效降低列车通过隧道时向外辐射的噪声[1-3]。对于隧道外的声屏障，由于其距离轨道很近又在隧道口附近，当列车通过时，会受到隧道口附近复杂的三维流场的影响，使声屏障承受了复杂的动态风荷载[4-5]。

高速铁路声屏障不但要保证有效的降噪作用，而且也要保证结构的安全性和耐久性，所以隧道外声屏障受到的气动力更需要进一步深入研究。

1列车通过隧道外声屏障的脉动力计算

1.1计算模型

高速列车通过隧道引起的空气流动是三维、非稳态、可压缩的湍流流动。由于模拟计算车速取250km/h，并且隧道内的空气受到隧道壁的限制，空气流动需要当作可压缩处理。对粘性、可压缩的基本方程进行雷诺时均化，并附加κ-ε方程湍流模型来求解列车通过隧道外声屏障上的气动力。

列车模型采用8车编组，分为头车、尾车及6节中间车，中间车长度为25m，车宽3.36m，车高3.86m，最大横截面面积为12.257m2，隧道阻塞比为0.122。考虑到计算机的硬件条件和计算时间，忽略了车体外部复杂结构细节，如受电弓、车门、车窗、转向架、风挡等。列车计算简化模型如图1所示。

在高速列车通过隧道外的声屏障的气动特性分析中，线路考虑为双线，线间距为5m，隧道进口和出口在纵向都布置长50m、高4m的声屏障，在横向上声屏障离近侧线路中心线距离L分别取3.5m、4.25m、5m来计算[6-8]。列车通过隧道外声屏障时，计算模型布置如图2所示，CFD仿真分析模型见图3。

图1　列车几何模型

图2　计算模型布置示意(单位：m)

图3　列车过隧道外声屏障区域示意

由于声屏障实际结构比较复杂，在计算中对它进行了光滑处理，将其视为一定厚度的平板，忽略了立柱、基础等结构。

隧道断面模型如图4所示，列车底部距离地面0.376m，复线线路中线距离为5m。

图4　隧道横断面

1.2计算区域

建立计算区域时，考虑到流场的充分发展以及气流的绕流影响，所以选取计算区域，如图5所示。采用FLUENT中网格滑移方法模拟列车与隧道及声屏障之间的相对运动，整个计算区域网格划分为移动部分和固定部分，其中列车周围网格以列车运行速度滑移，剩下的都是固定区域，固定部分和移动部分的网格信息通过交界面(interface)来传递，列车表面、隧道壁面和地面及声屏障都设定为无滑移壁面边界，采用无滑移壁面函数模拟，外流域设定为压力出口边界条件。

图5　计算区域示意

隧道长度L按照最不利隧道长度给定，计算公式为：

(1)

式中：l为列车的整车长度，此处取200m；v为列车的速度，此处取250km/h；c为声速，取340m/s。

根据式(1)可以得到隧道长度为1 443m，外流场长度取650m，外流场高度取60m。初始时刻，列车鼻尖距离隧道入口100m，声屏障同时布置在隧道进、出口处。

2高速列车作用于隧道外声屏障上风荷载CFD计算结果分析

2.1竖直声屏障CFD结果分析

当列车以250km/h的速度通过隧道外的声屏障区域时，通过CFD分析声屏障承受气动力作用。计算结果中，主要提取隧道进、出口外，自隧道口算起，向外辐射的声屏障上0m、10m、20m、30m、40m、50m处的计算结果。

隧道进口声屏障上某些具有代表性的测点压力变化曲线如图6、图7所示。隧道出口声屏障上某些测点压力变化曲线如图8、图9所示。

图6　离隧道进口0 m处声屏障上测点压力时程曲线

图7　离隧道进口40 m处声屏障上测点压力时程曲线

图8　离隧道出口0 m处声屏障上测点压力时程曲线

图9　离隧道出口40 m处声屏障上测点压力时程曲线

由图6～图9可以看出，在高速列车突入隧道洞口和列车高速从隧道驶出时会产生复杂的三维紊流流场，会引起隧道出、入口处压力突变，在隧道口会形成复杂的三维模式，这种三维模式下对隧道口外的声屏障产生的影响会随着离隧道口的距离的增加有所减缓，最后达到某个距离就会消失。同时我们也发现，隧道进口和出口附近的三维效应明显不同，这是由于隧道进口处的流场是由无限边界向有限边界过渡的一个流场，而出口处的流场是由有限边界向无限边界过渡的一个流场，所以会造成这种截然相反的影响效应，我们还可以发现隧道进口外的声屏障受三维效应的影响要大于隧道出口外的声屏障。

2.2声屏障CFD计算结果竖向分析

2.2.1隧道出口外的声屏障

以距线路中心线4.25m为例，高速列车通过隧道出口外的声屏障计算结果表明，在声屏障的高度方向上，气动力分布有一定的差异，250km/h列车通过隧道时 ，沿声屏障高度方向的气动力分布如图10～图13所示。

图10　隧道出口外声屏障测点头波波峰值竖向分布

图11　隧道出口外声屏障测点头波波谷值竖向分布

图12　隧道出口外声屏障测点尾波波谷值竖向分布

图13　隧道出口声屏障测点尾波波峰值竖向分布

从图10～图13中可见，隧道出口外声屏障测点头波波峰值、波谷值和尾波波峰值竖向分布都是沿着高度向上幅值减小，中间测点比始、末端测点幅值减小得要快些，幅值相差大些，尾波波谷值沿高度方向上变化较小[8-9]。

在列车通过隧道外的声屏障区域时，沿声屏障纵向的气动荷载也有一定的差异。列车以 250km/h通过隧道外的声屏障过程中，声屏障承受最大压力沿纵向分布图如图14、图15所示。

图14　隧道出口外声屏障测点头波波峰值纵向分布

图15　隧道出口声屏障测点头波波谷值纵向分布注：图中虚线代表没设声屏障的情况下对应测点受到气动力情况。

由图14和图15可知：离隧道出口越近，声屏障受隧道口的三维效应的影响越大，影响范围在隧道出口20m内。声屏障末端由于密闭性没有中间部分的好，所以会在声屏障末端造成声屏障上受到的压力会幅值突然减小。同一位置设了声屏障比没设声屏障的最大正压力幅值大136Pa，最大负压力幅值大118Pa。其它距离下的声屏障可以根据文章后面提到的声屏障上受到的气动力横向变化规律做相应的推算。

列车以 250km/h通过隧道出口外的声屏障的过程中，声屏障承受最大正压力沿横向分布如图16、图17所示。

图　　　16　隧道出口不同路线中心距的声屏障测点头波波峰值纵向分布　　　注：图中虚线代表没设声屏障的情况下对应测点受到气动力情况。

图17　隧道出口不同路线中心距的声屏障测点压力横向分布规律

隧道出口外不设声屏障情况下，不同路线中心距测点受到的气动力横向分布如图18所示。

图18　隧道出口外不同路线中心距的测点压力横向分布规律

由图16～图18可以看出，声屏障所受到的气动力随轨道中心距的增加成明显递减趋势。声屏障距离轨道中心越近,受空气冲击力越严重,气动力就越大,其大小与该距离几乎成线性关系。即使隧道外附近某点处不设置声屏障，该处受到的列车气动力幅值大小也与距线路中心的距离几乎成线性关系，与《高速铁路设计规范》中气动力的取值随路线中心距(取3.5m～5m之间的值)的变化近似成线性关系是一致的。

2.2.2隧道进口外的声屏障

以距线路中心线4.25m为例，同隧道出口外的声屏障相比，隧道进口外距隧道口0m处的声屏障上受到的气动力如图19～图22所示。

图19　隧道进口外声屏障测点头波波峰值竖向分布

图20　隧道出口声屏障测点头波波谷值竖向分布

图21　隧道出口声屏障测点尾波波谷值竖向分布

图22　隧道出口声屏障测点尾波波峰值竖向分布

从图19～图22中可见，隧道进口外声屏障测点头波波峰、尾波波峰竖向分布都是沿着高度向上幅值减小，头波波谷幅值沿高度方向上变化较小。

在列车通过隧道进口外的声屏障区域时，沿声屏障纵向的脉动风荷载也有一定的差异。列车以 250km/h通过隧道进口外的声屏障过程中，声屏障上距底端距离为1.6m的声屏障上承受最大正压力沿纵向分布，如图23所示。

图23　隧道出口声屏障测点头波波峰值纵向分布注：图中虚线代表没设声屏障的情况下对应测点的受到脉动风压情况。

由图23可知，离隧道进口越近，声屏障受隧道口的三维效应的影响越大，影响范围在隧道进口10m内，相对于出口，影响范围有所减小。声屏障始端由于密闭性没有中间部分的好，所以会在声屏障始端造成声屏障上受到的压力幅值会比中间测点小。同一位置设了声屏障比没设声屏障的最大正压力幅值大210Pa，幅值变化要比出口声屏障的大，其它距离下的声屏障可以根据前面提到的声屏障受到的气动力横向变化规律做相应的推算。

2.2.3隧道出口外声屏障和进口外声屏障对比

由表1可知：距隧道洞口相同距离位置处的声屏障上受到的气动力峰-峰值，进口外的要比出口外的声屏障大。由于列车过隧道进口时，流场是由有限边界向无限边界过渡的一个流场，列车进隧道口时瞬间挤压空气，被挤压后的空气在隧道口附近就会作用在洞口周围的结构物(声屏障)上，理论上隧道进口外的声屏障受到的气动力幅值会比其它路段(平地、桥梁等)上的声屏障要大，但由于隧道口附近会产生复杂的三维效应，离隧道口越近，这种效应会越强，在综合考虑了这种效应后，就会产生隧道进口外声屏障受到的气动力峰-峰值和其它路段(路基、桥梁)上布置声屏障相同的结果(声屏障中间段气动力峰-峰值大，始、终端附近的气动力峰-峰值小)[9-11]，但隧道进口和平地、桥梁段产生这种结果的原因是有所区别的，路基、桥梁段的声屏障始、终端由于密闭性没有中间部分的好，所以造成了列车声屏障中间段气动力峰-峰值大，进、出口附近的气动力幅值小。当列车出隧道时，流场是由有限边界向无线边界过渡，所以列车和周围空气的作用效应没进口的强，导致了作用在隧道出口外的声屏障上的气动力峰-峰值比隧道进口外的声屏障小。

表1　隧道进、出外口声屏障的最大压力幅值对比

3结论

(1)250km/h标准动车组单车通过隧道外声屏障时，隧道进、出口外的声屏障会受到洞口附近三维效应的影响，三维效应的影响范围隧道进口在10m内，隧道出口在20m内，但影响强度进口比出口要大，离洞口越近，影响效应越大。声屏障在设计时，应该充分考虑这种三维效应的影响，以保证结构的安全。

(2)250km/h标准动车组单车通过隧道外声屏障时，距轨道中心距为3.5～5m之间时，声屏障所受气动力与距轨道中心距的距离近似成线性关系，声屏障距离轨道中心越近,受空气冲击力越严重,脉动风就越大，即使隧道外附近某点处不设置声屏障，该处受到的列车脉动风压幅值大小也与距线路中心的距离近乎成线性关系。

(3)250km/h标准动车组单车通过隧道外声屏障时，距隧道洞口相同距离位置处的声屏障上受到的气动力峰-峰值，进口外的声屏障要比出口外的声屏障大。

(4)本文只研究分析了250km/h的标准动车组单车通过隧道时的情况，在后期可以研究分析300km/h、350km/h、400km/h的情况，同时也可以研究分析隧道长度对隧道外声屏障上受到气动力的影响，得出相关的结论和规律。

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[作者简介]叶葵葵(1989～),男，硕士研究生,研究方向为结构抗风。

【中图分类号】U453.8+2

【文献标志码】A

[定稿日期]2015-12-31