高速铁路不同形式矮屏障车致气动力研究

韩珈琪

（中国铁路设计集团有限公司 机械动力与环境工程设计研究院，天津300308）

1 前言

近年来，高速铁路线路规划趋向于靠近城区、引入既有车站，这些区域人口密集、人民对生活质量要求高，铁路噪声控制已经成为社会关注的焦点。声屏障是传播途径降噪的首选措施，也是目前铁路沿线环境噪声治理的主要方式。目前，我国铁路主要采用直立式声屏障。

高速铁路引入城区段线路一般速度较低，以轮轨噪声为主[1]，声能量主要集中于轮轨附近，此时采取通用声屏障(一般为轨面以上2.3 m)功能利用率低，同时由于声屏障造价较高，一般在线路特定区段设置，噪声在有限长屏障端部绕射，造成降噪效果不理想。

基于这种情况，矮屏障在挡墙顶部设置，与轨道距离更近，造价低，随主体工程一同施工，可视作与线路长度一致，无长度方向端部的绕射问题，降噪性能利用率高。目前国外针对高速铁路开展了矮屏障的相关研究[2]，尚无应用实例，国内近年针对矮屏障的声学性能进行了试验和仿真研究[3]。

高速列车运行时会对临近轨道结构产生较强的气动力，并且其幅值与列车运行速度、结构高度及距轨道距离直接相关。矮屏障结构距离轨道更近，受到高速列车风致气动力作用较大。因此，通过数值仿真方法研究了高速列车通过时，4种型式矮屏障上作用的气动力变化及分布规律，探讨其工程化应用中的列车风致气动力问题。

2 数值模型

真实的列车长细比很大，列车底部和外表面细部特征复杂，并且列车所处轨道结构外形也较复杂。在保证列车整体气动特性不变的情况下，数值建模对车体细部结构进行了适当的简化。研究表明[4]，3辆编组列车通过时的气动特性与8辆编组、16辆编组列车通过时的气动特性及气动力峰值相同，因而列车计算模型采用3辆编组长度，简化后计算模型总长为76 m。

研究的4种铁路桥梁矮屏障结构型式如图1所示。矮屏障位于桥梁原挡墙位置，距离轨道中心线2 m，兼具挡墙功能。1型矮屏障在原挡墙高度上增加0.5 m；2型矮屏障增加0.65 m，较1型增高部分厚度减小；3型矮屏障增加1.0 m，增加高度0.5 m以上靠轨道侧为斜面；4型矮屏障增加1.0 m，矮屏障整体呈弧形。所有矮屏障内侧紧邻铁路建筑限界。

图1 4种型式矮屏障

兼顾计算精度和硬件水平，除地面边界外，计算域边界到模型的最近距离为列车模型高度的8倍，满足计算精度的要求[5-6]，细化列车附近区域、矮屏障

表面网格，其余区域及表面适当粗化，模型约包含1 500万单元、270万个节点。计算采用k-∑两方程湍流模型，并考虑空气黏度；求解域前后边界与列车运行方向垂直。

3 列车驶过矮屏障时气动力变化情况

列车头车驶过1型矮屏障时，头车附近压力场分布如图2所示。图2中将矮屏障面板(面向轨道)和背板展开为水平方向。从图2可以看出，头车形成的正压场呈“靶形”，“靶心”位于车鼻处；同时在头车正压场的作用下，矮屏障面板上的正压分布也呈“靶形”，“靶心”正压值最大，距“靶心”越远正压值越小，“靶心”位于矮屏障根部以上约0.8 m处，峰值约为1 100 Pa；背板上的正压“靶心”位于矮屏障顶部，峰值约为300 Pa。头车形成的负压场也呈“靶形”，“靶心”位于头车截面突变处；同时在头车负压场的作用下，矮屏障面板上负压场“靶心”位于矮屏障根部以上约0.8 m处，负峰值约为-800 Pa；背板上的负压场“靶心”位于矮屏障顶部，负峰值约为-300 Pa。背板正负压力峰值远小于面板正负压力峰值。车头驶过时产生的空气动力学变化称为“头波”效应。

图2 列车头车靠近时最大正压发生时刻气动力分布云图

结合声屏障气动力研究结果[7]，车头经过时，声屏障上产生整个过车时段的气动力峰值；结合本次矮屏障数值仿真，中间车通过时，压力场基本稳定，脉动效应不明显且峰值较低；列车尾车通过时，形成正、负“靶形”压力场，受压力场作用，矮屏障面板上的正压分布也呈“靶形”，“靶心”位置与“头波”引起的“靶心”位置基本一致，但“靶心”峰值小于车头经过产生的峰值，车尾驶过时产生的空气动力学变化称为“尾波”效应。

高速列车通过其他3种矮屏障的气动力分布规律与1型矮屏障基本一致，仅在矮屏障横截面突变处存在细微差异，在此不再一一分析。

4 4种结构型式矮屏障的气动力差异

列车驶过时，作用在矮屏障上的气动力的实际作用与其整个时程变化的峰值、负峰值均直接相关，后处理中通过对作用在矮屏障上的气动力正峰值、负峰值做差得到气动力峰峰值。矮屏障面板上“头波”(车头经过时的正负压波动)导致的气动力峰峰值沿竖直方向的分布如图3所示。

图3 4种型式矮屏障面板头车气动力峰峰值

由图3可知：普通挡墙面板上头车气动力峰峰值沿竖直向上方向基本维持不变，4种类型矮屏障面板上“头波”气动力峰峰值沿竖直方向变化趋势基本一致，桥面以上0~0.7 m风压峰值缓慢增加，0.7~0.9 m处达到最大值，0.9~1.7 m急速减小。矮屏障面板相同位置测点，“头波”峰峰值大致关系为：3型>4型>2型>1型。这 是 由 于 矮 屏 障 高 度3型=4型>2型>1型，而3型矮屏障头部空间小于4型。

设置4种型式矮屏障后，相同高度测点的风压峰峰值较普通挡墙增加200~500 Pa，对于混凝土结构(抗压强度MPa计)[8]来说，此部分增加受力影响较小。

矮屏障面板上“尾波”(车尾经过时的正负压波动)导致的气动力峰峰值沿竖直方向的分布如图4所示。

图4 4种型式矮屏障面板尾车气动力峰峰值

由图4可知，1型、2型矮屏障面板上“尾波”气动力峰峰值随高度增加逐渐增大，在顶部达到最大值；由于3型、4型矮屏障随高度的增加，顶部截面变化较大，局部区域气动力峰峰值分布与1型、2型相比出现突变。3型、4型矮屏障面板上“尾波”气动力峰峰值沿桥面以上0.0~0.9 m逐渐增大，0.9~1.0 m处达到最大值，1.0~1.65 m逐渐减小，1.65~1.75 m增大。相同位置测点，“尾波”导致的4种型式矮屏障气动力峰峰值大小关系与“头波”基本一致。

同时研究了背板作用的气动力特性，主要结论有：矮屏障背板上“头波”导致的气动力峰峰值随高度增加逐渐减小，在顶部达到最小值。背板上相同位置测点，“头波”峰峰值大小关系为1型>2型>3型>4型；矮屏障背板上“尾波”导致的气动力峰峰值随高度增加逐渐增大，在顶部达到最大值。背板上相同位置测点，“尾波”气动力峰峰值大小关系与“头波”基本一致。

5 结论

通过对高速列车通过4种型式桥梁矮屏障过程中气动力的数值仿真及分析，得出以下结论。

（1）当列车头车经过矮屏障时，矮屏障先受到较大的正压力接着受到负压力，然后下降并恢复到初始状态；当列车尾车经过矮屏障时，受到的压力变化情况相反。矮屏障正面压力波动明显大于背面压力波动。

（2）矮屏障面板各峰峰值沿高度基本规律为：0~0.9 m缓慢增加，0.9~1.2 m达到极值，1.2 m至顶部急速减小，最大风压位置位于0.9~1.2 m处；矮屏障背板各峰值沿高度基本规律为随高度增加根部增大较慢，随后急速增大，最大风压位置位于顶部。

（3）矮屏障设置之后，挡墙面板承受的气动力峰值增加200~500 Pa，对照一般混凝土抗压强度，增幅较小。

（4）矮屏障面板相同位置测点，各峰峰值大小关系为3型>4型>2型>1型；矮屏障背板相同位置测点，各峰峰值大小关系为1型>2型>3型>4型。