400km·h-1高铁桥上直立式声屏障脉动风压特性

2021-12-09李小珍李绍富

中国铁道科学 2021年6期

毕然，李小珍，郑净，胡喆，徐鸿，李绍富

（1.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031；2.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063；3.中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031）

随着高铁的迅速发展和高铁桥梁的不断建设，高速列车运行时产生的振动和噪声问题愈发突出。为了减少对高铁沿线的噪声污染，在高铁桥梁两侧安装各类声屏障已经作为一种有效措施被广泛采用［1］。随着列车速度从300km·h-1提高到400km·h-1，列车运行所产生的气流更加猛烈，并以脉动压力的形式作用在声屏障结构上，导致声屏障构件出现振动、疲劳及连接部位螺栓松动脱落等现象，这给声屏障的设计和安装提出了新的要求和考验。

高速列车通过高铁桥梁时，声屏障表面脉动风压分布规律可以采用流体力学理论分析、现场测试和数值计算相结合的研究方法，多种方法相互验证，确保研究结果的可靠性。为探寻直立式声屏障的脉动风压特性，龙丽平等［1］基于流体计算软件CFX 研究了高度为3.15 m 的直立式声屏障脉动风压分布规律；张亮等［2］基于Navier-Stokes 方程研究了速度350 km·h-1以下的高速列车对声屏障脉动风压的影响；陈向东等［3］采用ALE 方法对声屏障脉动风压分布特性进行了数值模拟计算，分析了脉动风压时程变化特性；熊小慧等［4］结合实车试验和数值模拟计算，比较了CRH2型动车组交会时的空气压力波特性；田红旗等［5］采用数值模拟计算和风洞试验相结合的方法，讨论了几种典型列车空气动力性能及其对铁路沿线附属物的空气动力影响；罗文俊等［6］在计算脉动风荷载作用下声屏障的动力响应时，采用了德国铁路公司根据试验结果得到的公式，该公式表明压力波峰值与列车的速度呈平方关系，与列车中心到声屏障距离呈平方的负二次方关系［7］；施洲等［8］采用数值仿真方法计算了多车速条件下列车通过声屏障区域的动态风场过程；吕坚品等［9］在研究声屏障的高速列车脉动风致响应问题时，采用SAP2000 软件的直接积分法将脉动风压荷载以不同的输入方式加载到声屏障上，对声屏障进行了动力计算；焦长洲等［10］通过Fluent软件，分析了列车运行时声屏障结构的脉动风压分布规律；梁习锋等［11］采用风洞试验方法研究了不同高度挡风墙下动车组的气动特性，确定了挡风墙结构的主要参数；张继文等［12］采用流体力学软件PHOENICS 对高速列车行驶时桥上声屏障和箱梁翼缘板的脉动力进行了数值分析；卫星等［13］研究了不同开口形式的封闭式声屏障在速度350 km·h-1列车作用下的脉动风压及其受力特征；何旭辉等［14］基于Fluent 流体计算软件对高速列车以350 km·h-1速度通过全封闭声屏障时声屏障的气压载荷分布规律进行了数值模拟。

为了验证计算模型的准确性，国内外学者开展了脉动风压线路实测试验，将测试结果与数值计算结果进行对比分析。Rocchi 等［15］开展了现场试验，测试了作用于声屏障上的列车风压，并对不同列车的气动特性进行了对比分析；Xiong 等［16］通过现场试验的方法，测试了CRH380A 动车组运营状态下，高度为2.15 m 直立式声屏障表面的脉动风压分布；吕明等［17］对减载式声屏障气动特性做了试验研究，分析了声屏障的气动载荷与车速和车型的关系；Tokunaga等［18］通过试验测试和模拟分析，研究了高速列车运行时声屏障上的脉动风压分布和动力响应；Kikuchi等［19］通过实测数据分析了高速列车经过直立式声屏障的压力波及流场特性；Vottozzi 等［20］通过调谐质量阻尼器的应用探讨了声屏障在列车脉动风作用下的疲劳效应。从以上现场试验研究来看，多数是对单一参数进行深入分析，但对列车速度、声屏障高度及列车中心到声屏障距离等多参数对脉动风压分布规律影响的综合分析还较少，具有进一步研究的空间。

本文以高铁桥上直立式声屏障为研究对象，建立高速列车通过声屏障的CFD 仿真模型，结合现场试验结果对仿真模型进行验证，并研究列车速度、列车中心到声屏障距离和声屏障高度对脉动风压的影响。

1 CFD数值模拟模型

1.1 几何参数

采用CRH380A 型动车组，首先在前处理软件ICEM CFD 15.0 中建立列车-声屏障系统几何模型，然后将其导入大型流体计算软件Fluent 15.0中进行求解计算，考虑到计算机设备性能和求解时间等因素，对高速列车模型进行了适当简化。由于平滑过渡的车体表面几乎没有涡流［21］，故简化车厢衔接处和突出的外部结构物。忽略受电弓、转向架及车轮等结构，将列车表面简化为光滑封闭的头车、中车及尾车，宽3.38 m，高3.70 m，全长76.40 m，建立的列车头车简化模型如图1 所示。由于高速列车行进速度较快，考虑极端压力情况，建模时忽略声屏障面板和连接处的透气性，将其简化为封闭的长直板，全长191 m。建模采用桥宽为12.00 m，列车中心到声屏障距离为3.40 m，上、下行线间距为5.00 m。装有声屏障的双线高铁桥梁模型主要尺寸如图2所示。

图1 列车头车模型示意图

图2 装有声屏障的双线高铁桥梁主要尺寸（单位：m）

1.2 计算区域和边界条件

按照行业规范的要求［22］，为保证计算区域的边界不影响列车周围气流流动特征，计算区域高度设置为声屏障高度的10 倍，即50 m；为保证车体截面积与计算区域截面积之比小于0.01，计算区域宽度设置为50 m；为保证列车引起的脉动风充分作用于声屏障表面，同时避免气压急剧变化导致计算误差，在头车与声屏障入口之间设置50 m 间距，在尾车与计算区域边界之间设置50 m 间距；直立式声屏障长度设置为车长的2.5 倍，计算区域总长为367.4 m。由此，计算区域的大小可以确保气动力对声屏障的作用得到精确模拟，且不对计算结果产生影响。计算区域及动网格铺层区如图3所示。

图3 CFD模型示意图（单位：m）

计算区域上下和前后边界设定为压力远场边界；计算区域底部、声屏障及列车外表面均设置为无滑移壁面边界；使用动态铺层技术模拟相对运动时会有部分网格发生重构，即“坍塌或合并”，因此，将列车周围一定范围的区域划分为动网格，外部大范围流场区域划分为静网格，2 者之间的数据采用滑移交界面来实现传递和交换；由于计算工况中并无明确的空气流入和流出边界，因此未设置速度入口和出口边界。计算区域及边界条件示意图如图4所示。

图4 计算区域及边界条件示意图（单位：m）

1.3 网格划分

在进行计算区域网格划分时，采用六面体网格。为了精确模拟声屏障和列车周围的复杂气流，在移动区域内和声屏障附近均设置了网格加密区，在远离车体的静止区域则适当采用粗糙的网格以控制网格整体数量，提高计算效率。对于静网格部分，在进行数值计算时采用壁面函数的RANS 方法对边界层进行仿真，因此，分析中采用的无量纲壁面距离典型值取100，并对声屏障表面附近的网格进行加密，边界层网格增长因子设置为1.1。对于动网格部分，在列车表面附近进行网格加密，首层网格尺寸根据不同车速进行计算，最小网格径向尺寸为0.2 mm，无量纲壁面距离典型值取100，边界层网格增长因子设置为1.1。此外，为了保证网格质量，提高计算精度，列车表面沿线路方向的网格增长因子设置为1.2～1.5。

为确定合适的整体网格数量，保证计算结果不受影响，在分析声屏障脉动风压的影响因素前进行了网格无关性检验的试算。分别建立网格总数为50万～600万个的6种计算模型，以脉动风压头波正压峰值和尾波正压峰值为参考，列车以400 km·h-1行车时，某测点的风压计算结果如图5 所示。由图5 可以看出，当网格数量大于400 万个时，结果趋于平稳，说明计算精度受网格大小和数量的影响很小。因此，分析模型的网格数量均划分为450 万个左右，既能保证计算精度，又能适当提高计算效率。计算中时间步长设置为0.002 s。

图5 网格数量与脉动风压峰值关系

1.4 测试工况

根据相关规范要求［22］，壁面压力变化的测点可布置在声屏障长度的1/2～2/3 处。为了获取脉动风压的分布特性，在声屏障CFD模型中将竖向1列测点设置在声屏障全长1/2 处，其中最低位置处的测点高度为0.20 m，然后以0.50 m 为间隔向上布置，直到声屏障顶部，2.15 和3.00 m 高声屏障的竖向各处测点如图6 所示。图中，N1—N7 为各测点编号。所有计算工况见表1，其中工况8 为用于模型验证的试验工况。

表1 仿真计算工况

图6 声屏障上的竖向测点（单位：m）

2 数值模拟结果及验证

采用文献［16］中京沪高铁线上的实测数据对仿真计算结果进行验证，京沪高铁现场实测的声屏障高度为2.15 m，车型为CRH380A，列车中心到声屏障距离为3.40 m，表1 中工况8 模型的各项参数与现场实际情况一致。

2.1 脉动风压变化规律

高速列车以380 km·h-1速度通过2.15 m 高声屏障（工况8）时竖向各测点处的脉动风压时程曲线如图7所示。各测点脉动风压时程曲线均是由列车头车引起的头波和由列车尾车引起的尾波构成，头波和尾波各包含1 个正压峰值和1 个负压峰值。由图7 可以看出：随着测点位置从N1（0.20 m）升高到N5（2.15 m），脉动风压峰值逐渐下降，且每条脉动风压曲线结果均显示头波正压峰值P1max大于尾波正压峰值P2max和头波负压峰值的绝对值|P1min|。

图7 竖向不同高度处测点脉动风压曲线

2.2 结果验证

列车速度为300，350 和380 km·h-1时脉动风压时程曲线头波峰值实测值与仿真值的对比结果如图8 所示，实测值来源于Xiong 等［16］在京沪高铁线上的现场测试。

图8 头波脉动风压实测值与仿真值对比

由图8 可以看出：随着车速的增大，脉动风压峰值逐渐增大，且无论是正压峰值还是负压峰值，仿真值与实测值均吻合较好，误差在10%以内。

除了现场试验外，还可以采用公式计算的方式得到脉动风压，英国规范给出了空压计算式［23］为

其中，

式中：k0为列车形状系数，客车取0.85；ρ为空气密度，取1.25 kg·m-3；v为列车运行速度，m·s-1；p为空压值，N·m-2；Cp为空压系数，Y为列车中心到声屏障距离，m。

车速为350 km·h-1时脉动风压头波正压峰值仿真值与式（1）计算值的对比如图9所示。由图9可以看出，2者吻合情况较好，验证了CFD模型仿真计算结果的可靠性。

图9 仿真值与空压公式计算值对比图（工况1—工况5）

高速列车以380 km·h-1速度通过声屏障时，脉动风压实测值与仿真值对比如图10 所示。由图10 可以看出：对于由列车头车引起的头波，正压峰值仿真值较实测值高8.87 Pa，负压峰值仿真值较实测值低44.82 Pa，相差均在7%以内，满足工程误差要求；对于由列车尾车引起的尾波，仿真值较实测值大，这是由于现场试验时，列车是以8节编组的长度通过的，而仿真模型仅有头车、中车及尾车3节车厢，对气流造成的扰动更大，从而导致了更大的脉动风压峰值；对于由中车形成的头波和尾波之间的中间段，脉动风压值略有波动。

图10 实测脉动风压曲线与仿真值对比

综上，仿真模型的计算结果与现场试验结果一致，表明了CFD 模型的准确性，可采用本文建立的直立式声屏障CFD 建模方法开展进一步的参数分析。

3 脉动风压影响参数

利用1.2 节中建立的高速列车移动模型，改变列车中心到声屏障的距离和声屏障的高度，并使列车分别以350，400 和450 km·h-1的速度运行，研究脉动风压随列车速度、列车中心到声屏障的距离及声屏障高度的变化规律。列车中心距声屏障3.80 m，双线间距5.00 m，声屏障高度为5.00 m的高铁简支箱梁截面如图11所示。

图11 安装声屏障的高铁桥梁横截面图（单位：mm）

3.1 列车速度

各个车速下列车中心到声屏障不同距离对应的头波正压、负压峰值见表2，表中正值表示正压，负值表示负压。由表2 可以看出，对于列车中心到声屏障的5 个不同距离3.80，4.00，4.20，4.50和4.70 m，当车速由350 km·h-1增大到400 km·h-1时，脉动风压头波正压峰值增幅分别为27.5%，28.1%，30.5%，28.7%和29.7%，说明车速的变化对脉动风压头波的影响较为明显。

根据表2 数据，高速列车不同运行速度下各个工况的正压、负压峰值变化趋势如图12 所示。从图12 可以看出，随着列车速度增大，各测点处脉动风压峰值逐渐增大，且从列车中心到声屏障不同距离的工况中均可以看出，脉动风压峰值与列车速度的平方成正比，且车速越大，脉动风压峰值增大越快。

表2 不同车速下的头波正压、负压峰值

图12 不同车速下的脉动风压峰值（工况1—工况5）

N1 测点在不同车速时的脉动风压时程曲线如图13 所示。从图13 可以看出，各车速下头波正压峰值大于尾波正压峰值，头波负压峰值大于尾波负压峰值，随着列车速度的增加，头波达到正压峰值的时间缩短，且头波和尾波峰值均逐渐增大。

图13 不同车速下的脉动风压曲线

3.2 声屏障上不同高度处

列车以350 km·h-1速度通过高度5.00 m、列车中心距其3.80 m 的声屏障时，引起的内表面各测点处脉动风压头波正压、负压峰值见表3。声屏障上不同高度处测点峰值变化趋势如图14所示。

表3 车速350 km·h-1时声屏障脉动风压分布

图14 车速350 km·h-1时头波正压、负压峰值变化趋势

从图14 可以看出：正压峰值和负压峰值均出现在声屏障底部1.20 m 范围内。随着测点位置升高，正压峰值在1.20 m范围内保持稳定，在1.20 m以上高度衰减较快；负压峰值在1.20 m 范围内保持稳定，在1.20 m 以上高度缓慢衰减。最高处测点比最低处测点正压峰值减小约60%，说明声屏障的底部区域应作为控制设计的关键区域予以重点关注。

3.3 列车中心到声屏障距离

当声屏障高度均为5.00 m 时，列车中心到声屏障距离从3.80～4.70 m一共计算了5种工况，分别为表1中的工况1—工况5。列车中心到声屏障不同距离下各个车速对应的头波正压峰值见表4。从表4 中可以看出：对于3 个不同车速，当列车中心到声屏障距离由3.80 m 增大到4.70 m 时，脉动风压峰值降幅分别为28%，27%和27%，均在20%以上，说明列车中心到声屏障距离对脉动风压的变化影响较为明显。当列车中心到声屏障距离以0.20 m 为间隔逐级增大时，脉动风压峰值减小幅度在5%～15%之间。这是由于随着列车中心到声屏障距离的增大，列车带来的气流扰动对声屏障表面的影响减小，从而使脉动风压峰值减小。