新型风声屏障参数对车-桥系统气动特性的影响

2022-05-12蒋硕何旭辉邹云峰蔡陈之翟利华农兴中

中南大学学报（自然科学版） 2022年4期

蒋硕，何旭辉，邹云峰，蔡陈之，翟利华，农兴中

(1. 中南大学土木工程学院，湖南长沙，410075；2. 高速铁路建造技术国家工程实验室，湖南长沙，410075；3. 广州地铁设计研究院股份有限公司，广东广州，510030)

风屏障能够有效保障强风下的桥上行车安全，是重要的桥梁附属设施[1-3]。低透风率的风障虽然有利于降低平均风速，但提高了屏障后的湍流动能，并不一定取得最优的防风效果[4-6]。对于路基风障，研究屏障后流场和车辆气动特性可以较好地对风障防风效果进行评价和对参数进行优化。然而，当在桥梁上安装使用时，风障会增强桥梁系统的钝体特征并显著改变桥梁周围的流场。在保护车辆的同时，风障自身承受了较大风荷载并传递至桥梁，使桥梁阻力大幅提升，不利于桥梁的气动稳定。研究表明，为减小桥梁系统受到的风荷载，设计风屏障时，应尽可能在保障列车安全舒适的前提下提高透风率[7-10]。随着轨道交通的快速发展，越来越多的线路需要穿越人口密集区。在穿越城区的高架线路上，在桥梁两侧安装屏障时除需考虑保障行车安全和减小桥梁风载外，还需要满足人口密集区的降噪需求，传统的风屏障往往无法满足上述要求。声屏障能够有效隔绝噪声，但其不透风的特性使得屏障自身风载过大。

一些学者开发了具有空气流通通道的新型声屏障对来流进行泄流以减小屏障所受风载，其风洞试验结果和现场实测结果表明[11-13]，减载式声屏障虽然具有开孔结构，但仍然能够在有效降低屏障自身风载的同时提升降噪效果。然而，其研究对象多集中于屏障本身，对列车和桥梁气动特性的考虑不足。车桥气动特性对屏障的参数变化很敏感，即使高度、透风率等参数变化不大，屏障的其他构造参数如空间姿态等的改变依然可以剧烈改变屏体后流场，改变车桥气动力和风压分布[14-19]，因此，必须进一步研究新型防风降噪结构对车桥气动性能的影响机理，为桥梁风声屏障设计提供依据。

为此，本文提出一种新型风声屏障。前期研究表明，该结构尽管具有一定透风率，但能够在轮轨噪声频谱范围内保障降噪效果，为此，通过风洞试验研究屏障主要参数叶片倾角对车-桥系统气动特性的影响规律，探明风声屏障倾角参数变化对高架桥梁和桥上列车气动特性的影响机理，以便为实际工程应用提供参考。

1 风洞试验

1.1 风声屏障简介

为在达到降噪效果的同时保留足够的空气流通通道，新型风声屏障采用消声阵列与百叶窗导流叶片组合的构造方案(见图1)，其中屏障高度取较为常见的声屏障高度3 m。其降噪原理为：通过激发屏障内侧2 排消声阵列的共振消耗声波能量，每排消声阵列可对应1个中心频率进行降噪，消声阵列的周期性排布形成了类似声子晶体的构造，可进一步增强降噪效果，前期的计算结果验证了此结构具有良好的降噪效果。

外层导流叶片具有挡风和导流2种作用，其透风率可定义为导流叶片竖直投影间隙与屏障高度的比值，为保障降噪效果，新型风声屏障仅保留了空气流通通道，其透风率均为0。屏障主要设计参数为叶片倾角。导流叶片可在0°～180°内转动，其转动角定义见图2。转动角为0°时的状态为完全打开状态，转动角小于90°时叶片指向桥面，转动角大于90°时叶片背离桥面。为便于描述，以下将叶片倾角为0°～90°的姿态称为叶片下倾姿态，叶片倾角为90°～180°的姿态称为叶片上倾姿态。通过对导流叶片的倾角参数进行设计，可以实现不同的防风效果。

1.2 试验模型及工况

试验以某3跨地铁简支高架桥为研究背景，设计最高车速为120 km/h。桥梁模型制作时选取跨中断面，并考虑桥梁两侧设置的1 m高防撞墙，桥梁原始宽×高为10 m×2 m，线间距为4.2 m；桥上列车模型依据形状较规则的地铁B 型车中车截面制作。为满足风洞试验规范要求(即桥梁模型长宽比大于2且模型总体阻塞率低于5%)，模型缩尺比设定为1∶15，同时确定桥梁和列车模型长度为1.5 m。模型采用刚度较大的优质木材和ABS 板制作以保障测试精度。制作时，忽略除防撞墙外的其他桥梁附属设施和车辆转向架等对气动外形影响较小的构造。车桥测点布置如图3所示，车桥来流方向皆为图中由右至左。为获取更准确的测试信息，在转角及迎风面等风压变化较大区域，测点均加密布置，其中桥梁每个断面布置51 个测点，列车每个断面布置32 个测点。试验时，通过电子扫描阀系统对每个测点连续采集20 s 共6 600 个瞬时风压；同时，试验通过六分量动态测力天平获取桥梁-屏障系统的瞬时气动力。

考虑列车在桥上位置的影响，试验共设置单车上游、单车下游和单桥共3 种车桥组合状态(见表1)。为研究导流叶片倾角对系统气动特性的影响，共考虑60°，75°，90°，105°和120°共5 种单一倾角状态和2 种组合倾角状态(如图2 所示)，同时，对不安装屏障时的车桥气动力进行测试作为对比。试验在均匀流场中进行，测试风速为12 m/s，风偏角为90°(横风)。

表1 试验工况Table 1 Test cases

1.3 数据处理

测点i处的风压系数CPi(t)和脉动风压系数CPri可由扫描阀采集数据转换后直接获得，其转换过程如下：

式中：CPi(t)为测压点i的风压系数，以模型表面受压为正；Pi(t)和P0分别为i点测得的风压和无穷远处静压；Pia(t)为平均风压；ρ为试验条件下空气密度，取ρ=1.255 g/cm3；UH为试验风速；N为每个测点的测试数据点个数，本试验中为6 600个。

将各点风压系数与对应的积分长度相乘后求和可得到体轴下车桥气动三分力系数，将天平测得的桥梁-屏障系统气动力与测压所得桥梁自身气动力求差后可得风屏障气动力。三分力定义如下：

式中：CH(t)，CV(t)和CM(t)分别为体轴下的阻力系数、升力系数和扭转力矩系数；Li为测压点i处的积分长度；n为测点总数；αi为测点i处模型外法线向量与来流反方向夹角，以从来流反方向逆时针旋转为正；计算列车气动力系数时，H和B分别为列车模型的高度和宽度。计算桥梁及桥梁-屏障系统气动力系数时，H和B分别取桥梁的高度和高宽；车桥扭转力矩系数起距点分别为车桥形心。

2 风声屏障参数对列车气动特性的影响

2.1 倾角对列车气动力的影响

不同倾角时列车气动力系数变化趋势如图4所示。由图4可知：安装屏障能够大幅度降低列车气动力，列车阻力、升力和扭转力矩系数绝对值均小于0.3，有利于保障行车安全；不论列车处在来流上游侧或下游侧，气动力总体变化趋势趋于一致，呈现阻力系数随倾角先减小后增大、升力系数和扭转力矩系数随倾角先增大后减小的趋势。值得注意的是，在单车上游时，气动力系数并不总在倾角为90°时取得极值，这可能是近侧屏障带来的偏转气流所致；而在单车下游时，列车距离迎风侧屏障较远，列车受屏障影响减小，其气动力系数绝对值则基本在倾角为90°时最小。

2.2 不同倾角时的列车表面平均风压特性

列车表面平均风压系数分布可以体现列车各区域平均风压变化情况，进而探知列车整体气动力变化原因。

车辆位于迎风侧时，安装各类型风声屏障时列车表面平均风压系数分布如图5(a)所示。由图5(a)可知：不安装屏障时，迎风侧中部区域出现正风压系数，列车迎风侧及车底和车顶转角处受来流车体阻挡和绕流加速影响出现2 个负压的极大值，这将使列车承受较大的阻力和扭转力矩；安装各类风声屏障时，车体迎风侧正压消失，表面风压波动均大幅度降低，倾角改变主要影响列车迎风侧附近区域风压，对列车背风侧风压影响较小；当叶片倾角为90°时，风声屏障完全闭合，其抗风效果与直立式声屏障的抗风效果相当，此时，列车表面平均风压系数分布较均匀且绝对值较小，列车整体处于低速风环境，但屏障承受了较大的风载，不利于屏障自身和桥梁结构的安全，因此，有必要建立引流通道进行泄压；当导流叶片下倾时，来流经叶片引流至桥面方向，列车迎风侧下部部分区域受这部分气流影响负压减小，随角度增大，该区域逐渐向车底移动，使得阻力系数升高；当倾角较小时，气流更容易被引至列车底部，使得车底负压增大，吸力增高，从而使列车升力降低；当导流叶片上倾时，来流经引流背离桥面，车肩附近负压增大。由于该区域处在列车迎风侧和车顶的交汇区域，上倾姿态屏障将使得列车阻力降低，升力增高。

在单一倾角姿态时，叶片下倾主要影响迎风侧车底转角区域风压，叶片上倾主要影响迎风侧车肩转角处风压，且单一倾角姿态无法同时优化列车阻力和升力，因此，考虑使用倾角组合进一步对列车风压进行调节。由于倾角为60°和120°时屏障对列车风压调节作用更明显，因此，对这2种倾角进行组合：组合状态1，屏障上半部分倾角为60°，下半部分倾角为120°；组合状态2，上半部分倾角为120°，下半部分倾角为60°。由图4可知：在组合状态1时，车肩和车底转角处极值风压均得到有效抑制，仅在迎风侧2种倾角叶片交汇区域出现由射流导致的负压小幅度降低，列车整体气动特性与安装倾角为90°的屏障时的气动特性较接近；在组合状态2时，列车表面整体风压系数分布较均匀，但车底转角区域出现较大极值风压，这可能导致列车扭转力矩升高，不利于行车安全。

当车辆位于背风侧时，安装各类型风声屏障时列车表面平均风压系数分布如图5(b)所示。由图5(b)可知：不设置屏障时，列车受桥梁绕流和系统尾流影响，迎风侧出现正压，背风侧及车底较单车上游工况负压增大，使得车辆阻力较迎风侧工况大幅增加；安装各类型屏障时，由于距离迎风侧屏障较远，射流对列车影响较小，列车风压系数整体分布较均匀；叶片下倾时，列车整体负压随倾角增加而增大，这是由于叶片下倾倾角接近90°时其阻风作用更强，来流越过屏障时产生更高的流速，使屏障后分离区域负压增强；同时，当屏障倾角较小接近0°时，气流更容易从车底通过经屏障导出，背风侧屏障引流作用使列车背风侧车底转角区域负压增高，列车阻力增大；当导流叶片上倾时，列车整体风压分布较均匀，当倾角增大时，列车表面负压更高。这是由于叶片上倾倾角愈接近0°时，轨道上方空气流速愈快；使用倾角组合时，这2种组合状态下车底背风侧转角处风压波动均被抑制，由于列车迎风侧负压稍大于背风侧负压，列车阻力系数为负数，因此，在组合状态1下，迎风侧的负压减小更有利于降低阻力系数绝对值。

2.3 不同倾角时列车表面脉动风压特性

风屏障的防风效果不只是使平均风速降低，事实上，降低屏障后列车区域内的湍流动能可保障列车安全。列车表面脉动风压系数能够很好地反映列车表面的气流脉动分量。

当车辆位于迎风侧时，列车表面脉动风压系数分布如图6(a)所示，显然，其形状与风压系数分布形状不完全一致。不安装屏障时，车顶处于系统绕流剪切层附近，整体处于高湍流强度风环境，并在车顶2 个转角处达到极值；当导流叶片下倾时，脉动风压系数在车底与背风侧较小，在车顶与迎风侧较大，在迎风侧局部区域出现极值，这可能是屏障引起的射流影响所致，极值区域随倾角增大逐渐向下移动。当导流叶片上倾时，脉动风压整体分布特征与叶片下倾时的相似，但在迎风侧与车顶交汇弧角处，受引射流影响，脉动风压系数小幅度升高。值得注意的是，叶片上倾时列车迎风侧与车底交汇区域亦出现极值，这可能是列车前缘分离区局部小尺度漩涡造成的。而当入射角更接近0°时，这种效应被抑制。当对叶片进行倾角组合时，无论使用哪种倾角组合，都会在列车迎风侧2个转角处出现极值，这可能导致整体脉动性提高。

当车辆位于背风侧时，列车表面脉动风压系数如图6(b)所示。从图6(b)可见：不安装屏障时，列车背风侧受系统尾流影响出现较大脉动风压系数，其中极值出现在车底与背风侧交界弧角处；安装屏障后，背风侧的强湍流在一定程度上被抑制，车底转角处的脉动风压系数极值基本消失，但车顶依然会保持有较大的脉动风压系数。与叶片下倾姿态相比，使用上倾姿态叶片的屏障方案对背风侧列车的湍流动能降低效果更好；使用组合倾角方案时，组合状态1会造成下游列车背风侧出现较大的湍流强度，组合状态2时列车表面脉动风压系数分布则较平稳。

3 风声屏障对桥梁气动特性的影响

3.1 不同倾角时的桥梁-屏障系统气动力

安装风声屏障可使列车处于低速风环境，但其自身也将承受较大风荷载，同时，该荷载将由屏障立柱传递至桥梁。安装各类倾角姿态屏障时，桥梁-屏障系统阻力系数和屏障自身的气动力系数如图7 所示，其中，桥梁-屏障系统气动力系数为折线图，屏障自身阻力系数为柱状图。从图7可以看出：桥梁-屏障系统阻力系数变化趋势与屏障阻力系数变化趋势大体一致，安装屏障后，桥梁-屏障系统阻力上升1倍以上，屏障参数设计对桥梁安全至关重要；与安装直立式(90°)屏障相比，使用新型风声屏障可大幅度减小屏障自身风荷载，且当叶片上倾时屏障荷载更小，其中，使用组合状态1的倾角风声屏障且在单车下游时，屏障阻力系数减小22%，新型风声屏障结构有利于屏障和桥梁结构安全。

3.2 不同倾角时的桥梁表面平均风压特性

3种车桥组合状态下的桥梁表面平均风压系数如图8所示。由于不同工况下桥梁底部和背风侧的风压基本没有变化，因此，图8中仅给出了桥梁迎风侧和桥面的风压波动情况，其中测点编号4～17的风压为桥面风压，测点编号21～33的风压为桥梁迎风侧风压，其余测点的风压则显示了两侧防撞墙内壁风压分布情况。具体测点分布见图3。

在裸桥工况条件下，与安装各类屏障相比，不安装屏障时桥梁迎风侧负压较小。由于迎风侧防撞墙被遮挡，桥面平均风压系数分布基本均匀，未出现明显波动。安装屏障后，受屏障遮挡效应影响，迎风侧负压增大，同时，桥梁整体风压系数显示出倾角愈小、负压愈小的规律；当叶片下倾时，受叶片引流作用影响，桥面靠近屏障时存在2个明显的负压升高区域；当叶片上倾时，桥面风压系数分布与直立屏障的风压系数分布基本相同；当采用组合方案时，上倾姿态和下倾姿态时的桥面风压系数分布特点均得以显现。从图8可以看出：桥面靠近迎风侧区域对于屏障下半部分姿态较敏感，而靠近背风侧区域受倾角组合变化影响不大；使用组合倾角屏障时，桥面负压较安装直立式屏障小，这有利于减小桥梁升力。

当车辆位于迎风侧且不安装屏障时，车辆底部至车辆后侧存在一个明显的较大负压区域，这可能是车底气流与系统绕流汇集所形成的旋涡所致。当安装叶片下倾屏障时，由于部分气流被叶片引导至桥面，该负压极值区依然存在，但较无屏障时负压极值减小25%以上；当叶片上倾时，桥面风压系数波动消失，桥梁表面平均风压系数分布与安装直立式屏障风压系数分布基本相同；安装组合倾角屏障时，桥梁迎风侧负压减小，桥面风压系数分布规律与安装下倾姿态屏障的分布规律类似，但极值进一步减小。

当车辆位于背风侧且不安装屏障时，负压极值区移动至列车前缘车底附近，桥面整体负压较小，局部甚至出现正压。安装屏障后，受屏障遮挡效应影响，桥面负压整体增大，桥梁迎风侧部分区域负压也增大，使得桥梁自身升力升高，阻力降低。当叶片下倾时，桥面除在列车前缘出现较大负压外，在靠近迎风侧屏障附近也出现由屏障射流引起的负压极值；使用上倾姿态叶片屏障时，桥梁风压系数分布与单车上游工况的风压系数分布相似，说明叶片上倾时整个车辆高度范围内流场都处在系统绕流场剪切层包裹范围内。

综上可以看出：安装各倾角姿态屏障时，对桥面风压造成较大影响的主要因素是迎风向下引起的射流和背风侧屏障向上引起的气流，受这两者影响，桥面负压降低，使得桥梁承受较小向上吸力，从而使桥梁气动稳定性提高。

3.3 不同倾角时桥梁表面脉动风压特性

各工况下的桥梁表面脉动风压系数见图9。由图9可知：在裸桥工况且不安装屏障时，桥梁迎风侧下缘和桥面中后侧有较高湍流强度，前者主要是桥梁转角绕流所致，而后者则是因为气流在桥梁表面形成的分离区使得桥面脉动风压系数波动较大；安装屏障后，因系统钝体特征增强，使得桥梁迎风侧风压脉动性大幅度增加，同时桥面的分离区被抑制，使得桥面脉动风压系数波动减小；当叶片下倾时，受屏障引流引起的小尺度特征湍流影响，整个桥面脉动风压系数在小范围内波动；当叶片上倾时，这种效应被抑制，整个桥面的脉动风压系数分布都很均匀；而对于倾角组合，虽然依然有射流引起的特征湍流，但其影响微弱。

当桥上有车辆存在时，受列车遮挡作用影响，安装各类屏障时桥面风压脉动性大致相同，仅在靠近屏障的个别区域有小幅度变化。安装屏障后，桥梁迎风侧脉动风压系数依然存在较强波动，且该波动随屏障倾角减小而减小。