高速公路声屏障降噪有限元仿真研究

2023-02-10宋迎前张立强

现代交通与冶金材料 2023年1期

郝龙，林倩，宋迎前，张立强

（1.江苏金阳交通工程有限公司总经办，江苏盐城 224700； 2.安徽工业大学冶金工程学院，安徽马鞍山 243032）

引言

高速公路在推动经济发展中起着不可替代的作用［1］，当今高速公路面临的环境问题主要分为垃圾污染以及噪音污染。噪音污染作为高速公路面临的环境问题之一，影响人们的正常学习、工作以及休息；当噪音污染严重时，甚至会危害人们的身体健康。某市某段高速公路作为干线公路的重要组成部分，该高速公路交通量较运营初期大幅度增长，导致公路两侧交通噪声呈不断上升趋势，存在交通噪声对两侧敏感点影响的环境问题。早在20世纪60年代，日本等国就对交通噪声防治进行了大量研究及工程应用［2］。此后的数十年时间里，声屏障降噪技术得到了极大的发展与应用。截至20世纪90年代末，日本的城市高速公路声屏障覆盖率达到90%以上，声屏障形式与材料结构推陈出新，交通噪声防治效果显著［3］。

目前Fluent流体力学计算软件作为一种使用最广泛的数值模拟计算软件，潘忠等［4］运用Fluent软件对高速列车外流场进行稳态计算，结合Fluent软件中的宽频噪声模型分析了高速列车表面噪声源分布；张军等［5］建立高速列车整车三维绕流流动的数值计算模型，用Fluent软件计算不同速度的外部稳态流场，基于稳态流场结果，使用宽频带噪声源模型计算车身表面气动噪声源，得到车体表面声功率级分布；刘悦卫等［6］以高速列车为研究对象，基于大涡模拟，结合Fluent声学模块，计算出高速列车表面的脉动压力来研究车辆表面的脉动压力对控制车辆气流噪声；刘加利等［7］以高速列车为研究对象，基于大涡模拟，结合Fluent声学模块，计算出高速列车表面的脉动压力；并通过快速傅里叶变换将高速列车表面脉动压力从时域转换到频域，从而得到高速列车脉动压力频谱图，通过分析频谱图，可以得到高速列车脉动压力的能量集中范围以及车身曲率对气流噪声的影响等一些重要特性；纪伟等［8］建立用于数值计算的简化的车辆-桥梁模型，基于宽频带噪声源法和声类比理论，利用Fluent软件分别研究了列车在高架桥上高速行驶时的近场气动噪声的声源强度特性和远场气动噪声的空间分布特性；武频等［9］针对带空气动力制动装置高速列车气动噪声问题，采用纳维斯托克斯方程、基于标准k-ε模型模拟高速列车外流场，利用Lighthill-Curler声学比拟理论预测高速列车空气动力制动装置诱发的气动噪声； Zhou等［10］利用计算流体动力学（CFD）分析了80 km/h的柔性辐条轮胎的表面压力系数特性，验证数值模拟结果并分别采用大涡模拟（LES）和威廉姆斯-霍金斯（FW-H）方法确定瞬态低场和远场空气动噪声； Hua等［11］基于Lighthill声学理论，采用三维大涡模拟（LES）和FW-H声学模型对某汽车交流发电机的气动噪声进行了模拟。本文通过开展现场调研以及设计出不同孔型的声屏障并对各方案利用Fluent中湍流模型计算稳态流场，再根据稳态流场计算结果，利用Broadband噪声模型进行高速公路汽车气动噪声数值模拟计算，提高声屏障的声学效果以及寿命，设计出符合该市高速公路工程概况的声屏障，达到降噪效果，符合降噪指标。

1 声屏障仿真理论及工程概况

1．1 基本理论

气动噪声是气体流过结构或结构在流体中运动过程中产生的噪声，气动噪声的产生、传播及其与结构的相互作用已发展成为流体力学中的分支学科-气动声学［5］。根据Lighthill声学理论知识可知，气动噪声主要由单极子、偶极子和四极子这三种声源组成。单极子声源产生的原因是因为气流体积的变化；偶极子声源产生的原因是车身表面和流体相互的作用，致使气流扰动分离；四极子声源产生的原因是因为车身周围空气体积的应力张量的变化［6］。因此，高速公路汽车气动噪声主要属于偶极子声源。本文主要通过Fluent流体力学计算软件中标准k-ε湍流模型计算稳态流场，再基于稳态流场计算结果，采用Broadband噪声模型进行数值模拟计算并对计算结果进行分析。

本文中稳态流场计算采用标准的k-ε湍流模型，其控制方程为［7］：

式中ρ为汽车车身周围流场的空气密度；ui，uj为汽车车身周围流场的空气速度分量；xi，xj为直角坐标分量；k表示湍流动能；ε表示湍流耗散率；μt表示湍流黏性系数；Cμ为湍流常数，通常取Cμ=0.09；C1，C2，σk，σε为经验常数，通常取C1=1.47，C2=1.92，σk=1，σε=1.33。

1．2 工程概况

某市某段高速公路全长42.3 km，该条高速公路是干线公路的重要组成部分。近年来，该路现状交通量同营运初期相比有了大幅度的增长，导致公路两侧交通噪声呈不断上升趋势，交通噪声对两侧敏感点的影响成为该高速公路目前营运期最突出的环境问题。根据《声屏障声学设计和测量规范》要求测算出该路段声屏障距离地面最佳高度为4.0 m，单块声屏障高度为0.5 m，长度为1.96 m，声屏障总长度为510 m。

2 声屏障优化设计与计算

2．1 模型建立与优化方案

按照《声环境质量标准》（GB 3096—2008）的有关规定对敏感点进行现场噪声监测，噪音超标严重。根据某市某段高速公路工程概况以及现场超标情况测算出的声屏障距离地面最佳高度为4.0 m，单块声屏障高度为0.5 m，长度为1.96 m。本文中高速公路声屏障模型计算域长、宽、高分别为40，8，4.5 m，汽车与声屏障距离为2.5 m，声屏障模型计算域示意图如图1所示。

图 1 声屏障模型计算域示意图（单位： m）

在声屏障长度与高度确定的基础条件下对声屏障的孔型结构进行设计，设计出了三种声屏障孔型结构，声屏障优化设计方案如表2所示。

表 1 声屏障优化设计方案

各声屏障优化方案孔型结构具体尺寸如图2所示。

图2 各优化方案孔型结构示意图（单位： mm）

2．2 模型边界条件

本文通过Fluent流体力学计算软件对高速公路声屏障进行稳态计算，采用标准的k-ε湍流模型进行稳态流场计算，再基于稳态流场计算结果，采用Broadband噪声模型进行高速公路汽车气动噪声数值模拟计算。高速公路声屏障模型计算域入口设置为速度入口，速度为120 km/h（33.3 m/s）；出口设置为压力出口，并设置为一个标准大气压，一个标准大气压为101325 Pa。湍流计算时选择标准的k-ε湍流模型，Materials选择air，压力与速度耦合的方式选择Simple算法，模型初始化选择Hybrid Initialization，模型计算迭代次数为105。稳态计算结束之后选择Acoustics（Broadband）模型进行气动噪声数值模拟计算。

3 仿真结果分析

根据表 1声屏障优化设计方案进行建模设计，通过Fluent流体力学软件分别对未设置声屏障（方案0）以及声屏障优化设计方案1，2和3进行气动噪声数值模拟计算。根据4a类声环境功能区划分-相邻区域为3类声环境功能区，距离为20 m±5 m，分别在距离声屏障5，10，15，20，25，30 m的监测点进行噪音监测。各声屏障优化方案气动噪声数值模拟计算结果压力云图如图3所示。

其中，图3（a）为方案0未设置声屏障时气动噪声数值模拟结果压力云图，从图中可以看出在未设置声屏障时，汽车高速行驶时，车身与空气发生明显的相互作用，使得车身周围的气流流动极不平稳，气流的分离形成了复杂的涡流流动。在这种涡流的影响下，车身表面上的脉动压力发生剧烈变化，形成了气动噪声。图3（b）为方案1圆形孔型结构声屏障数值模拟结果压力云图，与方案0相比，脉动压力明显有所减小。图3（c）为方案2百叶型孔型结构声屏障数值模拟结果压力云图，脉动压力随距离呈现递减趋势。图3（d）为菱形孔型结构声屏障数值模拟结果压力云图，气流绕流的速度逐步加快，压力减小，出现负压区。

根据声压与声压级计算公式计算可得各方案噪音监测点噪音数据。计算公式为：

式中LP表示声压级（dB）；P表示声压（Pa）；P0表示基准声压，为2×10-5Pa。

通过Origin软件对各声屏障优化方案噪音监测点噪音数据进行处理分析，结果如图4所示。

由图4可以看出在噪音监测点距离为5 m和10 m时，方案1圆形孔型结构声屏障与方案2百叶型孔型结构声屏障噪音分贝值差距不明显；在噪音监测点距离为15 m时，方案2百叶型孔型结构噪音分贝值较方案0（未设置声屏障）大幅度降低；在噪音监测点距离为30 m时，方案3菱形孔型结构声屏障噪音分贝值低于55 dB，符合环境噪声限值-声环境功能区类别4a（高速公路）类：昼间分贝值≤70 dB，夜间分贝值≤55 dB；各声屏障优化方案较方案0（未设置声屏障）分贝值在一定程度上都呈降低趋势；方案3菱形孔型较方案2百叶型孔型声屏障降低噪音的功能更为明显。综上，方案3菱形孔型结构为最优声屏障设计方案。