朱正清,成志強(qiáng)

(1.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300142；2.西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院,成都 610031)

高速鐵路在給人們生活帶來(lái)便利,使物流更加快捷的同時(shí),也引起噪聲污染,并且噪聲問(wèn)題隨速度提升而日趨嚴(yán)重[1-3]。為打造綠色鐵路,具有吸聲、隔聲功能的聲屏障被廣泛應(yīng)用于鐵路沿線以降低噪聲。國(guó)外研究經(jīng)驗(yàn)表明：高速行駛的列車使列車周圍的空氣產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動(dòng),當(dāng)行駛的列車高速通過(guò)聲屏障瞬間,這一擾動(dòng)將會(huì)加劇,引起聲屏障表面的空氣壓力發(fā)生突變,形成一種瞬態(tài)壓力沖擊,在幾十毫秒之間相繼出現(xiàn)正負(fù)壓力峰值,這一瞬態(tài)壓力沖擊即為列車駛過(guò)聲屏障時(shí)產(chǎn)生的氣動(dòng)力；氣動(dòng)力的大小與速度的平方、列車流線形狀、軌道邊建筑物的高度、建筑物離軌道的距離有關(guān)[4-7]。德國(guó)在紐倫堡—英戈斯塔特的測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果表明,高速列車駛過(guò)聲屏障時(shí)的壓力波表現(xiàn)出明顯的“頭波”和“尾波”特性[8],如圖1所示,即列車車鼻進(jìn)入聲屏障時(shí),聲屏障近軌迎風(fēng)面先承受正壓,再承受負(fù)壓；尾部進(jìn)入聲屏障時(shí)則相反,先承受負(fù)壓,再承受正壓。德國(guó)的測(cè)試獲得了聲屏障關(guān)鍵點(diǎn)的壓力時(shí)程曲線,但由于測(cè)點(diǎn)較少,無(wú)法得到聲屏障迎風(fēng)面壓力場(chǎng)的分布。聲屏障的受力狀態(tài)與聲屏障表面壓力場(chǎng)的分布直接相關(guān),氣動(dòng)力可導(dǎo)致聲屏障結(jié)構(gòu)的瞬時(shí)應(yīng)力過(guò)大或疲勞破壞,國(guó)外已有一些失敗的工程案例[9-10]。為了分析列車高速通過(guò)聲屏障時(shí)其結(jié)構(gòu)的安全性,本文采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)相結(jié)合的方法探索聲屏障壓力場(chǎng)的特性,以測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證模擬方法的有效性,采用數(shù)值模擬彌補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工況條件的限制,為高速鐵路聲屏障的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

圖1 重聯(lián)動(dòng)車組典型壓力時(shí)程曲線

1 力學(xué)模型

高速列車在聲屏障內(nèi)側(cè)運(yùn)行時(shí)所引起的氣流場(chǎng)是復(fù)雜的可壓縮、非定常湍流。目前高速列車最高運(yùn)營(yíng)時(shí)速為350 km,對(duì)應(yīng)的馬赫數(shù)是0.286。通常對(duì)馬赫數(shù)小于0.3的流體,可簡(jiǎn)化為不可壓縮流體計(jì)算,故連續(xù)性方程可簡(jiǎn)化為

·V=0

(1)

式中,V為流場(chǎng)速度。

流場(chǎng)還需滿足動(dòng)量守恒定律,即為Navier-Stocks方程,表達(dá)式如下

(2)

式中,ρ為密度；t為時(shí)間；FRe為雷諾應(yīng)力相關(guān)項(xiàng)；P為壓力；μ為動(dòng)力黏度。

式(2)中雷諾應(yīng)力相關(guān)項(xiàng)采用RNGk-ε湍流模型求得。對(duì)于以上考慮湍流作用的控制方程,采用Fluent軟件自帶的瞬態(tài)SIMPLER算法求解器計(jì)算。

2 數(shù)值模型

依據(jù)我國(guó)高速鐵路橋梁工況,聲屏障內(nèi)緣離外軌中心線的距離為3.34 m,列車最高行駛速度350 km/h,聲屏障高度按3.15 m,厚度0.14 m,防撞墻內(nèi)側(cè)距軌道中心線為2.2 m,防撞墻高出聲屏障底部0.4 m,防撞墻寬度0.2 m。 計(jì)算以CRH2車型為例, 列車長(zhǎng)度201.4 m,寬3.38 m,高3.7 m?？紤]計(jì)算機(jī)硬件的計(jì)算能力,對(duì)列車某些結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化,具體簡(jiǎn)化措施為：(1)去掉轉(zhuǎn)向架；(2)不考慮受電弓；(3)把動(dòng)車間的結(jié)合部位簡(jiǎn)化成與車輛表面形狀一致的光滑曲面；(4)忽略擋砟墻結(jié)合縫、軌枕和道床的影響；(5)忽略了聲屏障H型鋼立柱、接觸網(wǎng)立柱和混凝土基礎(chǔ)等結(jié)構(gòu)。

高速列車駛過(guò)聲屏障時(shí),壓力波的影響區(qū)在理想狀況下是無(wú)限遠(yuǎn)的,這樣求解域的尺寸越大,計(jì)算結(jié)果越接近真實(shí)值。但由于受計(jì)算條件的限制,只能取適合計(jì)算尺度的求解域。通過(guò)選取不同的求解域反復(fù)試算,觀察求解域邊界的壓力值是否接近無(wú)限遠(yuǎn)邊界處的壓力場(chǎng)和速度場(chǎng),以及列車車鼻流場(chǎng)和尾流區(qū)的變化規(guī)律,確定計(jì)算區(qū)總長(zhǎng)度取為260 m,寬12 m(距軌道中心距各為6 m),高10 m,列車底部距計(jì)算區(qū)域底面為0.4 m。由于求解區(qū)域的復(fù)雜性,采用非結(jié)構(gòu)化單元對(duì)求解域進(jìn)行網(wǎng)格劃分,共用非結(jié)構(gòu)化的四面體單元524 267個(gè),節(jié)點(diǎn)112 069個(gè),列車、聲屏障和擋砟墻表面的網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型表面網(wǎng)格

高速列車行駛使其附近的空氣域產(chǎn)生較大的速度梯度,這樣必須考慮空氣的黏度,列車表面、列車底部地面、聲屏障迎風(fēng)面、背風(fēng)面和防撞墻表面等固體邊界的速度均設(shè)置為無(wú)滑移的壁面邊界條件。求解域頂面和兩側(cè)面均離列車較遠(yuǎn),將其設(shè)置為無(wú)限遠(yuǎn)場(chǎng)的壓力邊界條件；求解域前后邊界跟列車運(yùn)行方向垂直,其流體壓力接近零值,將其設(shè)置為壓力為零的出口邊界條件。

3 CRH2動(dòng)車組駛過(guò)聲屏障時(shí)的氣動(dòng)力模擬分析

列車駛過(guò)聲屏障時(shí),迎風(fēng)面和背風(fēng)面均承受氣動(dòng)壓力,迎風(fēng)面的壓力遠(yuǎn)大于背風(fēng)面。聲屏障的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與迎風(fēng)面和背風(fēng)面的壓差,即有效壓力直接相關(guān)?；谝陨蠑?shù)值模型,應(yīng)用Fluent軟件模擬列車進(jìn)入聲屏障過(guò)程中壓力場(chǎng)的變化,并在后處理中通過(guò)差值方法計(jì)算有效壓力,計(jì)算得到“頭波”的有效正負(fù)壓力的峰值,如表1所示(本文中的壓力均指有效壓力)。

表1 模擬所得有效壓力峰值

車鼻駛至聲屏障端口外0.2 m時(shí),“頭波”正壓場(chǎng)已經(jīng)形成,正壓峰值達(dá)到906 Pa；車鼻進(jìn)入聲屏障1.7 m時(shí),“頭波”正壓峰值達(dá)到最大值1 039 Pa；隨著車鼻的繼續(xù)進(jìn)入,壓力峰值開(kāi)始減小,穩(wěn)定在863 Pa左右。隨著“頭波”正壓場(chǎng)的前移,負(fù)壓場(chǎng)開(kāi)始形成,“頭波”負(fù)壓峰值從1.7 m處的-408 Pa增大到8.5 m處的最大值-859 Pa,之后達(dá)到穩(wěn)定值-789 Pa,最大負(fù)壓發(fā)生在車鼻進(jìn)入聲屏障8.5 m處。由此可推斷CRH2動(dòng)車組進(jìn)入聲屏障時(shí)“頭波”正負(fù)壓峰值的穩(wěn)定值與車鼻在聲屏障中部行駛時(shí)相同。正壓峰值達(dá)到最大值時(shí)的壓力場(chǎng)云圖如圖3所示,正壓場(chǎng)呈“靶形”,“靶心”正壓值最大,距“靶心”越遠(yuǎn)壓力越小,“靶心”位于聲屏障入口約3 m、高1.2 m處。負(fù)壓峰值達(dá)到最大值時(shí)的壓力場(chǎng)云圖如圖4所示,負(fù)壓場(chǎng)亦呈“靶形”,與正壓場(chǎng)的壓力分布規(guī)律相同,“靶心”位于聲屏障入口約4 m、高1 m處。

圖3 最大正壓發(fā)生時(shí)刻模擬壓力場(chǎng)云圖

圖4 最大負(fù)壓發(fā)生時(shí)刻模擬壓力場(chǎng)云圖

4 工程測(cè)試試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試在某鐵路特大橋的聲屏障試驗(yàn)段進(jìn)行,插板式聲屏障由鋁合金單元板和H型鋼立柱裝配而成,立柱標(biāo)準(zhǔn)間距2 m,由小里程往大里程聲屏障高度由3.15、2.65、2.15 m依次分布,長(zhǎng)度分別為130.1、53.4、110.1 m,靠近聲屏障一側(cè)的軌道為試驗(yàn)軌道,屏障距近軌中心3.34 m,聲屏障與橋梁遮板采用混凝土基礎(chǔ)、螺栓連接,以CRH2型動(dòng)車組為試驗(yàn)車輛,試驗(yàn)進(jìn)行了不同高度聲屏障立柱、單元板的壓力、應(yīng)力、位移、固有頻率等測(cè)試。在3.15 m聲屏障的端口至8.7 m處設(shè)置了28個(gè)差壓式壓力傳感器,測(cè)得“頭波”壓力峰值達(dá)到最大時(shí)的壓力云圖,如圖5所示,壓力云圖呈“靶形”,“靶心”位于聲屏障入口約4 m、高1 m處,最大正壓1 012 Pa。模擬所得“頭波”正壓壓力場(chǎng)與測(cè)試結(jié)果相比,不論是壓力場(chǎng)形狀還是正壓峰值大小均非常接近?！邦^波”最大正壓發(fā)生點(diǎn)的模擬結(jié)果與測(cè)試有一定差異,這與模型中未考慮聲屏障內(nèi)側(cè)接觸網(wǎng)立柱和擋砟墻的縫隙有關(guān)。

圖5 最大正壓發(fā)生時(shí)刻測(cè)試壓力場(chǎng)云圖

測(cè)試得到負(fù)壓峰值發(fā)生時(shí)刻的壓力場(chǎng)云圖如圖6所示,最大負(fù)壓-851 Pa,亦位于聲屏障入口約4 m、高1 m處。模擬所得“頭波”負(fù)壓場(chǎng)與測(cè)試結(jié)果在風(fēng)壓場(chǎng)形狀和最大負(fù)壓值均非常一致。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬結(jié)果均表明“尾波”的正負(fù)壓力場(chǎng)亦呈“靶形”,由于“尾波”的最大正負(fù)壓力均明顯小于“頭波”。

圖6 最大負(fù)壓發(fā)生時(shí)刻測(cè)試壓力場(chǎng)云圖

測(cè)試風(fēng)壓極值、應(yīng)力極值均低于理論計(jì)算值,立柱、單元板位移極值均在設(shè)計(jì)許可范圍內(nèi)；測(cè)試所得聲屏障的風(fēng)壓場(chǎng)與數(shù)值模擬結(jié)果吻合較好,測(cè)試所得列車速度與風(fēng)壓的關(guān)系與理論類比值的總體趨勢(shì)一致；聲屏障固有頻率遠(yuǎn)大于列車產(chǎn)生的脈動(dòng)風(fēng)壓頻率3～5 Hz,不會(huì)發(fā)生共振效應(yīng)。試驗(yàn)驗(yàn)證了插板式聲屏障設(shè)計(jì)參數(shù)正確、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度滿足要求、連接方式可行。

5 最大壓力與速度、聲屏障高度以及距外軌中心距離的關(guān)系

測(cè)試試驗(yàn)研究表明,CRH2動(dòng)車組駛?cè)肼暺琳蠒r(shí),“頭波”正壓峰值略大于其負(fù)壓峰值；駛出聲屏障時(shí),“頭波”負(fù)壓峰值僅略大于其正壓峰值,這樣可以簡(jiǎn)單采用最大正壓作為最大壓力,為聲屏障設(shè)計(jì)提供依據(jù)。下面結(jié)合橋面寬12 m的聲屏障專項(xiàng)試驗(yàn)測(cè)試和橋面寬13.4 m的聲屏障測(cè)試,探索最大正壓和速度、聲屏障高度以及距外軌中心距離的關(guān)系。CRH2動(dòng)車組以225～350 km/h 各速度駛?cè)肽宠F路特大橋3.15 m聲屏障時(shí),最大正壓與車速的關(guān)系曲線如圖7所示。列車交匯壓力波研究表明,一車靜止,另一車行駛交會(huì)時(shí)壓力波峰值與列車速度的平方成正比[5，6]。為找出聲屏障壓力與列車行駛速度的關(guān)系,以列車速度260 km/h時(shí)的正壓峰值541 Pa作為基準(zhǔn)點(diǎn),根據(jù)壓力與速度的平方成正比的關(guān)系,計(jì)算出各速度下相應(yīng)的理論壓力類比值。由圖7可見(jiàn),測(cè)試值曲線與基于測(cè)試值的理論類比值在趨勢(shì)上一致,模擬所得壓力-速度關(guān)系曲線與測(cè)試?yán)碚擃惐惹€總體平行,證實(shí)了壓力與速度平方的線性關(guān)系,也驗(yàn)證了模擬方法的可行性。CRH2動(dòng)車組以不同速度駛出聲屏障時(shí),壓力與速度亦有同樣關(guān)系,僅“頭波”最大正壓略小于最大負(fù)壓,數(shù)據(jù)不再一一列出。

圖7 最大正壓與速度的關(guān)系

CRH2動(dòng)車組以350 km/h速度駛過(guò)某鐵路特大橋聲屏障時(shí),布置于3.15、2.65 m和2.15 m的壓力傳感器陣列記錄下各測(cè)點(diǎn)壓力時(shí)程變化過(guò)程,這樣可獲得各高度聲屏障的最大正壓值,最大正壓與聲屏障高度的關(guān)系曲線，如圖8所示。測(cè)試與模擬結(jié)果均顯示,速度和外軌中心距一定時(shí),最大正壓隨聲屏障高度的增加而增加,且增幅亦隨聲屏障高度增加而增加。

圖8 最大正壓與聲屏障高度的關(guān)系

通過(guò)對(duì)比既有客運(yùn)專線鐵路橋面寬13.4 m、聲屏障高3.15 m、距外軌中心的距離4.1 m、CRH2動(dòng)車組在時(shí)速330 km經(jīng)過(guò)聲屏障時(shí)的壓力測(cè)試結(jié)果,與某鐵路特大橋在同樣時(shí)速下的測(cè)試結(jié)果可知,同樣速度下,距外軌中心的距離由3.34 m變?yōu)?.1 m時(shí),聲屏障的最大正壓由843 Pa下降為700 Pa,降幅16.9%。模擬結(jié)果顯示,最大正壓隨距外軌中心距離的增大線性遞減，如圖9所示。

圖9 最大正壓與聲屏障距外軌中心距離的關(guān)系

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)高速列車駛過(guò)聲屏障時(shí)氣動(dòng)力的模擬和聲屏障試驗(yàn)段的測(cè)試,驗(yàn)證了聲屏障迎風(fēng)面壓力場(chǎng)具有典型“頭波”和“尾波”特征,“頭波“的正負(fù)壓力峰值均大于“尾波”。 “頭波”先形成正壓場(chǎng)后形成負(fù)壓場(chǎng)；“尾波”先形成負(fù)壓場(chǎng)后形成正壓場(chǎng),其壓力場(chǎng)形狀均為“靶形”, “靶心”壓力值最大,距“靶心”越遠(yuǎn)壓力值越小。CRH2動(dòng)車組駛?cè)肼暺琳蠒r(shí),“頭波”正壓峰值略大于其負(fù)壓峰值；駛出聲屏障時(shí),“頭波”負(fù)壓峰值僅略大于其正壓峰值,可以用最大正壓作為聲屏障設(shè)計(jì)依據(jù)。數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究表明,壓力波的最大正壓與速度的平方成正比,隨聲屏障距近軌中心的距離增大而線性減小,隨聲屏障高度的增加而增加,呈非線性加速增加。

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