常寧，黃尊地

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廣珠城際鐵路江門段的高架軌道交通聲屏障仿真

常寧，黃尊地

（五邑大學 機電工程學院，廣東 江門 529020）

為研究江門地區(qū)高架軌道交通的聲屏障合理建設問題，采用回歸正交設計的方法對聲屏障的設置位置、寬度和高度等三個設計參數(shù)進行試驗設計，利用流場軟件FLUENT對實地考察測量的高架軌道及動車組的數(shù)據(jù)進行建模和仿真，得到了聲屏障的最佳設置方案：采用直立式聲屏障，位置在高架軌道交通線路的最外側(cè)，高度為2.80 m，高出軌面2.57 m，寬度為0.50 m.仿真結(jié)果與廣珠線已建聲屏障方案的數(shù)據(jù)保持了較高的一致性.

高架軌道交通；聲屏障；回歸正交設計

作為一種經(jīng)濟、實用、高效、安全的快速交通模式，高架軌道交通已成為城市軌道交通建設的世界性趨勢. 但隨著列車運行速度和發(fā)車班次的提高，噪聲污染也急劇增加. 過大的噪聲會嚴重影響乘客和軌道沿線居民的心理、生理和正常生活，還可能引起周圍設備和周邊建筑的疲勞損壞[1]1.

根據(jù)國內(nèi)外軌道交通噪聲理論研究和實驗測試可知高架軌道交通的噪聲主要由牽引噪聲、輪軌噪聲和空氣動力噪聲等組成[1]2,[2-3], [4]352-353. 當列車運行速度超過250 km/h時，空氣動力噪聲逐漸占據(jù)主導地位[5]，氣動噪聲成為列車噪聲中重要的部分，特別是在軌道交通高架橋上，列車經(jīng)過時氣產(chǎn)生的動噪聲影響更大，傳播更遠. 所以，在高架橋有限的空間里，合理設置聲屏障的位置、外形和高度，使降噪效果最好，有著重要的理論意義和實際意義. 為緩解珠三角交通壓力于2011年1月7日建成通車的廣珠城際鐵路在江門地區(qū)有4個車站，分別是江海站、江門站、禮樂站和新會站，其線路的架設方式均以高架的形式. 本文通過對江門高架軌道交通的實地考察測量，利用流場商業(yè)軟件FLUENT對高架橋及動車組模型進行仿真分析，使用回歸正交試驗設計的方法，研究了聲屏障建設的位置、寬度和高度對降噪和降低壓力波動的影響，以期得到最佳的聲屏障設計方案.

1 模型建立

本文計算模型的建立遵循以下原則: 建立的模型應反映計算對象的主要特征; 其次是通過對計算對象的分析，對其外形予以適當簡化，以便有效地利用計算機資源. 具體簡化措施為：①轉(zhuǎn)向架以裙板代替；②不建立受電弓及接觸網(wǎng)等結(jié)構(gòu)的模型；③車體簡化成由光滑曲面構(gòu)成的幾何體；④為避免網(wǎng)格離散難度和計算量急劇增加，忽略鐵軌、軌枕和扣件等細小結(jié)構(gòu). CRH1動車組由八節(jié)車編組，但受計算機硬件條件的限制，計算模型難以對八車編組進行數(shù)值模擬. 由于CRH1動車組中間車輛截面形狀不變，當氣流流過車頭一定距離后，繞流邊界層的結(jié)構(gòu)已趨于穩(wěn)定，列車氣動力變化也趨于穩(wěn)定，因此計算模型取3車編組（頭車+中車+尾車），全長80.500 m，寬3.328 m，高4.040 m. 簡化后的計算模型如圖1所示.

圖1 CRH1動車組模型圖

高架橋的模型是經(jīng)過在新會站實地測量得到的真實數(shù)據(jù)，包括線間距和道床尺寸等. 聲屏障按外形可分為直立型、半封閉型和全封閉型，直立型聲屏障大多適用于臨近線路的噪聲敏感多層建筑，半封閉型和全封閉型的聲屏障具有較好的降噪聲效果，尤其適用于線路兩側(cè)高層建筑密集的路段[4]371-373. 鑒于江門地區(qū)為高架軌道線路，且線路兩側(cè)的建筑為多層建筑物，所以本文中聲屏障設計為直立型. 高架橋與聲屏障模型如圖2所示.

圖2 高架橋和聲屏障模型圖

本文仿真計算中使用的FLUENT軟件是一個用于模擬和分析在復雜幾何區(qū)域內(nèi)的流體流動與熱交換問題的專用CFD軟件. FLUENT提供了靈活的網(wǎng)格特性, 可用于二維平面、二維軸對稱和三維流動分析，可完成定常與非定常流動分析、不可壓和可壓流計算、層流和湍流模擬、多相流分析等[6]. 本文采用滑移網(wǎng)格技術(shù)研究列車在高架橋上通過時的三維、湍流、非定常特性.

2 監(jiān)測點布置

劉紅光在分析車輛氣動噪聲與表面脈動壓力之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過求解廣義Lighthill方程，得到了適合車輛行駛工況的氣動噪聲積分公式，明確了在車輛氣動噪聲中偶極子源噪聲占主導地位，而車輛氣動噪聲中的偶極子源又取決于車輛的表面脈動壓力[7-8]. 當CRH1高速行駛時，由于車頭的擠壓，周圍的流場呈正壓狀態(tài)，最高氣壓值為1.03×105Pa，比正常大氣壓高出2 000 Pa，并向四周輻射. 當車頭經(jīng)過后，周圍壓力又變?yōu)樨搲?，這樣，就形成了氣壓波動，對周邊產(chǎn)生氣動噪聲. 當車尾經(jīng)過時，同樣也產(chǎn)生壓力波動. 受計算機硬件的限制，本文的研究將對噪聲的數(shù)值仿真轉(zhuǎn)變?yōu)榱熊嚤砻娴臍鈩訅毫Φ淖兓? 在設置聲屏障的一段區(qū)域內(nèi)，距離軌道中心不同距離設置了8個監(jiān)測點，如圖3所示.

設列車沿方向行駛，1～5號點分別是距離軌道中心5 m處不同高度上的五個點，3、6～8號點是同一高度不同位置的點，高度值為1.57 m，為列車截面最外側(cè)點的高度值. 通過計算，對比監(jiān)測點1～5的壓力波動值，可知監(jiān)測點3的壓力波動值是最大的；比較測點3和6～8知，距軌道中心越近，氣壓波動越大；當距軌道中心10 m（6號點）的時候，壓力波動值下降了80 %，由170.1 Pa降到33.5 Pa；當?shù)竭_20 m（8號點）開外時，氣壓波動已經(jīng)比較小，只有不足10 Pa. 計算結(jié)果也驗證了車體外型截面鼓形所在的高度位置壓力波動最大，后續(xù)的聲屏障優(yōu)化研究著重考慮測點3.

圖4 監(jiān)測點位置示意圖

3 回歸正交試驗設計

回歸正交設計，是把正交試驗設計、回歸數(shù)據(jù)處理和回歸精度統(tǒng)一起來的回歸設計與分析方法. 在正交試驗設計中，首先選定設計參數(shù)，本文研究直立型聲屏障，聲屏障的建設位置、寬度及高度即為設計參數(shù)1、2、3. 優(yōu)化目標為列車經(jīng)過時產(chǎn)生的壓力波動值，構(gòu)造函數(shù)為[9]：

通過查閱相關(guān)資料以及綜合整個模型的參數(shù)，對聲屏障的三個因素作如下規(guī)定：

1）位置：考慮到高架橋上有限的空間、逃生及車輛限界等問題，根據(jù)行業(yè)規(guī)定，在距離軌道中心2.20 m外設置聲屏障. 位置設在走行道1.467 0 m的范圍內(nèi)，以靠近走行道邊緣為0，分別取0、0.733 5和1.467 0；

2）寬度：0.20～0.50 m，取0.20、0.35和0.50；

3）高度：1.80～2.80 m，取1.80、2.30和2.80.

由上述取值，有3×3×3組參數(shù)，需要建立27個模型，全面試驗規(guī)模比較大，且方程的重復度很大. 根據(jù)正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗，這些有代表性的點具備了“均勻分散，齊整可比”的特點.

按照L9(3^3)正交表安排實驗[14]，只需作9次，得出表1中的設計表. 其中，為了求得二次回歸方程的10個系數(shù)，第10組實驗是考慮了比較特殊的中間位置而添加的.

表1 正交試驗設計

4 計算結(jié)果分析

對于監(jiān)測點3，計算結(jié)果見表1. 求得各個系數(shù)分別為：189.988 2、-47.543 5、-222.986 9、24.269 9、41.094 7、14.170 4、92.135 9、-1.274 6、-49.479 3、-22.876 0. 則二次回歸方程為：

由MATLAB編程求得最優(yōu)解為（0，0.5，2.8），氣壓值為83.7 Pa.

通過回歸方程系數(shù)的比較，無論是一次系數(shù)還是二次系數(shù)，寬度2的系數(shù)絕對值都是最大的，說明寬度對整個聲屏障的影響最顯著. 但在有限的高架軌道交通線路上，不可能無限制地加大聲屏障的寬度以達到降噪的效果，所以，采用隔音效果較好的聲屏障材料是上佳的選擇.

5 結(jié)論

通過對江門高架軌道交通的實地考察測量，研究了聲屏障建設的位置、寬度和高度，得到最佳的聲屏障設計方案：采用直立式聲屏障，位置在高架軌道交通線路的最外側(cè)，高度為2.80 m，高出軌面2.57 m，寬度為0.50 m，其中寬度為關(guān)鍵因素，可采用較好的降噪材料來降低建設費用、減小聲屏障建設空間. 廣珠城際線在小欖站等部分地段已修建了聲屏障，小欖段的聲屏障位置在高架橋的最外側(cè)，與仿真結(jié)果相符；聲屏障寬度比仿真結(jié)果偏小，采用了較好的隔音材料的原因；聲屏障高度為高出軌面2.50 m，與仿真結(jié)果相差2.8 %. 所以，綜合比較已建聲屏障測量結(jié)果與仿真結(jié)果，可得數(shù)值仿真計算和回歸正交設計的準確性，仿真結(jié)果為江門高架軌道交通的聲屏障建設提供理論依據(jù).

[1]黃莎. 高速列車車外氣動噪聲數(shù)值模擬研究[D]. 長沙：中南大學，2009:1-2.

[2]KITAGAWA T, NAGAKURA K. Aerodynamic noise generated by shinkansen cars[J]. Journal of Sound and Vibration, 2000, 231(3): 913-924.

[3]BARSIKOW B, DISH D R, HANSON C E, et al. Noise characteristics of the transrapid TR08 maglev system [R]. Washington: U S Department of Transportation, Federal Railroad Administration, USA, 2002.

[4]譚復興，高偉君. 城市軌道交通系統(tǒng)概論[M]. 北京：中國水利水電出版社. 2007:352-353, 371-373.

[5]張曙光. 350km/h高速列車噪聲機理、聲源識別及控制[J]. 中國鐵道科學，2009, 30(1): 86-90.

[6] 王福軍. 計算流體動力學分析[M]. 北京：清華大學出版社，2004: 21-22.

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[8] 劉紅光，陸森林，曾發(fā)林. 高速車輛氣流噪聲計算方法[J]. 交通運輸工程學報，2002, 2(2): 41-44.

[9] 何為，薛衛(wèi)東，唐斌. 優(yōu)化試驗設計方法及數(shù)據(jù)分析[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2012: 99-102, 170-176.

[責任編輯：韋 韜]

Noise Barrier Research for Guangzhou–Zhuhai Intercity Railway (Jiangmen Branch)

CHANGNing, HUANGZun-di

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

Noise barrier construction of Guangzhou-Zhuhai intercity railway (Jiangmen section) is studied by using regression orthogonal design method. Three parameters are considered: location, width and height of the noise barrier. Elevated rail transit and CRH1 are modeled and simulated in FLUENT software. The optimal noise barrier construction solution is obtained: the vertical type noise barrier, setting on the most lateral, the height is 2.80 m, distance to rail surface is 2.75 m and the width is 0.50 m. Simulation result maintains highly consistency with other railway line between Guangzhou and Zhuhai.

elevated rail transit; noise barrier; regression orthogonal design

1006-7302（2013）01-0038-04

U239.5

A

2012-10-26

五邑大學青年基金資助項目（201105261941321）

常寧（1984—），女，山西原平人，助教，碩士，主要從事軌道交通車輛研究.