趙允剛，王鑫濤，趙 晉，屠陽磊

(1.中鐵電氣工業(yè)有限公司，河北 保定 071000；2.北京交通大學 機械與電子控制工程學院，北京 100044)

高速鐵路的應用在給人們出行帶來便利的同時，也帶來了很多問題[1-2]，噪音污染是其中較為嚴重的問題之一[3].聲屏障對降低高速列車行駛時的噪音污染具有重要作用[4].

隨著高速列車運行速度的提升，作用在聲屏障上的氣動載荷也會有所增加[5-7].為了提高高速鐵路聲屏障的可靠性、安全性以及降噪效果，依托國家863計劃項目,中鐵電氣化局開發(fā)出一種具有倒V字型通孔結構的減載式聲屏障，并委托北京交通大學在高速鐵路試驗線上進行了現(xiàn)場測試[8-9].測試結果表明，與普通聲屏障相比，減載式聲屏障具有顯著降低聲屏障氣動載荷的效果，同時降噪效果也會有一定程度的提升[9].

近年來，國內許多學者對減載式聲屏障進行了研究.李鋒[10]對減載式聲屏障與均勻多孔介質的等效關系進行了研究，指出了等效阻力因子與慣性阻力因子的確定方法.劉靖天[11]采用流固耦合方法研究了減載式聲屏障的結構響應及減載特性.研究結果表明，隨著列車速度增加，普通聲屏障所受最大正壓的增長率相比減載式聲屏障的增長率更大.季釗[12]通過試驗研究了減載式聲屏障的減載特性.研究結果表明，相同工況下減載式聲屏障受到的沖擊強度小于普通聲屏障，且其表面氣動載荷在時間和空間上分布更加均勻.國外也有學者對減載式聲屏障的減載效果進行了研究.Sato等[13]設計了一種磁鐵式減載聲屏障，試驗研究表明這種減載式聲屏障的減載能力能夠達到50%.Watanabe等[14]對電磁式減載聲屏障進行了試驗測試，研究表明電磁式減載聲屏障可以降低列車脈動風壓的影響，有效延長聲屏障的壽命.

部分學者利用數(shù)值模擬方法對列車運行過程中表面受力情況進行了研究.毛軍等[15]對高速列車橫風運行的穩(wěn)定性進行了數(shù)值模擬研究，結果表明頭車的氣動性能和運行穩(wěn)定性受橫風的影響最大.郗艷紅等[16]對高速列車側風效應進行了數(shù)值模擬，研究表明隨著風向角的增大，頭車的傾覆力矩系數(shù)遠大于中間車和尾車的傾覆力矩系數(shù).

已有對減載式聲屏障和高速列車的研究主要集中在高速列車行駛時減載式聲屏障受到的氣動載荷的沖擊、減載效果、降噪效果和高速列車運行時的穩(wěn)定性上，而對減載式聲屏障對高速列車行駛阻力影響的研究還鮮見報道.實際上，減載式聲屏障不僅會顯著降低高速列車通過時聲屏障受到的氣動載荷作用，而且對高速列車行駛過程中的氣動阻力也會產生一定影響.

本文作者通過仿真的方法研究了減載式聲屏障對以350 km/h速度行駛的高速列車表面壓強分布和氣動阻力的影響，并以京滬高速鐵路為例分析了采用減載式聲屏障后，與普通聲屏障相比高速列車能耗的降低效果.研究結果對于減載式聲屏障的推廣應用具有一定的參考價值.

1 計算模型

1.1 物理模型

以高速列車、倒V字型結構的減載式聲屏障以及普通聲屏障為研究對象.根據(jù)計算條件，對計算模型做一定簡化：高速列車模型采用3節(jié)車編組，即一節(jié)頭車、一節(jié)尾車和一節(jié)中間車；高速列車表面光滑，忽略轉向架、受電弓等復雜結構；忽略高速列車底部與地面的間隙；將倒V字型結構的減載式聲屏障簡化為均質的多孔介質.

計算域為一有限區(qū)域，如圖1所示.根據(jù)文獻[9]，為了減小計算域邊界對高速列車行駛時列車表面壓力分布的計算產生影響，將計算域尺寸設置為260 m×80 m×30 m；根據(jù)現(xiàn)行“大同-西安高鐵試驗段”的列車尺寸等參數(shù)，選擇列車模型尺寸為78 m×3.7 m×3.4 m，列車表面與兩側聲屏障之間的距離分別為0.95 m與5.95 m[12].

利用Gambit軟件建立圖1所示計算域的物理模型并劃分網(wǎng)格.在計算模型中，計算域入口設為壓力入口邊界，計算域出口、側面及頂面設為壓力出口邊界；列車車體表面設為等速運動無滑移固壁邊界，地面與聲屏障表面均設為無滑移固壁邊界.

孔隙率φ為表征聲屏障減載特性的參數(shù)，其值為孔隙體積與聲屏障總體積之比.倒V字型減載式聲屏障單元板結構如圖2所示，其孔隙率為0.4；普通聲屏障的孔隙率為0.利用Gambit軟件建立的高速列車及聲屏障物理模型進行計算分析時，將減載式聲屏障簡化為均質多孔介質，并以慣性阻力因子和黏性阻力因子表征其流通特性.慣性阻力因子和黏性阻力因子是聲屏障孔隙率的函數(shù)；不同孔隙率的減載式聲屏障，其慣性阻力因子和黏性阻力因子根據(jù)文獻[10]中的風洞試驗結果進行確定.

1.2 數(shù)學模型

將Gambit軟件建立的聲屏障及高速列車模型導入Fluent軟件中進行數(shù)值模擬計算.高速列車與聲屏障之間的氣體流動屬于三維湍流流動，數(shù)值模擬計算時采用的流體力學基本控制方程為

(1)

式中:ρ為流體的密度，kg/m3；t為時間，s；u、v、w為x、y、z3個方向的速度，m/s；φ為通用變量；S為源項；λ為廣義擴散系數(shù).

當式(1)為質量守恒方程時，其限制條件為

p(bω)(·)和p(fω)(·)分別表示后向和前向預測模型，與標準解碼器不同的是，在解碼的過程中加入了匹配到的事實三元組全局信息：st=f(yt-1，st，c)；p(yi/·，T，Q)=g(yi，st，c，[s，p，o])。其中s，p和o表示匹配到的事實三元組通過知識庫表示學習得到的向量表示。

(2)

當式(1)為動量守恒方程時，其限制條件為

(3)

當式(1)為湍動能方程時，其限制條件為

(4)

當式(1)為湍流耗散方程時，其限制條件為

(5)

式中：Ui= (u,v,w)代表x、y、z3個方向的速度；μ和μt分別為流體的動力、湍流黏度，Pa·s；ε為湍能耗散率，m2/s3；k為湍動能，J/kg；pG為湍動能k產生項，J/kg；C1、C2和σk為經驗常數(shù).另外，由于列車的行駛速度較高，需要將空氣流動作為可壓縮流動處理，因此還需補充理想氣體狀態(tài)方程.

1.3 模型的驗證

文獻[12]對采用倒V字型減載式聲屏障時，高速列車以325 km/h速度行駛過程中聲屏障表面的壓力分布進行了試驗測試.采用本文建立的數(shù)值模擬模型，在相同的列車行駛速度和聲屏障孔隙率下對減載式聲屏障表面試驗測試點的壓力進行了仿真計算.數(shù)值模擬計算結果與試驗結果的對比如表1所示.

表1 數(shù)值模擬計算結果與試驗結果的對比

由表1可知，在試驗測試點處，通過仿真計算得到的減載式聲屏障表面的最大正壓和最大負壓與試驗結果的相對偏差均在5%以下，這說明仿真模型是準確的[17].

2 聲屏障對列車表面壓力的影響

減載式聲屏障與普通聲屏障相比,最大的不同是聲屏障表面具有倒V字型的通孔，通孔的存在不僅會對聲屏障表面的壓力分布(氣動載荷)產生影響，同時也會對高速列車行駛時表面的壓力分布產生影響.

由圖3可知，列車高速行駛時，頭車和中間車前部區(qū)域為正壓區(qū)，中間車車身以及尾車表面均為負壓區(qū).列車前部和尾部的壓強差構成了列車高速行駛時的壓差阻力.

采用不同孔隙率聲屏障時，列車頭車表面的壓力分布如圖4所示.

從圖4可知，與普通聲屏障相比，倒V字型通孔結構的減載式聲屏障對高速氣流的泄壓作用使得采用減載式聲屏障時，頭車前部高壓區(qū)的面積明顯減小，且隨著聲屏障孔隙率的增加，高壓區(qū)面積減小的幅度增大.

當φ分別為0、0.2、0.4和0.6時，數(shù)值模擬計算得到的頭車鼻翼處的最大壓力為3 698 Pa、3 718 Pa、3 735 Pa和3 742 Pa.這表明，盡管隨著φ的增加，頭車前部高壓區(qū)的面積明顯減小，頭車鼻翼處的最大壓力卻略有增大；但總體上看，頭車鼻翼處最大壓力升高的幅度不大.

對于高速列車頭車，減載式聲屏障孔隙率的增加會使其表面的高壓區(qū)面積減小，而最大壓力受到的影響較小.這是因為列車行駛速度較大時,列車頭車的最大壓力也很大，而減載式聲屏障對列車頭車區(qū)域的作用力相對于頭車的最大壓力較小，因此孔隙率增加時,頭車部分的最大壓力變化不大.

采用不同孔隙率聲屏障時列車中間車表面的壓力分布如圖5所示.

由圖5可知，與聲屏障孔隙率對頭車表面壓力分布的影響相比，聲屏障孔隙率對中間車表面壓力分布的影響不明顯.從總體上來看，隨著孔隙率增加，中間車前端表面的高壓區(qū)面積和中間車后端表面的低壓區(qū)面積皆略有減小.

數(shù)值模擬結果表明，對于列車中間車，減載式聲屏障孔隙率的增加會使列車中間車前端表面的高壓區(qū)與后端低壓區(qū)面積減小.這是由于隨著孔隙率的增加，減載式聲屏障的卸載作用使得聲屏障對列車中間車表面的作用力變小，從而使列車中間車前端的正壓降低，后端的負壓增大，因而這兩區(qū)域的面積有所減小.這使得中間車前后端的壓差減小，對列車的運行是有利的.

采用不同孔隙率聲屏障時,高速列車尾車表面的壓力分布如圖6所示.

由圖6可知，同樣是由于倒V字型通孔結構的減載式聲屏障對高速氣流的泄壓作用，采用減載式聲屏障時，與普通聲屏障相比，尾車鼻翼及其附近高壓區(qū)的面積明顯增大，且隨著聲屏障孔隙率的增加，高壓區(qū)面積增加的幅度增大.

當φ分別為0、0.2、0.4與0.6時，數(shù)值模擬計算得到的尾車鼻翼處的最大壓力分別為-7 075 Pa、-7 067 Pa、-7 099 Pa和-7 187 Pa.這表明，尾車鼻翼處的最大壓力隨著φ的增加而略有減小.與列車頭車最大壓力變化的原因類似，隨著φ的增加，聲屏障的減載作用使列車尾部區(qū)域的最大壓力減小.

3 聲屏障對列車氣動阻力的影響

高速列車行駛過程中的氣動阻力主要包括列車前后的壓差阻力Fp和列車表面的摩擦阻力Ff.其中，F(xiàn)p可以通過高速列車表面的壓力分布進行計算，而Ff則根據(jù)列車表面的速度梯度分布進行計算，即

(6)

式中:A是列車表面積；x為高速列車行駛方向.

利用Fluent軟件對不同孔隙率聲屏障時高速列車受到的壓差阻力和摩擦阻力進行了計算.當φ分別為0、0.2、0.4與0.6時，高速列車受到的壓差阻力分別為85 225 N、83 796 N、82 358 N和79 972 N，高速列車受到的表面摩擦阻力分別為2 608.25 N、2 608.24 N、2 608.21 N和2 608.19 N.

由此可知，高速列車行駛時受到的壓差阻力隨聲屏障孔隙率的增加而明顯減低.與普通聲屏障相比，采用減載式聲屏障后列車前部壓力降低、尾部壓力升高，從而使列車行駛過程中受到的壓差阻力明顯減小.而隨著聲屏障孔隙率的增加，高速列車受到的摩擦阻力變化不大.

對比壓差阻力和摩擦阻力的計算結果可知，高速列車行駛時受到的壓差阻力要明顯大于列車表面的摩擦阻力.本文計算分析時，高速列車模型采用3節(jié)車編組；實際中高速列車通常為8節(jié)或16節(jié)車編組，由于列車表面受到的摩擦阻力與列車表面積呈近似的線性關系，實際列車表面受到的摩擦阻力與數(shù)值模擬計算得到的結果相差不大，因此壓差阻力是高速列車行駛時的主要氣動阻力.

當φ分別為0、0.2、0.4與0.6時，利用Fluent軟件計算得到的高速列車行駛時受到的氣動阻力分別為87 833.29 N、86 405.07 N、84 966.38 N和82 581.44 N.由計算結果可知，與普通聲屏障相比，由于減載式聲屏障對高速氣流的泄壓作用，采用減載式聲屏障時，高速列車受到的氣動阻力明顯減小，且隨著聲屏障孔隙率的增加，氣動阻力的減小幅度增大.

4 聲屏障對列車運行能耗的影響

數(shù)值模擬結果表明，采用減載式聲屏障后，高速列車受到的氣動阻力會有所減小，從而對高速列車行駛過程中的能耗產生影響.

高速列車行駛過程中的總阻力主要由氣動阻力和機械阻力組成.相關文獻表明[18-22]，高速列車以350 km/h速度行駛時，其受到的氣動阻力約占總阻力的93% ～ 97%.

以京滬高速鐵路為例，將減載式聲屏障對高速列車運行能耗的影響進行簡單分析.京滬高速鐵路全長1 318 km，其中聲屏障安裝里程為326 km.假設高速列車以350 km/h速度通過聲屏障，不考慮列車進出聲屏障瞬間氣動阻力的變化.列車行駛能耗E與行駛阻力的關系為[18]

(7)

利用式(7)以及數(shù)值模擬計算得到的高速列車受到的壓差阻力和摩擦阻力，可以計算得到采用減載式聲屏障后，與普通聲屏障相比，高速列車行駛能耗隨聲屏障孔隙率的變化，如圖7所示.

由圖7可知，隨著減載式聲屏障孔隙率的增加，列車行駛能耗降低.對于目前研發(fā)的孔隙率為0.4的倒V字型通孔結構減載式聲屏障，按聲屏障沿線路程計算，單程行駛能耗減少量為3%左右；按京滬高速鐵路全長計算，單程行駛能耗減少量為0.85%左右.按目前京滬鐵路每天往返高速列車數(shù)量44對估算，采用減載式聲屏障后，每天京滬高速鐵路行駛的高速列車的電能消耗可以減少2.43×104kw·h左右.

5 結論

1)與普通聲屏障相比，采用減載式聲屏障時，頭車前部高壓區(qū)分布面積明顯減小，尾車鼻翼及其附近處高壓區(qū)分布面積明顯增大，且隨著聲屏障孔隙率增加，頭車前部高壓區(qū)面積減小幅度和尾車高壓區(qū)面積增加幅度增大.

2)高速列車以350 km/h速度行駛時，列車受到的壓差阻力隨聲屏障孔隙率的增加而明顯減低；列車受到的摩擦阻力也會有所減小，但降低幅度小于壓差阻力；壓差阻力是高速列車以350 km/h速度行駛時的最主要的氣動阻力.

3)隨著減載式聲屏障孔隙率的增加，高速列車行駛能耗降低；按孔隙率為0.4的減載式聲屏障計算，采用倒V字型通孔結構的減載式聲屏障后，京滬高速鐵路單程行駛能耗減少量為0.85%左右.