郝 龍， 林 倩， 宋迎前， 張立強

（1.江蘇金陽交通工程有限公司總經(jīng)辦，江蘇 鹽城 224700； 2.安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032）

引 言

高速公路在推動經(jīng)濟發(fā)展中起著不可替代的作用［1］，當今高速公路面臨的環(huán)境問題主要分為垃圾污染以及噪音污染。噪音污染作為高速公路面臨的環(huán)境問題之一，影響人們的正常學(xué)習(xí)、工作以及休息；當噪音污染嚴重時，甚至?xí)：θ藗兊纳眢w健康。某市某段高速公路作為干線公路的重要組成部分，該高速公路交通量較運營初期大幅度增長，導(dǎo)致公路兩側(cè)交通噪聲呈不斷上升趨勢，存在交通噪聲對兩側(cè)敏感點影響的環(huán)境問題。早在20世紀60年代，日本等國就對交通噪聲防治進行了大量研究及工程應(yīng)用［2］。此后的數(shù)十年時間里，聲屏障降噪技術(shù)得到了極大的發(fā)展與應(yīng)用。截至20世紀90年代末，日本的城市高速公路聲屏障覆蓋率達到90%以上，聲屏障形式與材料結(jié)構(gòu)推陳出新，交通噪聲防治效果顯著［3］。

目前Fluent流體力學(xué)計算軟件作為一種使用最廣泛的數(shù)值模擬計算軟件，潘忠等［4］運用Fluent軟件對高速列車外流場進行穩(wěn)態(tài)計算，結(jié)合Fluent軟件中的寬頻噪聲模型分析了高速列車表面噪聲源分布；張軍等［5］建立高速列車整車三維繞流流動的數(shù)值計算模型，用Fluent軟件計算不同速度的外部穩(wěn)態(tài)流場，基于穩(wěn)態(tài)流場結(jié)果，使用寬頻帶噪聲源模型計算車身表面氣動噪聲源，得到車體表面聲功率級分布；劉悅衛(wèi)等［6］以高速列車為研究對象，基于大渦模擬，結(jié)合Fluent聲學(xué)模塊，計算出高速列車表面的脈動壓力來研究車輛表面的脈動壓力對控制車輛氣流噪聲；劉加利等［7］以高速列車為研究對象，基于大渦模擬，結(jié)合Fluent聲學(xué)模塊，計算出高速列車表面的脈動壓力；并通過快速傅里葉變換將高速列車表面脈動壓力從時域轉(zhuǎn)換到頻域，從而得到高速列車脈動壓力頻譜圖，通過分析頻譜圖，可以得到高速列車脈動壓力的能量集中范圍以及車身曲率對氣流噪聲的影響等一些重要特性；紀偉等［8］建立用于數(shù)值計算的簡化的車輛-橋梁模型，基于寬頻帶噪聲源法和聲類比理論，利用Fluent軟件分別研究了列車在高架橋上高速行駛時的近場氣動噪聲的聲源強度特性和遠場氣動噪聲的空間分布特性；武頻等［9］針對帶空氣動力制動裝置高速列車氣動噪聲問題，采用納維斯托克斯方程、基于標準k-ε模型模擬高速列車外流場，利用Lighthill-Curler聲學(xué)比擬理論預(yù)測高速列車空氣動力制動裝置誘發(fā)的氣動噪聲； Zhou等［10］利用計算流體動力學(xué)（CFD）分析了80 km/h的柔性輻條輪胎的表面壓力系數(shù)特性，驗證數(shù)值模擬結(jié)果并分別采用大渦模擬（LES）和威廉姆斯-霍金斯（FW-H）方法確定瞬態(tài)低場和遠場空氣動噪聲； Hua等［11］基于Lighthill聲學(xué)理論，采用三維大渦模擬（LES）和FW-H聲學(xué)模型對某汽車交流發(fā)電機的氣動噪聲進行了模擬。本文通過開展現(xiàn)場調(diào)研以及設(shè)計出不同孔型的聲屏障并對各方案利用Fluent中湍流模型計算穩(wěn)態(tài)流場，再根據(jù)穩(wěn)態(tài)流場計算結(jié)果，利用Broadband噪聲模型進行高速公路汽車氣動噪聲數(shù)值模擬計算，提高聲屏障的聲學(xué)效果以及壽命，設(shè)計出符合該市高速公路工程概況的聲屏障，達到降噪效果，符合降噪指標。

1 聲屏障仿真理論及工程概況

1．1 基本理論

氣動噪聲是氣體流過結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)在流體中運動過程中產(chǎn)生的噪聲，氣動噪聲的產(chǎn)生、傳播及其與結(jié)構(gòu)的相互作用已發(fā)展成為流體力學(xué)中的分支學(xué)科-氣動聲學(xué)［5］。根據(jù)Lighthill聲學(xué)理論知識可知，氣動噪聲主要由單極子、偶極子和四極子這三種聲源組成。單極子聲源產(chǎn)生的原因是因為氣流體積的變化；偶極子聲源產(chǎn)生的原因是車身表面和流體相互的作用，致使氣流擾動分離；四極子聲源產(chǎn)生的原因是因為車身周圍空氣體積的應(yīng)力張量的變化［6］。因此，高速公路汽車氣動噪聲主要屬于偶極子聲源。本文主要通過Fluent流體力學(xué)計算軟件中標準k-ε湍流模型計算穩(wěn)態(tài)流場，再基于穩(wěn)態(tài)流場計算結(jié)果，采用Broadband噪聲模型進行數(shù)值模擬計算并對計算結(jié)果進行分析。

本文中穩(wěn)態(tài)流場計算采用標準的k-ε湍流模型，其控制方程為［7］：

式中ρ為汽車車身周圍流場的空氣密度；ui，uj為汽車車身周圍流場的空氣速度分量；xi，xj為直角坐標分量；k表示湍流動能；ε表示湍流耗散率；μt表示湍流黏性系數(shù)；Cμ為湍流常數(shù)，通常取Cμ=0.09；C1，C2，σk，σε為經(jīng)驗常數(shù)，通常取C1=1.47，C2=1.92，σk=1，σε=1.33。

1．2 工程概況

某市某段高速公路全長42.3 km，該條高速公路是干線公路的重要組成部分。近年來，該路現(xiàn)狀交通量同營運初期相比有了大幅度的增長，導(dǎo)致公路兩側(cè)交通噪聲呈不斷上升趨勢，交通噪聲對兩側(cè)敏感點的影響成為該高速公路目前營運期最突出的環(huán)境問題。根據(jù)《聲屏障聲學(xué)設(shè)計和測量規(guī)范》要求測算出該路段聲屏障距離地面最佳高度為4.0 m，單塊聲屏障高度為0.5 m，長度為1.96 m，聲屏障總長度為510 m。

2 聲屏障優(yōu)化設(shè)計與計算

2．1 模型建立與優(yōu)化方案

按照《聲環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3096—2008）的有關(guān)規(guī)定對敏感點進行現(xiàn)場噪聲監(jiān)測，噪音超標嚴重。根據(jù)某市某段高速公路工程概況以及現(xiàn)場超標情況測算出的聲屏障距離地面最佳高度為4.0 m，單塊聲屏障高度為0.5 m，長度為1.96 m。本文中高速公路聲屏障模型計算域長、寬、高分別為40，8，4.5 m，汽車與聲屏障距離為2.5 m，聲屏障模型計算域示意圖如圖1所示。

圖 1 聲屏障模型計算域示意圖（單位： m）

在聲屏障長度與高度確定的基礎(chǔ)條件下對聲屏障的孔型結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，設(shè)計出了三種聲屏障孔型結(jié)構(gòu)，聲屏障優(yōu)化設(shè)計方案如表2所示。

表 1 聲屏障優(yōu)化設(shè)計方案

各聲屏障優(yōu)化方案孔型結(jié)構(gòu)具體尺寸如圖2所示。

圖2 各優(yōu)化方案孔型結(jié)構(gòu)示意圖（單位： mm）

2．2 模型邊界條件

本文通過Fluent流體力學(xué)計算軟件對高速公路聲屏障進行穩(wěn)態(tài)計算，采用標準的k-ε湍流模型進行穩(wěn)態(tài)流場計算，再基于穩(wěn)態(tài)流場計算結(jié)果，采用Broadband噪聲模型進行高速公路汽車氣動噪聲數(shù)值模擬計算。高速公路聲屏障模型計算域入口設(shè)置為速度入口，速度為120 km/h（33.3 m/s）；出口設(shè)置為壓力出口，并設(shè)置為一個標準大氣壓，一個標準大氣壓為101325 Pa。湍流計算時選擇標準的k-ε湍流模型，Materials選擇air，壓力與速度耦合的方式選擇Simple算法，模型初始化選擇Hybrid Initialization，模型計算迭代次數(shù)為105。穩(wěn)態(tài)計算結(jié)束之后選擇Acoustics（Broadband）模型進行氣動噪聲數(shù)值模擬計算。

3 仿真結(jié)果分析

根據(jù)表 1聲屏障優(yōu)化設(shè)計方案進行建模設(shè)計，通過Fluent流體力學(xué)軟件分別對未設(shè)置聲屏障（方案0）以及聲屏障優(yōu)化設(shè)計方案1，2和3進行氣動噪聲數(shù)值模擬計算。根據(jù)4a類聲環(huán)境功能區(qū)劃分-相鄰區(qū)域為3類聲環(huán)境功能區(qū)，距離為20 m±5 m，分別在距離聲屏障5，10，15，20，25，30 m的監(jiān)測點進行噪音監(jiān)測。各聲屏障優(yōu)化方案氣動噪聲數(shù)值模擬計算結(jié)果壓力云圖如圖3所示。

其中，圖3（a）為方案0未設(shè)置聲屏障時氣動噪聲數(shù)值模擬結(jié)果壓力云圖，從圖中可以看出在未設(shè)置聲屏障時，汽車高速行駛時，車身與空氣發(fā)生明顯的相互作用，使得車身周圍的氣流流動極不平穩(wěn)，氣流的分離形成了復(fù)雜的渦流流動。在這種渦流的影響下，車身表面上的脈動壓力發(fā)生劇烈變化，形成了氣動噪聲。圖3（b）為方案1圓形孔型結(jié)構(gòu)聲屏障數(shù)值模擬結(jié)果壓力云圖，與方案0相比，脈動壓力明顯有所減小。圖3（c）為方案2百葉型孔型結(jié)構(gòu)聲屏障數(shù)值模擬結(jié)果壓力云圖，脈動壓力隨距離呈現(xiàn)遞減趨勢。圖3（d）為菱形孔型結(jié)構(gòu)聲屏障數(shù)值模擬結(jié)果壓力云圖，氣流繞流的速度逐步加快，壓力減小，出現(xiàn)負壓區(qū)。

根據(jù)聲壓與聲壓級計算公式計算可得各方案噪音監(jiān)測點噪音數(shù)據(jù)。計算公式為：

式中LP表示聲壓級（dB）；P表示聲壓（Pa）；P0表示基準聲壓，為2×10-5Pa。

通過Origin軟件對各聲屏障優(yōu)化方案噪音監(jiān)測點噪音數(shù)據(jù)進行處理分析，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出在噪音監(jiān)測點距離為5 m和10 m時，方案1圓形孔型結(jié)構(gòu)聲屏障與方案2百葉型孔型結(jié)構(gòu)聲屏障噪音分貝值差距不明顯；在噪音監(jiān)測點距離為15 m時，方案2百葉型孔型結(jié)構(gòu)噪音分貝值較方案0（未設(shè)置聲屏障）大幅度降低；在噪音監(jiān)測點距離為30 m時，方案3菱形孔型結(jié)構(gòu)聲屏障噪音分貝值低于55 dB，符合環(huán)境噪聲限值-聲環(huán)境功能區(qū)類別4a（高速公路）類：晝間分貝值≤70 dB，夜間分貝值≤55 dB；各聲屏障優(yōu)化方案較方案0（未設(shè)置聲屏障）分貝值在一定程度上都呈降低趨勢；方案3菱形孔型較方案2百葉型孔型聲屏障降低噪音的功能更為明顯。綜上，方案3菱形孔型結(jié)構(gòu)為最優(yōu)聲屏障設(shè)計方案。

圖4 各方案監(jiān)測點噪音數(shù)據(jù)分析圖

4 結(jié)束語

根據(jù)某市某段高速公路工程概況對聲屏障進行優(yōu)化設(shè)計，通過Fluent流體力學(xué)軟件對各個方案聲屏障氣流噪聲進行了數(shù)值模擬計算，并對計算結(jié)果系統(tǒng)分析，結(jié)論如下。

1） 某段高速公路未設(shè)置聲屏障時，噪音超標嚴重，交通噪音擾民相當嚴重；

2） 在聲屏障高度與長度確定的情況下，設(shè)計了三種孔型結(jié)構(gòu)的聲屏障進行數(shù)值模擬分析，得出方案3菱形孔型結(jié)構(gòu)為最優(yōu)聲屏障優(yōu)化設(shè)計方案；

3） 方案3菱形孔型結(jié)構(gòu)聲屏障較未設(shè)置聲屏障在監(jiān)測點距離聲屏障30 m時，最高降低19.17 dB，平均降噪11.26 dB，符合4a類聲環(huán)境功能區(qū)劃分噪聲限值，降噪功能較其他優(yōu)化方案最為明顯。