高速铁路声屏障气动力的数值模拟研究与试验验证.pdf

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桥 梁 高速铁路声屏障气动力的数值模拟研究与试验验证 朱正 清 ,成志强 1 . 铁 道第三勘察设计 院集 团有 限公 司 ,天津3 0 0 1 4 2 ;2 .西南交通大学力学与工程学 院 ,成都6 1 0 0 3 1 摘 要 采 用三 维不 可压 缩非定常流模型 , 对 高速 列车驶过声屏障所 引起 的空气压 力波进行 了数值模拟 . 并与现场 试验 比较 , 模拟方法得到现场 测试 结果的验证。数值模拟和试验研 究表 明, 气动力具有典 型的“ 头波” 和“ 尾 波” 特 征 , “ 头波” 正 负压幅值 均大 于“ 尾 波” , 压 力波的 正 负压 力场均 呈“ 靶形 ” 。 气动力 的最 大压力 与速度 的平 方成正 比 , 随声屏 障距近轨 中心的距 离增 大而线性 减小 , 随声屏 障高度 的增加而增加 , 呈非 线性加速增加 。 关键词 高速铁 路 ;声屏障 ;气动 力;数值模拟 ;试验验 证 中图分类号 u 2 3 8 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 4 2 9 5 4 2 0 1 1 l 1 0 0 7 7 0 4 Nume r i c a l Si m u l a t i o n a n d Ex p e r i m e n t a l Ve r i fic a t i o n o f Dy na m i c Pr e s s ur e s o n No i s e Ba r r i e r s o f Hi g h S pe e d Ra i l wa y s Z h u Zh e n g q i n g ,Ch e n g Zh i q i a n g 1 . C h i n a R a i l w a y T h i r d S u r v e y a n d D e s i g n I n s t i t u t e G r o u p C o r p o r a t i o n , T i a n j i n 3 0 0 2 5 1 ; 2 . S c h o o l o f A p p l i e d Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g , S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y ,C h e n g d u 6 1 0 0 3 1 Abs t r a c t Dy n a mi c p r e s s u r e fie l d s o n n o i s e b a r r i e r s u r f a c e s we r e s i mu l a t e d b y t hr e e d i me ns i o n a l u n c o mp r e s s i b l e u n s t e a d y mo de l wh e n EMU t r a i n s pa s s i n g b y.Th e s i mu l a t i o n me t h o d s we r e we l l v e r i fie d s i n c e s i mu l a t i o n r e s ul t s we r e i n a c c o r d a nc e wi t h r e a l t r a i n t e s t r e s u l t s . Re s u l t s s ho we d t h a t d y na mi c p r e s s u r e s we r e c h a r a c t e r i z e d b y i t s“h e a d wa v e ” a n d “t a i l wa v e”.ma x i mum v a l u e s o f p o s i t i v e p r e s s u r e a n d n e g a t i v e pr e s s ur e o f“he a d wa v e ” we r e o bv i o u s l y l a r g e r t ha n t h o s e o f“t a i l wa v e ”.b o t h p o s i t i v e a n d n e g a t i v e p r e s s ur e fie l d s o f p r e s s u r e wa v e h a d t he s h a pe o f a “t a r g e t ”. Pe a k v a l u e s o f p r e s s u r e wa v e s i n c r e a s e d p r o p o r t i o n a l l y wi t h t h e s q u a r e o f t r a i n v e l o c i t i e s a n d s ha r p l y wi t h t h e h e i g h t o f b a r r i e r s i n n o n l i n e a r r e l a t i o n,d e c r e a s e d p r o p o r t i o na l l y wi t h t h e d i s t a n c e b e t we e n n e a r r a i l c e n t e r a n d b a r r i e r s . Ke y wor dsHi g h s p e e d r a i l wa y;No i s e b a r r i e r ;Dy n a mi c pr e s s ur e;Nu me r i c a l s i mu l a t i o n; Ex pe r i me nt a l v e r i fic a t i o n 高速铁路在给人们生活带来便利 , 使物流更加快 捷 的同时, 也引起噪声污染 , 并且 噪声问题随速度提升 收稿 日期 2 0 1 1 0 82 9 作 者 简 介 朱 正 清 1 9 6 8 一 , 男 , 高 级 工 程 师 ,E . m a i l 2 7 4 7 7 4 7 5 9 qqco rn 。 而 日趋严重 。为打造绿色铁路 , 具有吸声 、 隔声功 能的声屏障被广泛应用于铁路沿线以降低噪声。国外 研究经验表明 高速行驶 的列车使列车周 围的空气产 生强烈扰动 , 当行驶的列车高速通过声屏障瞬间, 这一 扰动将会加剧 , 引起声屏障表面的空气压力发生突变, 参 考 文献 [ 1 ] 交通 部公路 司, 中 国工程建 设标 准化协 会公路 工程 委员会 . J T G B 0 1 2 0 0 3 公 路 工 程 技 术 标 准 [ S] .北 京 人 民 交 通 出 版 社 , 2 0 0 4 . [ 2 ] 路桥集 团第一 公路工 程局. J T J 0 4 1 2 O O O 公路 桥涵施 工技 术规 范 [ S ] . 北京 人民交通 出版社 , 2 0 0 0 . [ 3 ] 周水兴 , 何兆益 , 邹毅松 , 等. 路桥施 工计算手 册 [ M] . 北京 人民 交通出版社 . 2 0 0 1 . [ 4 ] 中铁 宝桥 天 元实 业 发展 有 限 公 司. D 型施 工 便 梁使 用 说 明 书 [ z ] . 陕西宝鸡 中铁宝桥 天元 实业发展有 限公 司, 2 0 0 4 . 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O 8 O. O 6 0. 0 4 O. O 2 0 - 0. 0 2 - 0 . 04 -0 .0 6 - 0. 0 8 0 . 1 O I 一 一 1 0 0 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 o o 距离/ m 图 1 重联动车组典型压力时程曲线 1 力学模 型 高速列车在声屏障内侧运行时所引起的气流场是 复杂的可压缩 、 非定常湍流。 目前高速列车最高运营 时 速为 3 5 0 k m, 对 应 的马 赫 数 是 0 . 2 8 6 。通 常 对 马 赫 数小于 0 . 3的流体 , 可简化为不可压缩流体计算 , 故连 续 性方程 可 简化 为 VV0 1 式 中 , 为流 场速 度 。 流场 还 需 满 足 动 量 守 恒 定 律 , 即为 N a v i e r . S t o c k s 方程 , 表达式如下 p p V F R 一V P v 2 U b 式 中, P为密度 ; t 为时间; F 为雷诺应力相关项 ; P为压力 ; 为动力 黏度 。 式 2 中雷诺 应力 相关 项采 用 R N G k - s湍 流模 型 求得。对 于 以上 考 虑 湍 流 作 用 的控 制 方 程 , 采 用 F l u e n t 软件 自带的瞬态 S I MP L E R算法求解器计算。 2数值 模 型 依据我国高速铁路桥梁工况 , 声屏障内缘离外轨 中心 线 的距 离 为 3 . 3 4 i n , 列 车 最 高 行 驶 速 度 3 5 0 k m / h , 声屏障高度按 3 . 1 5 m, 厚度 0 . 1 4 m, 防撞墙 内侧 距轨 道 中 心 线 为 2 . 2 m, 防 撞 墙 高 出 声 屏 障 底 部 0 . 4 m, 防撞墙宽度 0 . 2 m。 计算 以C R H 2车型为例 , 列 车长度 2 0 1 . 4 1 1 1 , 宽 3 . 3 8 i n , 高 3 . 7 m。考虑计算机硬 件的计算能力 , 对列车某些结构进行简化 , 具体简化措 施为 1 去掉转 向架 ; 2 不考虑受 电弓; 3 把动车 间的结合部位简化成与车辆表 面形状一致 的光滑 曲 面 ; 4 忽略挡砟墙结合缝 、 轨枕和道床的影响; 5 忽 略了声屏障 H型钢立柱 、 接触 网立柱和混凝土基础等 结构 。 高速列车驶过声屏 障时 , 压力波的影响区在理想 状况下是无限远 的, 这样求解域的尺寸越大, 计算结果 越接近真实值。但 由于受计算条件的限制 , 只能取适 合计算尺度的求解域。通过选取不同的求解域反复试 算 , 观察求解域边界 的压力值是否接近无 限远边界处 的压力场和速度场 , 以及列 车车鼻流场 和尾流 区的变 化规 律 , 确定计 算 区总 长度 取 为 2 6 0 m, 宽 1 2 m 距 轨 道中心距各为 6 m , 高 1 0 m, 列车底部距计算 区域底 面为 0 . 4 m。由于求解 区域 的复杂性 , 采用非结构 化 单元对求解域进行 网格划分 , 共用非结 构化 的四面体 单元5 2 4 2 6 7 个 , 节点 1 1 2 0 6 9 个 , 列车 、 声屏 障和挡 砟 墙 表 面的 网格如 图 2所 示 。 图 2计算 模 型 表面 网格 高速列车行驶使其附近的空气域产生较大的速度 梯度 , 这样必须考虑空气的黏度 , 列车表面 、 列车底部 地面、 声屏障迎风面、 背风面和防撞墙表面等固体边界 的速度均设置为无滑移的壁面边界条件。求解域顶面 和两侧面均离列车较远 , 将其设置为无 限远场 的压力 边界条件 ; 求解域前后边界跟列车运行方向垂直, 其流 体压力接 近零值 , 将其设置 为压力 为零 的 出 口边 界 条件 。 3 CR H 2动车组驶过声屏障时的气动力模拟分析 列车驶过声屏障时 , 迎风面和背风面均承受气动 7 8 铁道标准设计R AI L W AY S T A ND A R D D E S I G N 2 0 1 1 1 1 朱正清, 成志 强一高速铁路声屏 障气 动力的数值模拟研究与试验验证 压力 , 迎 风 面 的压 力 远 大 于背 风 面 。声 屏 障 的结 构 强 度与迎风面和背风面 的压差 , 即有效压 力直接相关 。 基于以上数值模型 , 应用 F l u e n t 软件模拟列车进人声 屏障过程 中压力场的变化 , 并在后处理 中通过差值方 法计算有效压力 , 计算得到“ 头波” 的有效正负压力的 峰值 , 如表 1所示 本文中的压力均指有效压力 。 表 1 模拟所得 有效 压力峰值 车鼻进人 声屏障距 离/ m 一 0 . 2 1 . 7 3 . 6 4 5 . 5 8 7 . 5 2 8 . 5 9 . 1 正压峰值/ P a 9 0 6 1 0 3 9 8 6 3 8 7 7 8 5 8 8 6 3 8 6 3 负压峰值/ P a 3 4 . 6 4 0 8 5 4 1 5 5 3 6 6 5 . 4 8 5 9 7 8 9 车鼻驶至声屏障端 口外 0 . 2 m时 , “ 头波 ” 正压场 已经 形成 , 正压 峰 值 达到 9 0 6 P a ; 车鼻 进 入声 屏 障 1 . 7 m时 , “ 头波” 正压 峰值达 到最 大值 1 0 3 9 P a ; 随着 车鼻的继续进 入 , 压力 峰值开始减 小 , 稳定 在 8 6 3 P a 左 右 。随着 “ 头 波 ” 正 压 场 的前 移 , 负 压 场 开 始 形 成 , “ 头波” 负压峰值从 1 . 7 m处的一 4 0 8 P a增大到 8 . 5 m 处的最大值一 8 5 9 P a , 之后达到稳定值 一 7 8 9 P a , 最大负 压发 生在 车 鼻进 入 声屏 障 8 . 5 m处 。由此 可 推 断 C R H 2动车组进入声屏障时“ 头波” 正负压峰值 的稳定 值与车鼻在声屏障中部行驶时相同。正压峰值达到最 大 值时 的压 力 场 云 图如 图 3所 示 , 正 压 场 呈 “ 靶 形 ” , “ 靶 心 ” 正 压值 最 大 , 距 “ 靶 心 ” 越 远 压 力 越小 , “ 靶 心 ” 位于声屏 障人 口约 3 m、 高 1 . 2 m处。负压峰值达到最 大值 时的压 力场 云 图如 图 4所示 , 负 压场 亦呈 “ 靶 形” , 与正压场的压力分布规律相 同, “ 靶心” 位于声屏 障人 口约 4 m、 高 1 m 处 。 3 .0 蠢 怄6 2 0 豳圈 1 2 3 4 5 6 7 8 9 离端口的距离/ m 图 3最 大正压发生时刻模拟压力场云 图 4工程 测试 试验 现 场测 试 在某 铁 路 特 大桥 的声 屏 障试 验 段 进 行 , 插板式声屏障 由铝合金单元板和 H型钢立柱装配而 成 , 立柱标准间距 2 m, 由小里程往大里程声屏 障高度 由3 . 1 5 、 2 . 6 5 、 2 . 1 5 m依次分布 , 长度分别 为 1 3 0 . 1 、 5 3 . 4、 1 1 0 . 1 1 1 1 , 靠近声屏 障一侧的轨道为试验轨道 , 屏 铁道 标准设 计R A I LW AY S T A ND A R D D E S I G N 2 0 1 J 』 』 桥 粱 障距近轨中心 3 . 3 4 m, 声屏障与桥梁遮板采用混凝土 基础、 螺栓连接 , 以 C R H 2型动车组为试验车辆 , 试验 进行 了不 同高度声屏 障立柱、 单元板的压力 、 应力 、 位 移 、 固有 频 率等 测 试。在 3 . 1 5 1 1 1声屏 障的 端 口至 8 . 7 m处设置 了2 8个差压式压力传感器, 测得“ 头波” 压力峰值达到最大时的压力云图, 如图 5所示 , 压力云 图呈 “ 靶形 ” , “ 靶 心 ” 位 于声 屏 障 人 口约 4 m、 高 1 m 处 , 最 大 正 压 1 0 1 2 P a 。模 拟 所 得 “ 头 波 ” 正 压 压 力 场 与测试结果相 比, 不论是压力 场形状还是 正压峰值大 小均 非常 接 近 。 “ 头 波 ” 最 大 正 压 发 生 点 的 模 拟 结 果 与测试有一定差异 , 这与模 型中未考虑声屏 障内侧接 触网立柱和挡砟墙的缝隙有关。 越 惶 图 3 l 测 试得 到 负压 峰 值 发 生 时 刻 的 压 力 场 云 图 如 图 6所示 , 最大负压一 8 5 1 P a , 亦位于声屏障入 口约 4 m、 高 1 m处。模拟所得 “ 头波” 负压场与测试结果在风 压场形状和最大负压值均非常一致 。现场测试和数值 模 拟结果 均表 明 “ 尾波 ” 的正 负压力 场 亦呈 “ 靶 形 ” , 由 于 “ 尾 波 ” 的最 大正 负压力 均 明显小 于 “ 头波 ” 。 暑 1坦 图 i 测试 风压极值 、 应力极值均低 于理论计算值 , 立 柱、 单元板位移极值均在设计许可范围内; 测试所得声 屏障的风压场与数值模拟结果吻合较好 , 测试所得列 车速 度 与风压 的关 系 与理 论 类 比值 的 总体 趋 势 一 致 ; 声屏 障 固有频 率远 大 于列车 产生 的脉 动风 压频 率 3~ 5 H z , 不会发生共振效应 。试验验证 了插板式声屏障 设计参数正确 、 结构 强度及刚度满足要求 、 连接方式 可行 5最大压力与速度、 声屏障高度以及距外轨 中心距 离 的关 系 测试试验研究表明, C R H 2动车组驶人声屏障时, “ 头波” 正压峰值 略大于其负压峰值 ; 驶 出声屏 障时 , “ 头波” 负压峰值仅略大于其 正压峰值 , 这样可以简单 7 9 莒 g 。 。 ∞勰黜Ⅲ 8 6 4 2 O 一 一 一 一 一 _ _ 一 一 一 _ - 一 桥 梁 朱正清, 成志强~高速铁路声屏障气动力的数值模拟研究与试验验证 采用最大正压作为最大压力 , 为声屏障设计提供依据 。 下面结合桥面宽 1 2 m的声屏障专项试验测试和桥面 宽 1 3 . 4 m的声屏障测试 , 探索最大正压和速度、 声屏 障高度以及距外轨中心距离 的关 系。C R H 2动车组以 2 2 5~ 3 5 0 k m / h各 速度 驶人 某铁 路特 大桥 3 . 1 5 m声 屏 障时, 最大正压与车速的关 系曲线如图 7所示 。列车 交汇压力波研究表明, 一车静止 , 另一车行驶交会时压 力 波峰 值 与列车 速 度 的平 方 成 正 比 。为 找 出声 屏 障压力与列车行驶速度的关系 , 以列车速度 2 6 0 k m / h 时 的正压 峰值 5 4 1 P a 作 为基 准 点 , 根据 压 力 与 速度 的 平方成正 比的关 系, 计算出各速度下相应的理论压力 类比值。由图 7可见 , 测试值 曲线 与基于测试值 的理 论类 比值在趋势上一致 , 模拟所得压力 一 速度关 系曲 线与测试理论类比曲线总体平行 , 证实 了压力与速度 平 方 的线 性 关 系 , 也 验 证 了 模 拟 方 法 的 可 行 性。 C R H 2动车组以不 同速度驶 出声屏障时 , 压力 与速度 亦有同样关系 , 仅 “ 头波” 最大正压 略小 于最大负压 , 数 据不 再一 一列 出 。 速度/ k m/ h 图 7 最 大正压 与速度的关系 C R H 2动车组 以 3 5 0 k m / h速度驶过某铁路 特大 桥声屏障时, 布置于 3 . 1 5 、 2 . 6 5 m和 2 . 1 5 m 的压力传 感器阵列记录下各测点压力时程变化过程 , 这样可获 得各高度声屏障的最大正压值 , 最大正压与声屏 障高 度的关系曲线 , 如图 8所示 。测试与模拟结果均显示 , 速度和外轨中心距一定 时, 最 大正压随声屏障高度 的 增加而增加 , 且增幅亦随声屏障高度增加而增加。 声屏障 鬲厦, m 图 8 最大正压与声屏 障高 度的关系 通过对 比既有客运专线铁路桥面宽 1 3 . 4 m、 声屏 障高 3 . 1 5 m、 距外轨中心 的距离 4 . 1 m、 C R H 2动车组 在时速 3 3 0 k m经过声屏障时的压力测试结果 , 与某铁 路特大桥在同样时速下的测试结果可知 , 同样速度下 , 80 距外轨中心的距离由 3 . 3 4 m变为 4 . 1 m时 , 声屏障的 最大正压 由 8 4 3 P a 下降为 7 0 0 P a , 降幅 1 6 . 9 %。模拟 结果显示 , 最大正压 随距外轨中心距离 的增大线性递 减 , 如 图 9所示 。 7 5 0 ’ 、 0 \ 距 外轨 中心距离, m 图 9 最大 正压 与声 屏障距外 轨中心距 离的关系 6 结 论 通过对高速列车驶过声屏障时气动力的模拟和声 屏障试验段的测试 , 验证了声屏 障迎风面压力场具有 典型“ 头波” 和“ 尾波” 特征 , “ 头波 “ 的正负压力峰值 均大于“ 尾波” 。“ 头波” 先形成正压场后形成负压场 ; “ 尾波” 先形成负压场后形成正压场 , 其压力场形状均 为“ 靶形” ,“ 靶心” 压力值最大, 距“ 靶心” 越远压力值 越小 。C R H 2动车组驶入声屏 障时 , “ 头波 ” 正压峰值 略大于其负压峰值; 驶 出声屏障时, “ 头波” 负压峰值 仅略大于其正压峰值 , 可 以用最大正压作为声屏 障设 计依据。数值模拟和试 验研究表明 , 压力波的最大正 压与速度 的平方成正 比, 随声屏 障距近轨 中心的距离 增大而线性减小 , 随声屏障高度的增加而增加, 呈非线 性加速增加。 参考 文献 [ 1 ] 苏卫 青, 高 速铁路 噪声 影 响评价 研究 [ J ] . 铁道 标 准设计 , 2 0 1 1 5 1 0 01 0 4 . 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