高速铁路桥梁全封闭声屏障列车压力波荷载的数值模拟_何佳骏.pdf

振动与冲击 第 卷第 期 基金项目 国家自然科学基金 收稿日期 修改稿收到日期 第一作者 何佳骏 男博士生 年生 通信作者 向活跃 男副教授 高速铁路桥梁全封闭声屏障列车压力波荷载的数值模拟 何佳骏 向活跃 曾敏 李永乐 彭栋 西南交通大学桥梁工程系成都中铁第四勘察设计院集团有限公司武汉 中铁大桥勘测设计院集团有限公司武汉 摘要列车高速通过桥上全封闭声屏障时会产生压力波作用于全封闭声屏障引起全封闭声屏障的振动为了 探究作用于全封闭声屏障上的压力荷载的特点以某全封闭声屏障使用线路为研究背景通过 数值模拟对列车通过 全封闭声屏障过程中形成压力波的特性进行了研究在验证数值模型的基础上考查了压力波在横向纵向分布的特点 及衰减特性分析了最不利压力荷载出现的时刻以及位置对比分析了车速全封闭声屏障断面形状及双车交会的影响 结果表明全封闭声屏障内同一断面压力荷载基本相同压力波沿列车运行方向存在最不利的压力单车以 行 驶时全封闭声屏障表面最大正压为 最大负压为 列车驶出后全封闭声屏障内仍有一定的压力 波其衰减周期为压力波在全封闭声屏障内传播一个循环的时间阻塞比保持不变时全封闭声屏障断面形状对于压力 波的影响较小双车对开时全封闭声屏障压力荷载显著增大正压最大值为 负压最大值为 关键词高速铁路全封闭声屏障压力波数值模拟动网格 中图分类号 文献标志码 声屏障作为一种有效的铁路噪声治理手段在国 内外得到广泛的应用声屏障的形式多样其中对噪 声防控严格的路段常需要设置全封闭声屏障全封 闭声屏障与隧道类似列车通过时会产生压力波 目前对压力波的分析方法主要为现场实测模型 试验和数值模拟现场实测需要在线路建立之后模 型实验设计复杂花费较高数值模拟由于花费较小 且能进行多参数分析被国内外学者广泛使用且近年 来对隧道压力波的模拟也更加精细和准确 在国外 等通过数值模拟研究了德国 列车会车压力波的特性饭田雅宣等将日本系 列车在隧道内会车压力波的数值模拟与现场实测的结 果进行对比讨论了会车压力波的模拟方法 等根据一维稳态可压缩流动理论对压力波进行了 精确的模拟 等对不同头型的列车通过 隧道产生的压力波进行了三维数值模拟 等通过现场实测与数值模拟研究了隧道内列车交会 产生的压力波与列车受到的气动力特性 等 利用三维可压缩方程理论计算了隧道内 交会列车的气动力及压力变化特点 在国内骆建军等 给出了高速列车进入隧道 的数值模拟过程并针对有无缓冲结构的隧道产生的压 力波进行了实验和数值模拟关永久采用有限体积 法研究了高速列车隧道内会车的气动力及隧道壁面压 力变化并进行了参数化讨论梅元贵等建立了列 车几何模型和非定常可压缩湍流的三维流动模型模 拟了高速列车在隧道内等速与不等速交会的情况许 建林等利用数值模拟分析了隧道内列车交会过程 中车体外部的压力场变化初步确定了交会时压力极 值与车速的关系王慕之等使用适应性更强的重叠 网格的方法模拟了高速列车通过隧道的气动效应并进 行了验证上述研究针对列车经过隧道产生的压力波 效应提供了较为精确的分析方法 由于全封闭声屏障外部存在空气列车通过全封 闭声屏障时产生的压力波与通过隧道时产生的压力波 之间可能存在差异压力波导致的全封闭声屏障荷载 是设计的控制性因素之一但目前关于列车通过全封 闭声屏障的压力波特性的研究仍相对较少 本文通过 数值模拟采用滑移网格动网格的 组合方法在验证数值模拟的基础上对 型列车 通过全封闭声屏障产生的压力波特性进行了研究讨 论了压力波在全封闭声屏障内的分布考查了列车车 速全封闭声屏障断面形状以及双车交会对压力波的 影响 数值模型 工程概况 某高速铁路经过一动物保护区需要在通过此保 护区的桥上设置全封闭声屏障以减小铁路噪声的干 扰全封闭声屏障全长 由型的立柱和吸声板 组成立柱间距为 吸声板安装于两个立柱之间 靠近桥面附近的吸声板采用 混凝土其余采用 厚金属吸声板以减轻全封闭声屏障的重量所 有盖板纵横向缝隙采用泡沫胶条均匀填充后再采用 进口耐候硅酮胶密封为保证降噪效果盖板上不设置 泄压孔等结构故而可认为全封闭声屏障内只有入口 和出口能与外部的大气进行气压交换全封闭声屏障 采用弧形外形由三段圆弧组成以减少迎风面面积并 有效降低风荷载具体的断面图如图所示 图全封闭式声屏障断面图 分析模型 分析中列车采用 的外形在保持外形及 投影面积不变的前提下去除列车表面及底部复杂的 局部构件对列车的外形进行了适当的简化列车模 型由头车中间车尾车三部分组成总长共 为提高计算效率对全封闭声屏障的几何模型进 行了适当的简化 当高速列车在全封闭声屏障内运 行时外部流场对全封闭声屏障内部的影响较小将全 封闭声屏障结构简化至地面全封闭式声屏障长度取 为倍车长 全封闭式声屏障内部有立柱及横联 等结构经过测试计算分析添加立柱与横联网格与以 立柱内侧为全封闭声屏障断面的计算结果接近但立 柱横联网格过于复杂影响计算效率故近似以全封闭 声屏障立柱内侧为内侧断面进行分析虽减小了阻塞 比但计算结果偏安全 分析中计算区域如图所示全封闭声屏障的 宽为 高为计算区域尺寸为 模型缩尺比为 以全封闭声屏障入口为 原点列车行驶方向为轴高度方向为轴建立参考 系如图所示 对于压力波问题采用黎曼边界条件即压力远场 边界可更好的进行模拟因此整个计算区域外边 界设置为压力远场边界全封闭声屏障和地面采用静 止壁 面列 车 模 型 采 用 移 动 壁 面 边 界粗 糙 度 取 湍流模型采用 采用 算法求解 振 动 与 冲 击年第卷 压力耦合动量连续性湍动能能量及耗散率等项均 采用二阶迎风格式进行离散此外还考虑了空气压 缩效应的影响 模拟车辆运动的方法主要有参考系法滑移网格 法和动网格法三种由于参考系法是一种定常分析方 法不适用于模拟压力波动网格方法中重新生成网 格需要占用大量的计算时间计算效率较低而滑移网 格法中移出部分和移入部分的 交界面存在不 重合的问题多出的部分网格存在一定浪费因此本 文采用动网格与滑移网格相结合的方法模拟车辆的 运动 分别单独建立车辆网格模型和全封闭声屏障的网 格模型车辆部分为运动区域 组成的区域其 它部分为静止区域图两区域之间采用 交 界面连接并将运动区域两端的压力远场边界设置为 静止区域当运动区域向前移动时前方部分压缩网 格 见图 后方部分拉伸网格 当拉伸 到一定距离后采用动网格中的 铺层网格更 新方法更新运动区域两端部的网格本研究中运动 区域端部网格拉伸和压缩单元的长度为 单元分 割因子为 合并因子为 网格采用六面体网格并在车辆和全封闭声屏障 的壁面设置了边界层网格列车与全封闭声屏障表面 的网格如图所示其中静止区域网格数量为万 运动区域的网格数量为万分析中时间间隔 为 图计算区域及边界条件示意图 列车通过全封闭声屏障时会引起全封闭声屏障的 振动本质上是流固耦合的问题但由于全封闭声屏 障立柱布置较密集结构刚度较大压力波引起的全封 闭声屏障阻塞率的改变较小故可认为全封闭声屏障 的振动对于压力波影响较小加上流固耦合分析计算 效率较低故本文未考虑流固耦合的影响 分析时在全封闭声屏障横断面内的压力监控点 布置如图所示以底边中心为圆心顺时针方向 每布置一个监测点其中正压指向全封闭声屏障 外负压指向全封闭声屏障内 在纵向在距离全封闭声屏障入口 处设置第 一个监控断面并沿全封闭声屏障纵向每隔 设置 一个监控断面每个断面设置个监测点 图列车及全封闭声屏障表面网格示意图 数值模型的验证 数值模拟的准确性是进行数值计算的基础由于 本研究使用的列车模型对转向架受电弓等设施进行 了简化需要对压力波的数值模拟进行验证由于缺 少全封闭声屏障压力波的实测结果对某隧道压力波 进行了数值模拟并将数值模拟结果与实测数据进行 对比分析分析采用 等实测的隧道压力 波其车辆为 本研究的数值模拟计算中采用 的车辆为 两者有相似的横断面形状因为实测 隧道断面缺乏具体尺寸根据阻塞比相同的要求按本 研究中的全封闭声屏障断面进行了调整计算区域及 边界条件如图所示 静止区域网格数量为 万运动区域网格数量 为万湍流模型采用 车辆和隧道的表面粗糙 度取为 且考虑空气压缩性列车运行速度为 第期何佳骏等高速铁路桥梁全封闭声屏障列车压力波荷载的数值模拟 边界条件网格类型等其它参数与 节同 压力监控点为距离隧道入口 处断面内离地 面高 的近壁点图为实测数据与数值模拟 结果对比由图可见模拟值在总体上可以反映压 力波的传播规律负压处的幅值略有差异但模拟值可 以较好地与实测压力波峰值匹配这表明本研究中所 选数值模型的是可行的 图验证模型计算区域及边界条件示意图 图计算结果与实测结果对比 压力波特性分析 断面内压力波时程分析 隧道壁面压力是由压缩波膨胀波以及列车波产 生的压力组合而成三者叠加可以反映隧道断面的 气动力变化趋势为探究全封闭声屏障壁面压力变化 是否具有类似的特点以 车速下 断 面坐标设置见图 下同处的号点为例此时 列车和压力波同时到达监控断面附近列车风和压力 波叠加效应较强对其压力时程曲线如图进行了 分析图中上半部分为列车车头车尾与压力波在不 同时刻距离全封闭声屏障入口的距离下半部分为 处断面号点的压力时程 由图可见列车进入全封闭声屏障后绕列车运 动的气流受全封闭声屏障壁约束全封闭声屏障内空 气受到压缩形成压缩波传递至处引起断面压力增 大当列车车尾进入全封闭声屏障时产生的膨胀波传 递至处引起测点压力值减小 处与处分别为列 车头部和尾部通过全封闭声屏障壁面测点对应的时 刻由图可见列车头部通过测点时全封闭声屏障 壁面负压增加而列车尾部通过测点时壁面负压减 小位置处遇到压缩波反射回来的膨胀波传 递至测点压力值下降位置处遇到膨胀波 反射回来的压缩波传递至测点压力值上升 由上述分析可知由列车和压力波的位置基本可 以反应断面内压力的变化 图压力波时程分析图车速 压力波沿横断面的分布 为分析全封闭声屏障横断面的压力分布考虑列 车以 的车速通过全封闭声屏障的过程选 取全封闭声屏障分点附近断面作为研究对象图 为 处断面的压力时程 由图可见由于压缩波与膨胀波在全封闭声屏 障内以音速传播且在全封闭声屏障两端相互转化并反 射同一断面内的压力变化具有良好的周期性列车 距离监控断面较远时监控断面内压力大小主要由均 匀的压力波决定所有监控点的压力曲线基本重叠列 车经过监控断面时由于列车车体周围空气流动较快 导致列车车体周围气压下降加大了断面内的负压 同时列车行驶引起的负压在截面内不均布导致截面 内各测量点的气压值不同程度的波动 图 车速下断面压力时程 振 动 与 冲 击年第卷 压力波沿线路纵向分布 为考查全封闭声屏障压力波荷载的最不利位置 将全封闭声屏障各测点在每个计算时间步长的压力波 动最高点与最低点连接起来即为全封闭声屏障内压力 的时程包络曲线图 图压力时程包络曲线图 由图可见由于压力波传播途中与壁面摩擦导 致其能量逐渐衰减正压最大值出现列车运行 时此时正压最大值为 出现在 处 断面负压最大值出现在列车运行 时此时负 压最大值为 出现在 处断面由 节压力波时程的分析可知最大正压出现时列车 驶出全封闭声屏障不久列车风给断面带来的负压逐 渐消失同时在全封闭声屏障内传播的压力波之间发 生叠加从而导致最大正压的出现最大负压出现时 列车与经隧道口反射后的膨胀波相遇并叠加从而形 成了最大负压 压力波衰减特性 在全封闭声屏障的出口处大部分压力波会以膨 胀波的形式反射回来小部分以脉冲形式从出口向外 辐射形成微压波由此会导致部分压力波在列车 通过全封闭声屏障后仍在全封闭声屏障内来回传播 为观察列车离开全封闭声屏障后压力波的变化规 律采用上述模型在列车驶出全封闭声屏障一定距离 后停止使用动网格将运动区域改为静止区域采用 非定常分析其它参数不变继续计算压力波的传播特 性针对图中确定最不利的正负压力位置图给 出了列车驶出全封闭声屏障后的压力波时程曲线 由图可见从列车驶出全封闭声屏障开始压力 波开始衰减压力波在来回传播过程中全封闭声屏 障将受到正负交替的压力作用对全封闭声屏障结构 的疲劳性能是不利的这也表明在进行动力分析时 考虑列车驶出全封闭声屏障后压力波的影响是必 要的 图断面压力自由衰减时程 压力波影响因素 车速对压力波的影响 为了考察数值模拟中车速对压力波的分布及压力 波峰 值 的 影 响对 比 分 析 了 车 速 为 及 时压力波的变化规律 图不同车速下断面压力时程对比 图给出了车速为 与 时 处断面压力时程的对比由图可见车速越快 截面压力的峰值越大同时压力峰值也越早到达这 是由于压力波波形与峰值均与列车速度有关对于 特定的车头长度列车速度越大压力波峰值产生的时 第期何佳骏等高速铁路桥梁全封闭声屏障列车压力波荷载的数值模拟 刻越早截面压力到达峰值的时间越早同时由于压 缩波产生的时刻相同即不同车速下列车产生的压缩 波同时到达监控断面故监控断面内压力开始上升的 时刻不受车速影响 断面形状对压力波的影响 为了 考 查 方 形 断 面 全 封 闭 声 屏 障阻 塞 比 的压力波变化规律采用 节介绍的参数 设置对列车通过方形断面全封闭声屏障的过程进行 数值模拟计算模型静止区域网格万运动区域网 格万 图方形断面与测点布置图 模拟采用的全封闭声屏障方形断面及断面内的压 力监控点布置如图所示其中号点与图中 弧形断面号点高度相同号点在截面直线与弧线交 点处号点在截面对称轴上距离全封闭声屏障入口 处设置第一个监控断面沿纵向每 设置一个 监控断面以分析全封闭声屏障各断面压力峰值变化 规律 考虑列车以 的车速通过全封闭声屏障 的过程图为 处断面各监控点的压力时 程由图可见同一横断面内所有监控点的压力曲线基 本重叠说明压力波在方形截面内也是均匀分布即压 力波的分布与截面形状无关 图方形断面压力时程 图为方形断面与弧形断面全封闭声屏障内压 力包络线对比图由图可见方形断面与弧形断面 压力包络线的压力区间与变化趋势接近方形断面全 封闭声屏障正压最大值出现在列车运行 时此 时正压最大值为 出现在 处断面 负压最大值出现在列车运行 时此时负压最大 值为 出现在 处断面最大正负 压的数值和位置与弧形断面接近断面形状对压力波 特性的影响较小 图不同形式断面压力包络线对比图 图为方形全封闭声屏障与弧形全封闭声屏障 在 断面处号监控点压力对比图由图可见 弧形断面与方形断面全封闭声屏障的压力波波形一 致由于两方案阻塞比相近弧形断面阻塞比 方形断面阻塞比 故压力波峰值差距较小 在阻塞比接近的情况下断面类型对压力波的变化规 律及压力波峰值的影响不大截面选型时应以优化全 封闭声屏障气动受力为主 图方形断面与弧形断面压力时程对比 双车交会对压力波的影响 当两列车相向同时进入全封闭声屏障时列车产 生的压力波会发生叠加效应为了考查双车模型同 时进入全封闭声屏障的压力荷载特性设定车速为 振 动 与 冲 击年第卷 对两列车从起始点距离全封闭声屏障入口 均为 开始相向对开的情况进行了数值模拟并与 单车运行时的压力波时程进行了对比 双线运行时模型计算区域如图所示其它设置 与 节同单列车运动区域网格与 节相同双车 对开时将原网格移动旋转后即可得到另一辆车辆网 格此时静止区域网格需要重新制作其基本尺寸仍与 节同双车对开时静止区域网格数量为万运 动区域网格数量为万图为 处断面 各监控点的压力时程 图双车交会计算区域侧面示意图 图单车与双车行驶压力时程对比 图号监控点压力包络线双车 由图可见对于 处断面双车行驶时 波峰和波谷的峰值更大且持续时间比单车行驶时更 长这是因为两列车进入全封闭声屏障时产生的压缩 波在该断面以一定的相位差进行叠加故压力峰值较 单车行驶时较大且波峰持续时间更长 图为纵向各断面号压力监控点的压力包络 线由图可见正压最大值出现列车运行 时出现在 处断面此时正压最大值为 较单车行驶时的 高出 负压最大值出现在列车运行 时也出现在 处断面此时负压最大值为 较单 车行驶时的 高出 双车行驶时最大正压出现的时间与单车行驶时接 近都是因为列车驶出全封闭声屏障由列车风引起的 负压对全封闭声屏障的影响逐渐消失仍在全封闭声 屏障内传播的压力波叠加从而产生最大正压且由于 两车各自产生的压力波在各个时刻的位置关于都全封 闭声屏障中心对称所以压力最大值出现在全封闭声 屏障中部最大负压出现的时间与位置较单车行驶时 差异较大这是由于单车行驶时最大负压出现的原因 是列车风引起的断面负压与膨胀波叠加其出现时刻 为列车与膨胀波相遇的时刻而双车行驶最大负压是 由相对行驶的列车产生的列车风引起的断面负压的叠 加而产生出现在两车相遇的位置即全封闭声屏障 中部 结论 本文采用数值模拟方法研究了全封闭声屏障的压 力波在验证了数值模型准确性的基础上讨论了全封 闭声屏障压力波的分布及衰减特性并考查了车速全 封闭声屏障断面形状及双车交会的影响得出如下 结论 全封闭声屏障压力波的特性与隧道压力波近 似压力波在全封闭声屏障断面内均匀分布断面内压 力变化可通过列车与压力波的位置来确定车速越 大断面压力越大压力峰值到达时刻也更早 列车驶出全封闭声屏障后仍需考虑全封闭声 屏障的疲劳问题列车驶出全封闭声屏障后各断面 内的压力逐渐衰减衰减周期为压力波在全封闭声屏 障内传播一个循环所需的时间 阻塞比接近时全封闭声屏障截面类型对压力 波的特性影响不大不同车速会改变断面压力波曲线 的峰值和峰值到达时间 全封闭声屏障强度设计可参考各工况下最大 正负压值最大正负压位置可通过列车与压力波的位 置进行判断单车以 行驶时全封闭声屏障 第期何佳骏等高速铁路桥梁全封闭声屏障列车压力波荷载的数值模拟 内最大正压 最大负压为 双车 以 对向行驶通过全封闭声屏障时全封闭声 屏障 内 正 压 最 大 值 为 负 压 最 大 值 为 参 考 文 献 饭田雅宣前田达夫隧道内的压力变动 铁道总报 告