全封闭式声屏障的气动特性研究.pdf

硕士学位论文 全封闭式声屏障的气动特性研究 作者姓名作者姓名 沈熠亮沈熠亮 指导教师指导教师 袁伟斌袁伟斌 教教 授授 学科专业学科专业 土木工程土木工程 学位类型学位类型 工学硕士工学硕士 培养类别培养类别 全日制学术型硕士全日制学术型硕士 所在学院所在学院 土木工程学院土木工程学院 提交日期提交日期 2021 年年 06 月月 万方数据 万方数据 Study on Aerodynamic Characteristics of Fully Enclosed Noise Barrier Dissertation ted to Zhejiang University of Technology in partial fulfillment of the requirement for the degree of Master of Engineering by Yi-liang SHEN Dissertation Supervisor Prof. Wei-bin YUAN Jun., 2021 万方数据 万方数据 浙江工业大学学位论文原创性声明浙江工业大学学位论文原创性声明 本人郑重声明所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果， 也不含为获得浙江工业大学或其它教育 机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名 日期2021 年 06 月 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。 本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1、保密□，在一年解密后适用本授权书。 2、保密□，在二年解密后适用本授权书。 3、保密□，在三年解密后适用本授权书。 4、不保密。 （请在以上相应方框内打“√” ） 作者签名 日期2021 年 06 月 导师签名 日期2021 年 06 月 万方数据 万方数据 中图分类号 TU312 学校代码 10337 UDC 624 密级 公开 研究生类别 全日制学术型硕士研究生 硕士学位论文 全封闭式声屏障的气动特性研究 Study on Aerodynamic Characteristics of Fully Enclosed Noise Barrier 作 者 沈熠亮 第一导师 袁伟斌 教 授 申请学位 工学硕士 第二导师 学科专业 土木工程 培养单位 土木工程学院 研究方向 结构风工程 答辩委员会主席 付传清 教授 答辩日期 2021 年 5 月 19 日 万方数据 万方数据 全封闭式声屏障的气动特性研究 I 全封闭式声屏障的气动特性研究 摘 要 全封闭式声屏障是一种降噪效果较好的声屏障类型， 抗风设计是声屏障设计 的一项重要内容。 但是由于该类声屏障结构特殊，风荷载的确定缺少相关参考依 据。 因此，本文以宁波轨道交通 2 号线二期工程线路全封闭式声屏障项目为工程 背景， 采用风洞试验和数值风洞模拟，对横风和列车风作用下全封闭式声屏障的 气动特性进行了分析。全文的主要内容及成果如下 （1）采用风洞试验，对横风作用下全封闭式声屏障结构的气动特性进行分 析，根据工程背景制作了 1150 缩尺比的整体模型和 110 缩尺比的局部模型。 根据整体模型风洞试验，确定该类全封闭式声屏障的最不利风向角工况； 根据局 部模型风洞试验， 获得最不利风向角下声屏障表面风压系数分布和最大极值风压 数值，将声屏障截面划分分为迎风面 K-1、迎风面圆角区域 K-2、顶部 K-3 和背 风面 K-4 一共 4 个区域，并算得各区域的区域体型系数分别是 1.5，-0.86，-0.1 和 0.33。讨论了列车位置、声屏障端部效应对声屏障表面风压分布的影响。结果 表明， 声屏障端部对表面风压分布影响较大， 列车位置对表面风压分布影响较小。 （2）采用数值风洞模拟，对横风作用下全封闭式声屏障结构周围流场特性 进行分析，并讨论了不同风向角、不同离地高度和声屏障端部效应对全封闭式声 屏障的表面风压分布、三分力系数和周围流场分布的影响。结果表明，不同风向 角和离地高度会对声屏障表面风压分布和声屏障-桥整体结构的升力系数产生较 大影响，端部效应对流场影响较大。 （3）采用动网格技术对不同车速列车通过声屏障结构时声屏障内压力时程 变化进行分析，得到了该类声屏障列车风极值风压和车速之间的关系式。 通过对 比横风和列车风作用下的极值风压，确定该类声屏障正常运行下的控制荷载类 型。 关键词关键词轨道交通，全封闭式声屏障，风荷载，风洞试验，CFD 数值分析 万方数据 浙江工业大学硕士学位论文 II 万方数据 全封闭式声屏障的气动特性研究 III STUDY ON AERODYNAMIC CHARACTERISTICS OF FULLY ENCLOSED NOISE BARRIER ABSTRACT The fully enclosed noise barrier has better noise reduction effect than other kind of noise barriers, and the aerodynamically design plays an important part in noise barrier structure design. However, because of the unusual structure of this noise barrier, the determination of wind load is lack of relevant reference. Therefore, taking the Ningbo Rail Transit Line 2 phase II project as the engineering background, this paper analyzes the aerodynamic characteristics of the fully enclosed noise barrier under crosswind and train gust by using wind tunnel test and numerical wind tunnel simulation. The main contents and achievements are listed as follows 1 The wind tunnel test was used to analyze the aerodynamic characteristics of the fully enclosed noise barrier structure under crosswind, according to the engineering background, the overall model was fabricated at a length scale of 1150 and the regional model at length scale of 110. According to the wind tunnel test of the overall model, the most dangerous inflow attack angle condition of this fully enclosed noise barrier was obtained. According to the wind tunnel test of the regional model, the distribution of wind pressure coefficient on the surface of noise barrier and the value of maximum extreme wind pressure under the most dangerous inflow attack angle condition were obtained. The cross section of the noise barrier was divided into four regions windward side K-1, windward side fillet area K-2, top K-3 and leeward side K-4. And the shape coefficients of each region were calculated, which were 1.5, -0.86, -0.1 and 0.33 respectively. The influences of train position and the end effect of the noise barrier on the wind pressure distribution on the surface of the noise barrier were discussed. The results showed that the end of the noise barrier had a great 万方数据 浙江工业大学硕士学位论文 IV influence on the surface wind pressure distribution, and the train position could not affect the distribution of surface wind pressure. 2 Numerical wind tunnel simulation was used to analyze the characteristics of the flow field around the fully enclosed noise barrier structure under crosswind. The effects of different inflow attack angles, different distances above the ground and the end effect of the noise barrier on the surface wind pressure distribution, the three-component coefficient and the flow field distribution around the fully enclosed noise barrier were discussed. The results showed that the wind pressure distribution on the surface of the noise barrier and the lift coefficient of the structure of the noise barrier-bridge system were greatly influented by inflow attack angles and different distances above the ground, and the end effect of the noise barrier had a great influence on the flow field distribution. 3 The dynamic grid technique was used to analyze the time history of the pressure inside the noise barrier when the train with different speed passes through the noise barrier structure, and the predictive ula of the extreme train gust pressure of this noise barrier as a function of train speed was derived. By comparing the extreme pressure under train gust or crosswind, the dominated load type of this noise barrier under normal operation was determined. KEY WORDS rail transit, fully enclosed noise barrier, wind loads, wind tunnel test, CFD numerical analysis 万方数据 全封闭式声屏障的气动特性研究 V 目 录 摘 要............................................................................................................................ I ABSTRACT ................................................................................................................. III 第一章 绪 论.............................................................................................................. 1 1.1 研究背景......................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状............................................................................................. 3 1.3 本文主要研究内容及研究思路..................................................................... 7 第二章 结构风工程基本理论...................................................................................... 9 2.1 大气边界层特性............................................................................................. 9 2.1.1 平均风特性........................................................................................ 10 2.1.2 脉动风特性........................................................................................ 10 2.2 风对结构的作用........................................................................................... 12 2.2.1 基本风速和基本风压........................................................................ 12 2.2.2 风压系数............................................................................................ 13 2.2.3 三分力系数........................................................................................ 14 2.3 本章小结....................................................................................................... 15 第三章 全封闭式声屏障结构风洞试验研究............................................................ 17 3.1 概述............................................................................................................... 17 3.2 工程概况....................................................................................................... 17 3.3 风洞试验理论............................................................................................... 18 3.3.1 风洞试验中的相似准则.................................................................... 18 3.3.2 大气边界层风场模拟........................................................................ 20 3.4 封闭式声屏障风洞试验............................................................................... 20 3.4.1 模型设计............................................................................................ 20 3.4.2 测点布置............................................................................................ 22 3.4.3 试验设备............................................................................................ 23 3.4.4 试验风速剖面.................................................................................... 24 3.5 整体模型风洞试验及结果分析................................................................... 26 3.5.1 试验工况............................................................................................ 26 3.5.2 试验结果分析.................................................................................... 26 万方数据 浙江工业大学硕士学位论文 VI 3.6 局部模型风洞试验及结果分析................................................................... 27 3.6.1 试验工况............................................................................................ 27 3.6.2 试验结果分析.................................................................................... 28 3.7 本章小结....................................................................................................... 34 第四章 全封闭式声屏障结构横风作用的数值分析................................................ 35 4.1 概述............................................................................................................... 35 4.2 计算流体力学基本理论............................................................................... 35 4.2.1 流体控制方程.................................................................................... 35 4.2.2 湍流模型............................................................................................ 37 4.2.3 数值计算方法.................................................................................... 44 4.2.4 平衡大气边界层................................................................................ 45 4.3 全封闭式声屏障 CFD 数值模拟 ................................................................. 47 4.3.1 工况设置............................................................................................ 47 4.3.2 计算域建立及网格划分.................................................................... 49 4.3.3 边界条件及计算参数设置................................................................ 51 4.4 结果分析....................................................................................................... 53 4.4.1 数值模拟有效性................................................................................ 53 4.4.2 全封闭式声屏障结构周围流场特性及受力特性............................ 53 4.5 本章小结....................................................................................................... 61 第五章 全封闭式声屏障结构列车风作用的有限元分析........................................ 63 5.1 概述............................................................................................................... 63 5.2 列车流场数值模拟....................................................................................... 63 5.2.1 模型概况及工况设置........................................................................ 63 5.2.2 网格划分及计算设置........................................................................ 64 5.3 可靠性验证................................................................................................... 65 5.4 结果分析....................................................................................................... 66 5.4.1 风压时程分析.................................................................................... 66 5.4.2 流场分析............................................................................................ 70 5.6 本章小结....................................................................................................... 72 第六章 结论与展望.................................................................................................... 75 6.1 主要研究结论............................................................................................... 75 6.2 研究工作展望............................................................................................... 76 6.3 创新点........................................................................................................... 76 参考文献...................................................................................................................... 77 万方数据 全封闭式声屏障的气动特性研究 VII 附 录.......................................................................................................................... 83 致 谢........................................................................................................................ 107 作者简介.................................................................................................................... 108 1 作者简历........................................................................................................ 108 2 攻读硕士学位期间发表的学术论文............................................................ 108 3 发明专利........................................................................................................ 108 学位论文数据集........................................................................................................ 109 万方数据 浙江工业大学硕士学位论文 VIII 万方数据 全封闭式声屏障的气动特性研究 1 第一章 绪 论 1.1 研究背景 改革开放之后，随着我国经济科技的飞速发展，城市化进程不断推进，人口 不断向城市聚集，迅速增长的交通需求导致城市内交通问题日益严重[1]。公共交 通有载客量大、节能等优点，可以有效减轻市内交通压力，是城市市内交通治理 的主要方法之一。而城市轨道交通作为公共交通的重要组成部分，具有高效、快 速、运输量大、能耗低等特点，是一种缓解城市客运压力、提高经济效应的主要 客运方式。因此，大力发展轨道交通系统，建立以轨道交通为骨架，多种交通方 式协调的综合交通系统是一种有效的城市交通发展方向[2]。 城市公共交通分类 标准[3]中表明，城市轨道交通包括了地铁系统、轻轨系统、磁悬浮系统、有轨 电车等多个交通系统。 然而在列车运行时会产生巨大的噪声，对轨道沿线居民正常生活、办公造成 极大的影响[4]。目前，交通噪声污染已经成为我国环境的一大公害，严重威胁着 人们的身心健康和正常生活。因此，为保障沿线居民的正常生活，有必要提出一 套轨道交通噪声污染的防治方案。根据轨道噪声产生的机制，噪声的防治措施主 要有以下四种方法一是从声源处控制，即针对噪声源研究降低噪声源强度的措 施，包括针对轨道降噪和车辆降噪两种方法；二时在传播途径中控制，即在噪声 的传播途径中尽可能得使噪声衰减，包括设置声屏障、绿化降噪等；三是在受声 物上加以控制，即采用合理的隔音材料减小路线噪声的干扰；四是合理规划轨道 路线，尽量避开居民集中居住区域[5]。其中在线路两侧安装声屏障已经成为公认 的有效方式之一，以降低轮轨噪声为主[6]。声屏障根据结构不同，可以分为直立 式声屏障、封闭式声屏障，后者包括了半封闭式、全封闭式声屏障（如图 1-1） 。 国内外已经对直立式声屏障进行了大量研究，但是对半封闭式、全封闭式声屏障 的相关研究则相对较少[7]。 封闭式（包括半封闭式、全封闭式）声屏障因其相对于传统的开放式（如直 立式、折壁式）声屏障有更好的隔声效果，随着人们对控制噪声污染的要求不断 提高，这类声屏障在城市轨道交通噪声控制中有更好的应用前景[8]。相对于一侧 敞开的半封闭式声屏障，全封闭式声屏障具有更好的隔声降噪效果，故对于降噪 有较高要求的区域，宜采用全封闭式声屏障。 万方数据 浙江工业大学硕士学位论文 2 全封闭式声屏障作为路基、桥面上起隔音作用的墙体构件，在其正常运营期 间会受到复杂的风荷载作用，根据声屏障结构技术标准[9]的规定，声屏障结 构设计时需要考虑声屏障结构的横风和列车风荷载的作用。 其中在计算横风荷载 时，需要确定声屏障的体型系数，但是声屏障结构技术标准中提供的桥梁声 屏障的体型系数 1.65 只适用于直立式声屏障， 建筑结构荷载规范[10]对于两端 开敞、 顶板开洞的结构也没有可供参考的体型。所以在分析全封闭式声屏障结构 上的横风荷载时， 直接采用规范建议的常规构件体型系数进行计算的做法是不恰 当的， 需要通过系统研究来确定全封闭式声屏障在横风作用下的风压分布和体型 系数。列车脉动风荷载一直都是声屏障所受风荷载的主要研究方向，当列车通过 声屏障时列车周围的风场和声屏障产生强烈的作用， 从而对声屏障造成较大的脉 动风压， 然而目前相关的研究主要是针对列车在敞开环境下通过直立式声屏障时 产生的列车风荷载， 而对列车在封闭环境下通过全封闭式声屏障结构的研究相对 较少， 所以也有必要对全封闭式声屏障结构的列车脉动风荷载进行研究，并确定 全封闭式声屏障正常工作时的控制荷载类型。 （a）直立式声屏障 （b）直立式声屏障 （c）半封闭式声屏障 （d）全封闭式式声屏障 图图 1-1 城市轨道交通城市轨道交通声屏障声屏障 Figure 1-1. noise barrier of urban rail transit 万方数据 全封闭式声屏障的气动特性研究 3 基于以上研究背景， 本文开展了城市轨道交通全封闭式声屏障的气动特性研 究。通过风