高速铁路声屏障脉动力数值模拟研究

    为实现绿色铁路目标，在我国高速铁路沿线设置了大量声屏障来降低噪声污染。列车驶过声屏障所引起的脉动风压，会造成声屏障发生螺栓松动、断裂及声屏障组件板破坏的现象。空气受到压缩产生的强烈脉动风压对声屏障的结构设计提出了新要求。脉动风压的确定是高速铁路声屏障设计的关键，应对列车所致空气脉动风压的变化规律进行研究，并在设计中考虑声屏障结构的动力特性，以确保声屏障工程安全可靠［1］。

    国外有关高速铁路声屏障气动力的研究主要在德国，德国铁路部门对声屏障变形原因进行了深入分析，对声屏障的气动力进行了计算和现场试验，在此基础上研发了新的声屏障单元。国内，西南交通大学郑史雄等［2］研究分析了桥梁上、路基上声屏障的风荷载体型系数，并进行了分析对比; 东南大学张继文等［3］对高速列车通过时作用在有防撞墙铁路桥梁声屏障和箱梁翼缘板上的脉动力分布进行了数值分析; 北京航天航空大学龙丽平等［4］对列车经过声屏障整个过程进行了仿真分析。本文采用计算流体动力学( CFD) 软件，建立高速列车通过声屏障时的空气动力学模型，并结合现场试验，研究不同列车高速通过带有防撞墙桥梁时声屏障水平向的脉动风压分布规律。

    1 模型建立

    1. 1 模拟方法

    计算流体动力学的控制方程主要有质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。本文采用大涡模拟法( LES) 进行计算，该方法只对尺度大的涡运动通过数值方法求解 N-S 方程，对尺度小的涡运动不直接求解，而是通过建立模型模拟小涡运动对大涡的影响。

    列车高速运动的计算过程属于大区域变形，对于大区域变形运动，本文采用 CFD 的滑移网格技术。在列车运行的过程中，必须根据列车的运动，不断调整网格，在每一时间步，需要及时提供信息，使用滑移网格来适应列车运动的物面。因此将计算域分为 6 部分:车体、车前部分、车后部分、声屏障部分、桥梁部分和桥梁延伸部分。

    计算时空气常态下密度取1. 185 kg/m³，热膨胀系数为0. 003 356/℃，比热容为1. 004 4 ×10³J / ( kg·K) 。

    1. 2 车体模型

    本次计算采用 3 种车体模型，分别为长车头长车体( 车头长 12 m，车体长 200 m) 、短车头长车体( 车头长 6 m，车体长 200 m) 、长车头短车体( 车头长 12 m，车体长 100 m) ，主体尺寸采用 CRH2 车型尺寸，在不改变列车横截面面积、车头纵向长度的情况下，对车头形状、受电弓等进行简化。带防撞墙桥梁声屏障距轨道高度为 2. 15 m，板厚175 mm，板宽2 m，总体为矩形平板结构，型钢立柱连接，总长为 200 m。桥梁模型选择桥墩顶部宽度为 8 m，间距 32 m，厚度为 2. 5 m。计算区域取 4 ～6 倍的扩散外围，总体模型如图 1 所示。