不同形式声屏障动态特性研究

    0 前言

    随着列车速度的提高，铁路沿线区域面临着更为严重的噪声污染问题。在城市主要快速通道旁建立声屏障结构[1]，不仅对改善城市交通应用条件、促进该地区的经济发展起到重要作用，而且能有效地控制噪声污染，给城市建设一个绿色空间。声屏障的结构安全是其技术和应用过程中一个重要课题。

    声屏障的结构安全性研究主要集中在声屏障的动态性能上。HERMANNS 等[2]采用边界元法研究了高速列车等速交会和不等速交会问题的空气动力学特性，给出了压力波曲线和整车气动力的时程曲线。KATSUHIRO 等[3]采用 FDS 方法离散整个计算区域，得到了列车交会压力波。郑史雄等[4]研究了声屏障的风荷载体形系数。伍志英[5]通过FLUENT 计算分析了车速、声屏障高度、声屏障到轨道中心线距离等因素对声屏障上风压大小的影响，并得到声屏障上最大等效风压的经验公式。焦长洲等[6]基于 ANSYS 建立了集中质量模型，研究了声屏障长度与高度以及基础刚度对声屏障基频的影响。赵丽滨等[7]计算了有伸缩缝、透明板隔声板的声屏障的模态，并计算了空气脉动风压、自然风压、重力作用下声屏障的瞬态响应。BELLOLI 等[8]运用现场测试、风洞试验和数值模拟三种途径得到了脉动风压值。

    试验发现，当列车时速在 200 km/h 时，列车的脉动载荷对声屏障几乎没有影响，而时速超过 250km/h 时，列车脉动载荷的作用使声屏障振动明显。当高速列车通过声屏障时，列车与声屏障之间的气流会发生相互作用，诱发一系列空气动力学效应，较出的问题就是列车行车阻力增大，在声屏障内部形成很大的瞬变的空气脉动压力，从而导致声屏障结构的破坏，国外己有一些失败的工程案例[9]。所以为了确保列车高速通过时声屏障能发挥其应有的效应，不仅需要声屏障结构具有良好的吸音降噪性能，还需要声屏障满足一定的结构动力学性能。

    1 数值分析模型

    1.1 CFD 计算模型

    真实的列车长细比很大，列车底部和外表面细部特征复杂，且列车所处轨道结构外形也比较复杂。在保证列车整体气动特性不变的情况下，数值建模对车底、车顶结构、门窗和把手等进行适当的简化。研究表明[10]，3 车编组列车通过时的气动特性与 8车编组、16 车编组列车通过时的气动特性以及脉动风压峰值相同，所以本文列车计算模型采用 3 车编组方式，车间连接处采用风挡结构，图 1 为 A 高速列车(简称 A 车)的简化模型，计算模型总长为 77.5m，头车尾车长度为 26.25 m，中间车长度为 25 m。B 车模型总长为 76 m，头车尾车长度为 25.5 m，中间车长度为 25 m，车头横截面最大宽度远远大于 A车车头横截面最大宽度。图 2 为 4 种不同头部结构的声屏障。