廣珠城際鐵路江門段高架軌道交通聲屏障CFD分析

常寧，黃尊地

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廣珠城際鐵路江門段高架軌道交通聲屏障CFD分析

常寧，黃尊地

（五邑大學 機電工程學院，廣東 江門 529020）

研究了列車在進出聲屏障時的氣動性能. 將計算流體動力學方法（CFD）應用于廣珠城際鐵路江門段的高架軌道交通聲屏障建設中，得出車頭經(jīng)過測點時產(chǎn)生的正負壓力峰值之比為0.64，車尾經(jīng)過時產(chǎn)生的正負壓力峰值之比為0.70. 分析的結果表明，擴建住宅區(qū)附近的聲屏障，對減小噪聲的影響很??；降低列車經(jīng)過時行駛的速度，降噪效果明顯. 聲屏障合理建設長度為住宅區(qū)范圍及其前后50 m的距離；通過高密度住宅區(qū)時，列車應降速通過.

計算流體動力學；高架軌道交通；聲屏障

中國目前已經(jīng)擁有全世界最大規(guī)模以及最高運營速度的高速鐵路網(wǎng). 我國中長期規(guī)劃建設的高速鐵路客運專線至2020年將達到7 530 km，再加上兩條快速通道，總里程將超過10 000 km[1]. 廣珠城際鐵路作為廣東省內(nèi)第一條城際鐵路，全程高架敷設，運行時速200 km/h. 其中，江門段沿程需要經(jīng)過多層建筑物和待開發(fā)的居民區(qū)，合理設計聲屏障，降低列車運行噪聲對鐵路沿線居民區(qū)的影響成為亟待解決的問題. 文獻[2]研究表明，江門段聲屏障設計可采用直立式，位置在高架軌道交通線路的最外側(cè)，高度為2.80 m，選用較好的隔音材料等.

建設成本是理論分析的一個重要考慮因素，在廣珠城際鐵路江門段聲屏障建設中，聲屏障建設長度是決定其建設成本的關鍵. 研究車體及聲屏障有實車實驗、風洞試驗、動模型試驗和數(shù)值計算等方法，其中數(shù)值計算方法具有耗時短、成本低、能直觀地反映流場特性等特點，與理論分析和實車試驗互相補充、互相促進[3-7].

計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）是通過計算機數(shù)值計算和圖像顯示，對含有流體流動和熱傳導等相關物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析[4]. CFD的基本思想是：把原時間域及空間域上連續(xù)的物理量的場，如速度場和壓力場，用一系列有限個離散點上的變量值的集合代替，通過一定的原則和方式建立起關于該離散點上場變量之間的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組以獲得場變量的近似值[4].

本文利用CFD技術，對廣珠城際鐵路運行的CRH1型列車進出聲屏障區(qū)域的氣動性能進行數(shù)值仿真，分析車頭及車尾對測點壓力波動的影響，及車速和聲屏障長度變化對測點數(shù)值的影響程度.

1 計算模型及算法

CRH1動車組由8節(jié)車編組，但受計算機硬件條件的限制，計算模型難以對8車編組進行數(shù)值模擬. 由于CRH1動車組中間車輛截面形狀不變[1,8]，當氣流流過車頭一定距離后，繞流邊界層的結構已趨于穩(wěn)定，列車氣動力變化也趨于穩(wěn)定，因此計算模型取3車編組，即頭車、中車和尾車，全長80.500 m，寬3.328 m，高4.040 m，簡化后的模型如圖1所示.

圖1 CRH1動車組模型圖

本文采用滑移網(wǎng)格技術研究列車在高架橋上通過時的三維、湍流、非定常特性. 滑移網(wǎng)格法是在移動區(qū)域中設定交換面和滑移體. 由于滑移體所經(jīng)過的區(qū)域不同，從而反映邊界的變化. 其具體實現(xiàn)過程如下：在采用滑移網(wǎng)格技術時，要定義兩個或兩個以上的單元區(qū)域. 滑移區(qū)域通過交換面來進行信息交換，交換面將會發(fā)生相互移動. 模擬列車和高架橋之間的相對運動過程中，當列車向前運動時，列車小空氣域和列車以同樣的速度向前運動，而其他區(qū)域靜止，靜止區(qū)域和運動區(qū)域之間的邊界定義為交換面，靜止區(qū)域和運動區(qū)域之間的信息交換通過交換面進行.

其中連續(xù)性方程為：

動量守恒方程為：

在直角坐標系中，動量守恒方程的微分形式可表示為：

控制方程與相應的初始條件、邊界條件的組合構成一個物理過程完整的數(shù)學描述，其中邊界條件是數(shù)值計算過程中控制方程有確定解的前提，是求解區(qū)域在邊界上所求解的變量的變化規(guī)律. 所以對邊界條件的處理，直接影響計算結果的精度. 列車外流場的數(shù)值模擬是在有限區(qū)域內(nèi)進行的，因此在區(qū)域邊界上需給定邊界條件. 確定邊界條件要求在數(shù)學上滿足適應性，且具有明顯的物理意義.

圖2 數(shù)值計算模型示意圖

2）大空氣域頂面、底面、左面及右面，即面ABNM、CDQP、ACPM及BDQN定義為WALL；

3）面ABDC定義為PRESSURE INLET，面MNQP定義為PRESSURE OUTLET；

4）聲屏障、高架橋定義為WALL；

5）面mnqp定義為PRESSURE INLET，面abdc定義為PRESSURE OUTLET；

6）車體部分與空氣域?qū)慕粨Q面都定義為INTERFACE；

7）三節(jié)車（頭車、中車和尾車）都定義為WALL.

2 測點壓力波形分析

車體外型截面鼓形所在的高度位置壓力波動最大[2]，后續(xù)的聲屏障研究著重考慮文獻[2]中的測點3. 測點3距離軌道中心5.00 m，高度1.57 m. 當聲屏障長度為400 m，車速為250 km/h時，測點3的壓力波形圖如圖3所示. 對于同一高度的監(jiān)測點，無論正壓還是負壓，車頭經(jīng)過時產(chǎn)生的壓力都大于車尾經(jīng)過時的壓力，數(shù)值計算的波形都較好地與實測結果相符[3].

圖3 測點3的壓力波動時間曲線

表1 不同車速下車頭及車尾經(jīng)過測點3產(chǎn)生的正負峰值比

由表1知，不同車速下，車頭經(jīng)過測點3時產(chǎn)生的正負峰值之比為0.64，車尾經(jīng)過測點3時產(chǎn)生的正負峰值之比為0.70. 當改變聲屏障的長度時，也得到了近似的結果.

3 聲屏障長度及車速對測點壓力波動的影響分析

正負峰值之差為壓力波動值，波動越大，產(chǎn)生的氣動噪聲也越大. 當改變聲屏障長度或者改變列車通過速度時，測點壓力波動值變化的曲線如圖4所示.

圖4 測點3壓力波動值變化曲線

當聲屏障長度由200 m擴建到300 m，測點3壓力波動值變化率為2.66%；聲屏障長度為300 m擴建到400 m時，測點3壓力波動值變化率僅為0.10%. 可見，無限擴建聲屏障的長度，實際降噪效果變化甚微，但建筑費用將大幅增長.

表1及圖4中，當廣珠城際鐵路列車運營車速為250 km/h時，壓力波動值比其他車速時高很多，相比250 km/h車速的壓力波動值，車速降為200 km/h后，測點3的壓力波動值降低了35.90%；車速降為160 km/h后，測點3的壓力波動值降低了58.9%，且測點壓力波動值與列車運行速度近似成2次方函數(shù)關系. 線路降低車速運營后，降噪效果明顯，以我國滬杭磁懸浮高速鐵路為例，由于噪聲過大，在上海和杭洲市域內(nèi)，列車只允許以200 km/h運行，住宅區(qū)密集地段還要降到160 km/h[5].

4 結論

在廣珠城際鐵路江門段的聲屏障建設過程中，基于CFD技術，對列車進出聲屏障時的氣動性能進行分析研究. 列車車頭和車尾經(jīng)過測點時會產(chǎn)生較大的壓力波動，車頭經(jīng)過時產(chǎn)生的壓力波動大于車尾經(jīng)過時的壓力波動，且車頭經(jīng)過測點時產(chǎn)生的正負峰值之比為0.64，車尾經(jīng)過測點時產(chǎn)生的正負峰值之比為0.70. 無論正壓還是負壓，數(shù)值計算的波形都較好地與實測結果相符. 同時，擴建聲屏障，建筑費用增加很高，但實際降噪效果甚微. 研究結果表明聲屏障的合理建設長度應為住宅區(qū)范圍及其前后50 m的距離；線路降低車速運營后，降噪效果很明顯. 所以線路通過高密度住宅區(qū)時，列車應降速通過，仿真結果與滬杭磁浮線運營情況保持了較高的一致性，可為江門高架軌道交通的聲屏障建設提供理論依據(jù).

[1] 王伯銘. 高速動車組總體及轉(zhuǎn)向架[M]. 成都: 西南交通大學出版社，2008.

[2] 常寧，黃尊地. 廣珠城際鐵路江門段的高架軌道交通聲屏障仿真[J]. 五邑大學學報：自然科學版，2013, 27(1): 38-41.

[3] 田紅旗. 列車空氣動力學[M]. 北京：中國鐵道出版社，2007.

[4] 王福軍. 計算流體動力學分析[M]. 北京：清華大學出版社，2004: 1-3.

[5] 黃莎. 高速列車車外氣動噪聲數(shù)值模擬研究[D]. 長沙：中南大學. 2009: 1-5.

[6] 劉紅光，陸森林，曾發(fā)林. 高速車輛氣流噪聲的試驗研究[J]. 中國公路學報，2005, 18(1): 113-121.

[7] 劉紅光，陸森林，曾發(fā)林. 高速車輛氣流噪聲計算方法[J]. 交通運輸工程學報，2002, 2(2): 41-44.

[8] 張曙光. CRH1型動車組[M]. 北京：中國鐵道出版社，2008.

[責任編輯：韋 韜]

Construction of Noise Barriers for the Section of Elevated Rail Transit System in Jiangmen Based on CFD Technology

CHANGNing, HUANGZun-di

(Department of Mechanical and Electrical Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

Aerodynamic forces of the train going in or out the noise barrier area is studied and the computational fluid dynamics (CFD) method is applied to the construction of a noise barrier for the Jiangmen elevated rail transit section of the Guangzhou-Zhuhai Intercity Railway. The measuring shows that the ratio of the peak positive and negative pressures is 0.64 when the locomotive is passing the measuring point and the ratio is 0.70 when the rear of the train is passing. Analysis results show that extending the sound barrier near a residential area is insignificant in reducing the noise level while reducing the speed of the train can significantly do so; the reasonable length of sound barriers for the elevated rail transit in Jiangmen is 50 m extending beyond a residential area at each end; the train should slow down when it passes through high-density residential areas.

computational fluid dynamics; elevated rail transit; noise barriers

1006-7302（2013）03-0068-06

U239.5

A

2013-03-12

五邑大學青年基金資助項目（201105261941321）

常寧（1984—），女，山西原平人，助教，碩士，主要從事軌道交通研究.