高速公路聲屏障降噪有限元仿真研究

郝 龍， 林 倩， 宋迎前， 張立強(qiáng)

（1.江蘇金陽(yáng)交通工程有限公司總經(jīng)辦，江蘇 鹽城 224700； 2.安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032）

引 言

高速公路在推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著不可替代的作用［1］，當(dāng)今高速公路面臨的環(huán)境問(wèn)題主要分為垃圾污染以及噪音污染。噪音污染作為高速公路面臨的環(huán)境問(wèn)題之一，影響人們的正常學(xué)習(xí)、工作以及休息；當(dāng)噪音污染嚴(yán)重時(shí)，甚至?xí)：θ藗兊纳眢w健康。某市某段高速公路作為干線公路的重要組成部分，該高速公路交通量較運(yùn)營(yíng)初期大幅度增長(zhǎng)，導(dǎo)致公路兩側(cè)交通噪聲呈不斷上升趨勢(shì)，存在交通噪聲對(duì)兩側(cè)敏感點(diǎn)影響的環(huán)境問(wèn)題。早在20世紀(jì)60年代，日本等國(guó)就對(duì)交通噪聲防治進(jìn)行了大量研究及工程應(yīng)用［2］。此后的數(shù)十年時(shí)間里，聲屏障降噪技術(shù)得到了極大的發(fā)展與應(yīng)用。截至20世紀(jì)90年代末，日本的城市高速公路聲屏障覆蓋率達(dá)到90%以上，聲屏障形式與材料結(jié)構(gòu)推陳出新，交通噪聲防治效果顯著［3］。

目前Fluent流體力學(xué)計(jì)算軟件作為一種使用最廣泛的數(shù)值模擬計(jì)算軟件，潘忠等［4］運(yùn)用Fluent軟件對(duì)高速列車外流場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，結(jié)合Fluent軟件中的寬頻噪聲模型分析了高速列車表面噪聲源分布；張軍等［5］建立高速列車整車三維繞流流動(dòng)的數(shù)值計(jì)算模型，用Fluent軟件計(jì)算不同速度的外部穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)，基于穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)結(jié)果，使用寬頻帶噪聲源模型計(jì)算車身表面氣動(dòng)噪聲源，得到車體表面聲功率級(jí)分布；劉悅衛(wèi)等［6］以高速列車為研究對(duì)象，基于大渦模擬，結(jié)合Fluent聲學(xué)模塊，計(jì)算出高速列車表面的脈動(dòng)壓力來(lái)研究車輛表面的脈動(dòng)壓力對(duì)控制車輛氣流噪聲；劉加利等［7］以高速列車為研究對(duì)象，基于大渦模擬，結(jié)合Fluent聲學(xué)模塊，計(jì)算出高速列車表面的脈動(dòng)壓力；并通過(guò)快速傅里葉變換將高速列車表面脈動(dòng)壓力從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域，從而得到高速列車脈動(dòng)壓力頻譜圖，通過(guò)分析頻譜圖，可以得到高速列車脈動(dòng)壓力的能量集中范圍以及車身曲率對(duì)氣流噪聲的影響等一些重要特性；紀(jì)偉等［8］建立用于數(shù)值計(jì)算的簡(jiǎn)化的車輛-橋梁模型，基于寬頻帶噪聲源法和聲類比理論，利用Fluent軟件分別研究了列車在高架橋上高速行駛時(shí)的近場(chǎng)氣動(dòng)噪聲的聲源強(qiáng)度特性和遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)噪聲的空間分布特性；武頻等［9］針對(duì)帶空氣動(dòng)力制動(dòng)裝置高速列車氣動(dòng)噪聲問(wèn)題，采用納維斯托克斯方程、基于標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型模擬高速列車外流場(chǎng)，利用Lighthill-Curler聲學(xué)比擬理論預(yù)測(cè)高速列車空氣動(dòng)力制動(dòng)裝置誘發(fā)的氣動(dòng)噪聲； Zhou等［10］利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）分析了80 km/h的柔性輻條輪胎的表面壓力系數(shù)特性，驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果并分別采用大渦模擬（LES）和威廉姆斯-霍金斯（FW-H）方法確定瞬態(tài)低場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)空氣動(dòng)噪聲； Hua等［11］基于Lighthill聲學(xué)理論，采用三維大渦模擬（LES）和FW-H聲學(xué)模型對(duì)某汽車交流發(fā)電機(jī)的氣動(dòng)噪聲進(jìn)行了模擬。本文通過(guò)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研以及設(shè)計(jì)出不同孔型的聲屏障并對(duì)各方案利用Fluent中湍流模型計(jì)算穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)，再根據(jù)穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，利用Broadband噪聲模型進(jìn)行高速公路汽車氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬計(jì)算，提高聲屏障的聲學(xué)效果以及壽命，設(shè)計(jì)出符合該市高速公路工程概況的聲屏障，達(dá)到降噪效果，符合降噪指標(biāo)。

1 聲屏障仿真理論及工程概況

1．1 基本理論

氣動(dòng)噪聲是氣體流過(guò)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)在流體中運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲，氣動(dòng)噪聲的產(chǎn)生、傳播及其與結(jié)構(gòu)的相互作用已發(fā)展成為流體力學(xué)中的分支學(xué)科-氣動(dòng)聲學(xué)［5］。根據(jù)Lighthill聲學(xué)理論知識(shí)可知，氣動(dòng)噪聲主要由單極子、偶極子和四極子這三種聲源組成。單極子聲源產(chǎn)生的原因是因?yàn)闅饬黧w積的變化；偶極子聲源產(chǎn)生的原因是車身表面和流體相互的作用，致使氣流擾動(dòng)分離；四極子聲源產(chǎn)生的原因是因?yàn)檐嚿碇車諝怏w積的應(yīng)力張量的變化［6］。因此，高速公路汽車氣動(dòng)噪聲主要屬于偶極子聲源。本文主要通過(guò)Fluent流體力學(xué)計(jì)算軟件中標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型計(jì)算穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)，再基于穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，采用Broadband噪聲模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

本文中穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型，其控制方程為［7］：

式中ρ為汽車車身周圍流場(chǎng)的空氣密度；ui，uj為汽車車身周圍流場(chǎng)的空氣速度分量；xi，xj為直角坐標(biāo)分量；k表示湍流動(dòng)能；ε表示湍流耗散率；μt表示湍流黏性系數(shù)；Cμ為湍流常數(shù)，通常取Cμ=0.09；C1，C2，σk，σε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，通常取C1=1.47，C2=1.92，σk=1，σε=1.33。

1．2 工程概況

某市某段高速公路全長(zhǎng)42.3 km，該條高速公路是干線公路的重要組成部分。近年來(lái)，該路現(xiàn)狀交通量同營(yíng)運(yùn)初期相比有了大幅度的增長(zhǎng)，導(dǎo)致公路兩側(cè)交通噪聲呈不斷上升趨勢(shì)，交通噪聲對(duì)兩側(cè)敏感點(diǎn)的影響成為該高速公路目前營(yíng)運(yùn)期最突出的環(huán)境問(wèn)題。根據(jù)《聲屏障聲學(xué)設(shè)計(jì)和測(cè)量規(guī)范》要求測(cè)算出該路段聲屏障距離地面最佳高度為4.0 m，單塊聲屏障高度為0.5 m，長(zhǎng)度為1.96 m，聲屏障總長(zhǎng)度為510 m。

2 聲屏障優(yōu)化設(shè)計(jì)與計(jì)算

2．1 模型建立與優(yōu)化方案

按照《聲環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3096—2008）的有關(guān)規(guī)定對(duì)敏感點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)噪聲監(jiān)測(cè)，噪音超標(biāo)嚴(yán)重。根據(jù)某市某段高速公路工程概況以及現(xiàn)場(chǎng)超標(biāo)情況測(cè)算出的聲屏障距離地面最佳高度為4.0 m，單塊聲屏障高度為0.5 m，長(zhǎng)度為1.96 m。本文中高速公路聲屏障模型計(jì)算域長(zhǎng)、寬、高分別為40，8，4.5 m，汽車與聲屏障距離為2.5 m，聲屏障模型計(jì)算域示意圖如圖1所示。

圖 1 聲屏障模型計(jì)算域示意圖（單位： m）

在聲屏障長(zhǎng)度與高度確定的基礎(chǔ)條件下對(duì)聲屏障的孔型結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出了三種聲屏障孔型結(jié)構(gòu)，聲屏障優(yōu)化設(shè)計(jì)方案如表2所示。

表 1 聲屏障優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

各聲屏障優(yōu)化方案孔型結(jié)構(gòu)具體尺寸如圖2所示。

圖2 各優(yōu)化方案孔型結(jié)構(gòu)示意圖（單位： mm）

2．2 模型邊界條件

本文通過(guò)Fluent流體力學(xué)計(jì)算軟件對(duì)高速公路聲屏障進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)計(jì)算，再基于穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，采用Broadband噪聲模型進(jìn)行高速公路汽車氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬計(jì)算。高速公路聲屏障模型計(jì)算域入口設(shè)置為速度入口，速度為120 km/h（33.3 m/s）；出口設(shè)置為壓力出口，并設(shè)置為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為101325 Pa。湍流計(jì)算時(shí)選擇標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型，Materials選擇air，壓力與速度耦合的方式選擇Simple算法，模型初始化選擇Hybrid Initialization，模型計(jì)算迭代次數(shù)為105。穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)束之后選擇Acoustics（Broadband）模型進(jìn)行氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬計(jì)算。

3 仿真結(jié)果分析

根據(jù)表 1聲屏障優(yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行建模設(shè)計(jì)，通過(guò)Fluent流體力學(xué)軟件分別對(duì)未設(shè)置聲屏障（方案0）以及聲屏障優(yōu)化設(shè)計(jì)方案1，2和3進(jìn)行氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬計(jì)算。根據(jù)4a類聲環(huán)境功能區(qū)劃分-相鄰區(qū)域?yàn)?類聲環(huán)境功能區(qū)，距離為20 m±5 m，分別在距離聲屏障5，10，15，20，25，30 m的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行噪音監(jiān)測(cè)。各聲屏障優(yōu)化方案氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果壓力云圖如圖3所示。

其中，圖3（a）為方案0未設(shè)置聲屏障時(shí)氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬結(jié)果壓力云圖，從圖中可以看出在未設(shè)置聲屏障時(shí)，汽車高速行駛時(shí)，車身與空氣發(fā)生明顯的相互作用，使得車身周圍的氣流流動(dòng)極不平穩(wěn)，氣流的分離形成了復(fù)雜的渦流流動(dòng)。在這種渦流的影響下，車身表面上的脈動(dòng)壓力發(fā)生劇烈變化，形成了氣動(dòng)噪聲。圖3（b）為方案1圓形孔型結(jié)構(gòu)聲屏障數(shù)值模擬結(jié)果壓力云圖，與方案0相比，脈動(dòng)壓力明顯有所減小。圖3（c）為方案2百葉型孔型結(jié)構(gòu)聲屏障數(shù)值模擬結(jié)果壓力云圖，脈動(dòng)壓力隨距離呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。圖3（d）為菱形孔型結(jié)構(gòu)聲屏障數(shù)值模擬結(jié)果壓力云圖，氣流繞流的速度逐步加快，壓力減小，出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)。

根據(jù)聲壓與聲壓級(jí)計(jì)算公式計(jì)算可得各方案噪音監(jiān)測(cè)點(diǎn)噪音數(shù)據(jù)。計(jì)算公式為：

式中LP表示聲壓級(jí)（dB）；P表示聲壓（Pa）；P0表示基準(zhǔn)聲壓，為2×10-5Pa。

通過(guò)Origin軟件對(duì)各聲屏障優(yōu)化方案噪音監(jiān)測(cè)點(diǎn)噪音數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出在噪音監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離為5 m和10 m時(shí)，方案1圓形孔型結(jié)構(gòu)聲屏障與方案2百葉型孔型結(jié)構(gòu)聲屏障噪音分貝值差距不明顯；在噪音監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離為15 m時(shí)，方案2百葉型孔型結(jié)構(gòu)噪音分貝值較方案0（未設(shè)置聲屏障）大幅度降低；在噪音監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離為30 m時(shí)，方案3菱形孔型結(jié)構(gòu)聲屏障噪音分貝值低于55 dB，符合環(huán)境噪聲限值-聲環(huán)境功能區(qū)類別4a（高速公路）類：晝間分貝值≤70 dB，夜間分貝值≤55 dB；各聲屏障優(yōu)化方案較方案0（未設(shè)置聲屏障）分貝值在一定程度上都呈降低趨勢(shì)；方案3菱形孔型較方案2百葉型孔型聲屏障降低噪音的功能更為明顯。綜上，方案3菱形孔型結(jié)構(gòu)為最優(yōu)聲屏障設(shè)計(jì)方案。

圖4 各方案監(jiān)測(cè)點(diǎn)噪音數(shù)據(jù)分析圖

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)某市某段高速公路工程概況對(duì)聲屏障進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)Fluent流體力學(xué)軟件對(duì)各個(gè)方案聲屏障氣流噪聲進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果系統(tǒng)分析，結(jié)論如下。

1） 某段高速公路未設(shè)置聲屏障時(shí)，噪音超標(biāo)嚴(yán)重，交通噪音擾民相當(dāng)嚴(yán)重；

2） 在聲屏障高度與長(zhǎng)度確定的情況下，設(shè)計(jì)了三種孔型結(jié)構(gòu)的聲屏障進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得出方案3菱形孔型結(jié)構(gòu)為最優(yōu)聲屏障優(yōu)化設(shè)計(jì)方案；

3） 方案3菱形孔型結(jié)構(gòu)聲屏障較未設(shè)置聲屏障在監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離聲屏障30 m時(shí)，最高降低19.17 dB，平均降噪11.26 dB，符合4a類聲環(huán)境功能區(qū)劃分噪聲限值，降噪功能較其他優(yōu)化方案最為明顯。