高速铁路声屏障气动力的数值模拟研究与试验验证

朱正清,成志强

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300142；2.西南交通大学力学与工程学院,成都 610031)

高速铁路在给人们生活带来便利,使物流更加快捷的同时,也引起噪声污染,并且噪声问题随速度提升而日趋严重[1-3]。为打造绿色铁路,具有吸声、隔声功能的声屏障被广泛应用于铁路沿线以降低噪声。国外研究经验表明：高速行驶的列车使列车周围的空气产生强烈扰动,当行驶的列车高速通过声屏障瞬间,这一扰动将会加剧,引起声屏障表面的空气压力发生突变,形成一种瞬态压力冲击,在几十毫秒之间相继出现正负压力峰值,这一瞬态压力冲击即为列车驶过声屏障时产生的气动力；气动力的大小与速度的平方、列车流线形状、轨道边建筑物的高度、建筑物离轨道的距离有关[4-7]。德国在纽伦堡—英戈斯塔特的测试试验结果表明,高速列车驶过声屏障时的压力波表现出明显的“头波”和“尾波”特性[8],如图1所示,即列车车鼻进入声屏障时,声屏障近轨迎风面先承受正压,再承受负压；尾部进入声屏障时则相反,先承受负压,再承受正压。德国的测试获得了声屏障关键点的压力时程曲线,但由于测点较少,无法得到声屏障迎风面压力场的分布。声屏障的受力状态与声屏障表面压力场的分布直接相关,气动力可导致声屏障结构的瞬时应力过大或疲劳破坏,国外已有一些失败的工程案例[9-10]。为了分析列车高速通过声屏障时其结构的安全性,本文采用数值模拟与现场测试试验相结合的方法探索声屏障压力场的特性,以测试结果验证模拟方法的有效性,采用数值模拟弥补现场测试工况条件的限制,为高速铁路声屏障的设计提供依据。……