常宁，黄尊地



广珠城际铁路江门段高架轨道交通声屏障CFD分析

常宁，黄尊地

（五邑大学 机电工程学院，广东 江门 529020）

研究了列车在进出声屏障时的气动性能. 将计算流体动力学方法（CFD）应用于广珠城际铁路江门段的高架轨道交通声屏障建设中，得出车头经过测点时产生的正负压力峰值之比为0.64，车尾经过时产生的正负压力峰值之比为0.70. 分析的结果表明，扩建住宅区附近的声屏障，对减小噪声的影响很小；降低列车经过时行驶的速度，降噪效果明显. 声屏障合理建设长度为住宅区范围及其前后50 m的距离；通过高密度住宅区时，列车应降速通过.

计算流体动力学；高架轨道交通；声屏障

中国目前已经拥有全世界最大规模以及最高运营速度的高速铁路网. 我国中长期规划建设的高速铁路客运专线至2020年将达到7 530 km，再加上两条快速通道，总里程将超过10 000 km[1]. 广珠城际铁路作为广东省内第一条城际铁路，全程高架敷设，运行时速200 km/h. 其中，江门段沿程需要经过多层建筑物和待开发的居民区，合理设计声屏障，降低列车运行噪声对铁路沿线居民区的影响成为亟待解决的问题. 文献[2]研究表明，江门段声屏障设计可采用直立式，位置在高架轨道交通线路的最外侧，高度为2.80 m，选用较好的隔音材料等.

建设成本是理论分析的一个重要考虑因素，在广珠城际铁路江门段声屏障建设中，声屏障建设长度是决定其建设成本的关键. 研究车体及声屏障有实车实验、风洞试验、动模型试验和数值计算等方法，其中数值计算方法具有耗时短、成本低、能直观地反映流场特性等特点，与理论分析和实车试验互相补充、互相促进[3-7].

计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）是通过计算机数值计算和图像显示，对含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析[4]. CFD的基本思想是：把原时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合代替，通过一定的原则和方式建立起关于该离散点上场变量之间的代数方程组，然后求解代数方程组以获得场变量的近似值[4].

本文利用CFD技术，对广珠城际铁路运行的CRH1型列车进出声屏障区域的气动性能进行数值仿真，分析车头及车尾对测点压力波动的影响，及车速和声屏障长度变化对测点数值的影响程度.

1 计算模型及算法

CRH1动车组由8节车编组，但受计算机硬件条件的限制，计算模型难以对8车编组进行数值模拟. 由于CRH1动车组中间车辆截面形状不变[1,8]，当气流流过车头一定距离后，绕流边界层的结构已趋于稳定，列车气动力变化也趋于稳定，因此计算模型取3车编组，即头车、中车和尾车，全长80.500 m，宽3.328 m，高4.040 m，简化后的模型如图1所示.

图1 CRH1动车组模型图

本文采用滑移网格技术研究列车在高架桥上通过时的三维、湍流、非定常特性. 滑移网格法是在移动区域中设定交换面和滑移体. 由于滑移体所经过的区域不同，从而反映边界的变化. 其具体实现过程如下：在采用滑移网格技术时，要定义两个或两个以上的单元区域. 滑移区域通过交换面来进行信息交换，交换面将会发生相互移动. 模拟列车和高架桥之间的相对运动过程中，当列车向前运动时，列车小空气域和列车以同样的速度向前运动，而其他区域静止，静止区域和运动区域之间的边界定义为交换面，静止区域和运动区域之间的信息交换通过交换面进行.

其中连续性方程为：

动量守恒方程为：

在直角坐标系中，动量守恒方程的微分形式可表示为：

控制方程与相应的初始条件、边界条件的组合构成一个物理过程完整的数学描述，其中边界条件是数值计算过程中控制方程有确定解的前提，是求解区域在边界上所求解的变量的变化规律. 所以对边界条件的处理，直接影响计算结果的精度. 列车外流场的数值模拟是在有限区域内进行的，因此在区域边界上需给定边界条件. 确定边界条件要求在数学上满足适应性，且具有明显的物理意义.

图2 数值计算模型示意图

2）大空气域顶面、底面、左面及右面，即面ABNM、CDQP、ACPM及BDQN定义为WALL；

3）面ABDC定义为PRESSURE INLET，面MNQP定义为PRESSURE OUTLET；

4）声屏障、高架桥定义为WALL；

5）面mnqp定义为PRESSURE INLET，面abdc定义为PRESSURE OUTLET；

6）车体部分与空气域对应的交换面都定义为INTERFACE；

7）三节车（头车、中车和尾车）都定义为WALL.

2 测点压力波形分析

车体外型截面鼓形所在的高度位置压力波动最大[2]，后续的声屏障研究着重考虑文献[2]中的测点3. 测点3距离轨道中心5.00 m，高度1.57 m. 当声屏障长度为400 m，车速为250 km/h时，测点3的压力波形图如图3所示. 对于同一高度的监测点，无论正压还是负压，车头经过时产生的压力都大于车尾经过时的压力，数值计算的波形都较好地与实测结果相符[3].

图3 测点3的压力波动时间曲线

表1 不同车速下车头及车尾经过测点3产生的正负峰值比

由表1知，不同车速下，车头经过测点3时产生的正负峰值之比为0.64，车尾经过测点3时产生的正负峰值之比为0.70. 当改变声屏障的长度时，也得到了近似的结果.

3 声屏障长度及车速对测点压力波动的影响分析

正负峰值之差为压力波动值，波动越大，产生的气动噪声也越大. 当改变声屏障长度或者改变列车通过速度时，测点压力波动值变化的曲线如图4所示.

图4 测点3压力波动值变化曲线

当声屏障长度由200 m扩建到300 m，测点3压力波动值变化率为2.66%；声屏障长度为300 m扩建到400 m时，测点3压力波动值变化率仅为0.10%. 可见，无限扩建声屏障的长度，实际降噪效果变化甚微，但建筑费用将大幅增长.

表1及图4中，当广珠城际铁路列车运营车速为250 km/h时，压力波动值比其他车速时高很多，相比250 km/h车速的压力波动值，车速降为200 km/h后，测点3的压力波动值降低了35.90%；车速降为160 km/h后，测点3的压力波动值降低了58.9%，且测点压力波动值与列车运行速度近似成2次方函数关系. 线路降低车速运营后，降噪效果明显，以我国沪杭磁悬浮高速铁路为例，由于噪声过大，在上海和杭洲市域内，列车只允许以200 km/h运行，住宅区密集地段还要降到160 km/h[5].

4 结论

在广珠城际铁路江门段的声屏障建设过程中，基于CFD技术，对列车进出声屏障时的气动性能进行分析研究. 列车车头和车尾经过测点时会产生较大的压力波动，车头经过时产生的压力波动大于车尾经过时的压力波动，且车头经过测点时产生的正负峰值之比为0.64，车尾经过测点时产生的正负峰值之比为0.70. 无论正压还是负压，数值计算的波形都较好地与实测结果相符. 同时，扩建声屏障，建筑费用增加很高，但实际降噪效果甚微. 研究结果表明声屏障的合理建设长度应为住宅区范围及其前后50 m的距离；线路降低车速运营后，降噪效果很明显. 所以线路通过高密度住宅区时，列车应降速通过，仿真结果与沪杭磁浮线运营情况保持了较高的一致性，可为江门高架轨道交通的声屏障建设提供理论依据.

[1] 王伯铭. 高速动车组总体及转向架[M]. 成都: 西南交通大学出版社，2008.

[2] 常宁，黄尊地. 广珠城际铁路江门段的高架轨道交通声屏障仿真[J]. 五邑大学学报：自然科学版，2013, 27(1): 38-41.

[3] 田红旗. 列车空气动力学[M]. 北京：中国铁道出版社，2007.

[4] 王福军. 计算流体动力学分析[M]. 北京：清华大学出版社，2004: 1-3.

[5] 黄莎. 高速列车车外气动噪声数值模拟研究[D]. 长沙：中南大学. 2009: 1-5.

[6] 刘红光，陆森林，曾发林. 高速车辆气流噪声的试验研究[J]. 中国公路学报，2005, 18(1): 113-121.

[7] 刘红光，陆森林，曾发林. 高速车辆气流噪声计算方法[J]. 交通运输工程学报，2002, 2(2): 41-44.

[8] 张曙光. CRH1型动车组[M]. 北京：中国铁道出版社，2008.

[责任编辑：韦 韬]

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

五邑大学青年基金资助项目（201105261941321）

常宁（1984—），女，山西原平人，助教，硕士，主要从事轨道交通研究.