（载运工具运用工程专业论文）高速列车车外气动噪声数值模拟研究.pdf

摘要 随着列车运行速度的提高，铁路噪声污染也急剧增加，过大的噪 声将严重影响乘客和轨道沿线人们的生理、心理和正常生活，还可能 引起周围有关设备和周边建筑物的疲劳损坏，缩短使用寿命，因此高 速列车的噪声问题成为高速铁路发展过程中亟待解决研究的重要课 题之一。本文基于l i 曲t h i l l 声学理论，采用三维、l e s 大涡模拟法和 f w 二h 声学类比对高速列车不同部位车外气动噪声进行数值模拟，并 提出了降噪改进意见。 高速列车车外气动噪声由表面脉动压力造成，且在很宽的带频内 存在，无明显的主频率，是一种宽频噪声，气动噪声在低频部分能量 较大，高频部分能量较小。随着列车运行速度的提高，车外气动噪声 声压波动幅值和总声压级增大。 车头曲线曲率对于其表面脉动压力和压力梯度影响显著，改善曲 面形状，设计流线型车头，并尽量避免曲面曲率变化过大，能有效的 降低高速列车头车气动噪声。转向架部位设置裙板后，车外声压级幅 值较无裙板时有所减小，运行速度为2 0 0 k 舳时，平均降幅达到5 ； 运行速度为3 0 0 酬h 时，平均降幅约为8 ；适当增加裙板面积后， 降噪效果更明显。车辆连接部位气动噪声随着凹槽长度尺寸和高度尺 寸的增大而增大；设置风挡后，车辆连接部位声压级幅值有所减小， 运行速度为2 0 0 l ( i i 沛时，平均降幅达到4 0 ；运行速度为3 0 0 k n 讹 时，平均降幅约为4 5 ；当采用全风挡方案后，能够有效避免气流 在凹槽内剧烈扰动，使车辆连接部位气动噪声进一步减小。 以上对高速列车车外气动噪声的数值模拟研究为低噪高速列车 的设计奠定了基础。 关键词高速列车，气动噪声，声压级，降噪 a b s t r a c t w i t ht h er a p i di n c r e a s eo ft i a i ns p e e d ，i a i l w a yn o i s ep o l l u t i o nh a s i n c r e a s e d d r a m a t i c a l l y e x c e s s i v en o i s ew i l ln o t o n l y a f r e c tt h e p h y s i o l o g y ；p s y c h o l o g y ；a n dn o n n a ll i f eo fp a s s e n g e i sa n dp e o p l ea l o n g t h er a i l w a ys e r i o u s l y ，b u ta l s oc a u s ef a t i g u ed a m a g et ot h ee q u i p m e n t s a n ds u n o u n d i n gb u i l d i n g s t h e r e f o r e ，h i g h - s p e e dt r a i nn o i s ei s s u eh a s b e c o m ea ni m p o r t a n tt o p i ct os o l v ei nh i 曲一s p e e dr a i l d e v e l o p m e n t p r o c e s s b a s e do n l i g h t h i l l a c o u s t i ct h e o r y t h r e e d i m e n s i o n a l ， l e s s i m u l a t i o na n df w 二ha c o u s t i ca n a l o g yw e r ea d o p t e dt os i m u l a t et h e a e r o d y n a m i cn o i s eo fd i f 蕾引? e n tp a r t s o fh i g h - s p e e dt r a i na n dn o i s e r e d u c t i o na d v i c e sw e r ep r o p o s e d a e r o d y n a m i cn o i s eo u t s i d eh i g h - s p e e dt r a i ni sc a u s e db ys u r f a c e n u c t u a t i n gp r e s s u r e ，i ti sab r o a d b a n dn o i s ei naw i d e - b a n df 沁q u e n c y ， h a v i n gn os i g n m c a n tm a i nf r e q u e n c y t h ee n e 玛yo fa e r o d y n a m i cn o i s ei s h i g h e ri nl o wf r e q u e n c yp a r tt h a nh i g hf r e q u e n c yp a r t w i t ht h ei n c r e a s e o ft r a i ns p e e d ，t h ea c o u s t i cp r e s s u r el e v e la m p l i t u d ea n dt o t a la c o u s t i c p r e s s u r el e v e li n c r e a s e t h ec u r v a t u r eo ft r a i nh e a ds u 墒c eh a ss i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo ni t s s u r f a c en u c t u a t i n gp r e s s u r ea n dp r e s s u r eg r a d i e n t ，t h eh e a dd e s i g no f s t r e a m l i n es h a p ec a na v o i dt h es h a 印t r a n s i t i o no ft h es u r f a c ec u r v a t u r e ， d e c r e a s i n gt h ea e r o d y n a m i cn o i s eo fh i g h s p e e dt r a i nh e a de f 诧c t i v e l y 1 w m e na d d i n ga p i o n st ot h eb o g i es i t e s ，t h ea c o u s t i cp r e s s u r el e v e lo u t s i d e t h et r a i ni ss m a l lc o m p a r i n gt ot h ec o n d i t i o no fn 0 印r o n s ，t h ea v e r a g e r e d u c t i o np r o p o n i o ni sa b o u t5 a ts p e e do f2 0 0 k “h ，r e a c h i n g8 a t s p e e do f3 0 0 k m 1 1 ；i n c r e a s i n gt h e 印r o na r e aa p p r o p r i a t e l ym a k e sn o i s e r e d u c t i o nm o r ee 矗b c t i v e l y t h ea e r o d y n a m i cn o i s eo ft r 面nc o n n e c t o r i n c r e a s e sa si t sl e n g t ha n dh e i g h ti n c r e a s e a r e rw i n d s h i e l db e e na d d e dt 0 t h ec o n n e c t o rp a n ，m ea c o u s t i cp r e s s u r el e v e la m p l i t l l d ed e c r e a s e s ，t h e a v e r a g er e d u c t i o np r o p o r t i o ni sa b o u t4 a ts p e e do f2 0 0 k m m ，r e a c h i n g 4 5 a ts p e e do f3 0 0 k _ 皿l l ；f u l lw i n d s h i e l dp r o g r a mc a np r e v e n ta i r n o w f 两ms e v e r ed i s m r b a n c ei n s i d et h eg r o o v ee f r e c t i v e l yt o 向n h e rr e d u c e a e r o d y n a m i cn o i s eo ft r a i nc o n n e c tp a r t a 1 1t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s e a r c hr e s u l t so fh i g h - s p e e dt r a i n a e r o d y n a m i cn o i s ed i s c u s s e da b o v el a y af o u n d a t i o nf o rd e s i g no f l o w - n o i s eh i g h - s p e e dt r a i n k e yw o r d s h i g h - s p e e dt r a i n ，a e r o d y n a m i cn o i s e ，a c o u s t i cp r e s s u r e l e v e l n o i s er e d u c t i o n h i 硕：j ：学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 高速列车气动噪声研究背景与意义 高速是交通运输现代化的重要标志。高速铁路由于速度高、运能大、能耗低、 污染轻、占地少和安全性好等诸多技术经济优势，受到世界各国的普遍重视。但 随着列车运行速度的提高，列车噪声污染也急剧增加。所以，高速列车的噪声问 题是高速铁路发展过程中亟待解决研究的重要课题之一。 当今世界高速铁路迅速发展，一些技术先进国家的列车最高运行速度已超过 4 0 0 k n 油。近年来，随着我国铁路快速发展计划实施，经过6 次大规模的提速， 京九、京广、胶济等主要铁路干线实现了2 0 0 l ( n 怕的运营速度，部分区段达到了 2 5 0 l ( 1 1 1 1 1 。2 0 0 8 年8 月京津城际铁路丌通运营，列车运行速度达到3 0 0 l ( i i 沛，速 度3 5 0 h 胁的国产动车组也已下线。同时，铁道部组织北京铁路局预引进新一代 运营时速3 5 0 k m h 高速动车组并于2 0 1 1 年用于京沪高速。我国高速铁路已进入 一个全面发展的新阶段，然而随着列车运行速度的提高，铁路噪声污染也急剧增 加，过大的噪声将严重影响乘客和轨道沿线人们的生理、心理和f 常生活，还可 能引起周围有关设备和周边建筑物的疲劳损坏，缩短使用寿命。沈志云院士指出： 高速列车动态环境变为以气动作用为主以后，带来的最大变化和限制莫过于噪 声，噪声影响环境，环境污染超标，一票否测1 1 。同本新设计的s 2 5 0 0 系高速列 车，设计和试验速度均达到3 5 0 l ( i i 沛，但受噪声限值，只容许以3 0 0 l ( i 】讹的速度 运行。国家发改委批准立项的沪杭磁浮高速线，采用德国常导磁浮列车，最高运 行速度为4 3 0 h 汕，但从噪声考虑，在上海和杭州市域以内，只允许以2 0 0 l ( i 】：讹 运行，困难地段要降到1 6 蛐。因此，噪声污染成了制约高速铁路发展的一个 瓶颈，控制高速铁路噪声也就自然成了实现铁路可持续发展的必然要求。 根据国内外铁路噪声理论研究和试验测试可知铁路噪声主要由牵引噪声、轮 轨噪声和空气动力噪声等组成【2 弓】。按照牵引噪声、轮轨噪声和空气动力噪声占 主导所对应的列车行驶速度称之为声学转换速度( 图1 1 中的v t l 和比) 。列车的 转换速度不是固定不变的，它与列车和轨道的状态，所采取的减振降噪措施有关。 如当轮轨噪声得到较好的控制后，临界转换速度v t l 将会更高而将会降低。从 图中可以看出，当列车高速运行时，空气动力噪声逐渐趋向主导地位【4 】。 硕上学位论文 第一章绪论 1 2 0 1 1 0 吝l 勺 蕞 8 0 7 0 1 02 5 5 01 0 0 2 5 0 5 0 0 速度( k m h 一1 ) 图1 1 列车噪声源及速度分区 轮轨噪声是轮轨系统相互激励的一种响应，包括轮轨滚动噪声、轮轨冲击噪 声和尖啸噪声。r e m i n 酉o n 是对轮轨噪声研究较早的学者之一，他从轮轨相互作 用角度出发，对轮轨滚动噪声的产生机理做出全面的阐释，简述了轮轨滚动噪声 预测模型【5 罐】。随后，n o m p s o n 指出轮轨相互作用引起了车轮和钢轨的振动，而 钢轨通过轮轨下胶垫( 扣件) 将振动传给轨枕，从而在新的模型中考虑了轨枕的 噪声辐射使得钢轨的高频成分得以更真实的反映【9 ”】。在欧洲铁路研究委员会的 领导下，相关研究人员开发出了一个t w i n s 的轮轨滚动噪声预测软件，成为欧 洲预测轮轨噪声水平、指导新车新线的低噪声设计以及既有线路降噪改造的主要 理论工具。我国在铁路轮轨噪声的研究中也涌现出众多的科研成剿1 4 - i9 1 。徐志胜 运用车辆耦合动力学理论、噪声辐射与传播理论建立了轮轨噪声预测模型，编 写了用于轮轨噪声预测软件s t t i n ，实现了轮轨噪声的计算机预测与评价f 1 4 j 5 1 。 刘林芽在r e m i n 咖n 给出的模型基础上，建立了一个较为系统的轮轨高频振动模 型，并对我国既有线路轮轨噪声进行预测，为我国既有线路降噪改造的研究奠定 了基础l 。 空气动力噪声主要产生于列车表面装置和特殊结构的特定位置，其产生要素 涉及列车外形、受电弓与导流罩、车辆连接处、通风格栅、转向架以及其他凹凸 不平等诸多方面。现有研究结论表明，不同位置的气动噪声，其产生机理也不相 同，大致可归纳为由于湍流流动产生的噪声以及气流流经结构部件表面产生的噪 声【2 啦5 1 。 湍流流动产生的气动噪声来源包括车身表面。对于3 0 0 h 沛的列车运行速 2 硕l ：学位论文 第一章绪论 度，它是所有气动噪声中较低的，对总的车外辐射噪声影响较小，但也是最难以 抑制的。而且随着列车速度的进步提高，列车表面湍流流动产生的气动噪声会 越来越显著甚至起主导作用。另外，车身表面湍流流动会对车外形成波动载荷， 使其强迫振动，进而使车身结构产生振动声辐射，对车内噪声产生较大的影响。 当高速列车行驶时，在车身及外形变化较剧烈的部位，会产生复杂的分离流动， 从而产生强大的空气脉动压力场，进而形成噪声，其噪声频谱呈连续分布特性。 列车尾流不单对列车安全和周围环境带来不利影响，还会产生尾流气动噪声，高 速列车尾流气动噪声相对其他气动噪声源所产生的不利影响要小，但作为高速列 车气动噪声来源之一，须在设计阶段给予相应的重视。 气流流经结构部件表面产生气动噪声的来源包括：受电弓、车辆连接处、车 顶百叶窗、转向架等。构成受电弓的各种杆件引起非定常气流，漩涡周期性的从 杆件表面脱落时会对周围气流产生一定的影响，其进程具有波动性，从而产生气 动噪声；高速列车转向架处结构复杂会产生较明显的气动噪声，尤其是在车头前 转向架部位。 经过铁路研究人员多年的努力，在降低轮轨噪声方面通过对车轮和钢轨的阻 尼处理或动力吸振原理降低的方法取得了较为显著的成果，因此高速运行时的气 动噪声就成为列车噪声中越来越重要的组成部分。然而目前，我国在降低气动噪 声方面的研究还不充分，现在通常通过提高列车气密性，增添声屏障等方法降低 噪声水平，但是这些工作通常局限于车型设计开发的后期，甚至在样车制造运行 后才能进行，这不仅会导致降噪成本提高，而且在设计开发后期可以做出的修改 很小，所以往往无法实现理想的降噪效果。因此，在车型设计开发过程的早期阶 段就进行气动噪声方面的研究工作成为一种趋势。 1 2 国内外研究历史及现状 1 2 1 理论研究 早期对高速列车外部流场的研究，主要注重在列车外形对气动力的影响上。 近几十年来随着高速铁路的发展，高速列车运行速度越来越高，研究人员对车辆 外部流场的研究不仅只注重在气动力上，还注意到高速时的空气动力噪声，以便 改善旅客的舒适性及周边环境。1 9 4 5 年英国科学家r a d e i 曲j o l l i lw 发表的 t h e o d ，o fs o u l l d 一书总结了此前二三百年的大量声学研究成果，开创了现代 声学研究的先河【2 6 l 。此后，随着声学的不断发展，许多疑难的声学问题得到了 解决，但直到本世纪5 0 年代之前，人们对于诸如长笛为什么能产生动听的音乐 声等问题仍显得一筹莫展，因为那时尚未弄清紊流、漩涡以及运动物体的发声机 制。 3 硕 学位论文第一章绪论 自从1 9 5 2 年，英国科学家“曲t h i n 发表了一篇名为o ns o u 耐g c n 酬e d a 啪d y n 锄i c a l l yig e l 崩试n l e o r y 的论文，根据那维尔斯托克斯( n s 方程) 导出了描述气流运动发声的“曲t h i l l 方程，建立了声波波动量与流场参数之间的 直接联系，成为研究气动声学最基本的方程，标志着空气动力声学的诞生【2 7 】。 1 9 5 5 年，c u r l e 用基尔霍夫方法将l i 吐m i l l 理论推广到考虑静止固体边界的影响， 实现了推导湍流中静止小物体的风鸣声、圆柱旋涡脱落诱发的噪声等问题【2 8 】。 1 9 6 4 年，p o w e l l 提出涡声理论，为揭示湍流发声提供了理论依据1 2 9 】。1 9 6 5 年， l 0 w s o n 研究了自由空间里的一个运动奇点的声场特性，这个奇点可以是偶极子 源、单极子源或四极子源。1 9 6 9 年，f f o w c s 、阴l l i 锄s 和h a w k i n g s 应用广义函数 法将c u r i e 的结果扩展到考虑运动固体边界对声音的影响，即物体在流体中运动 的发声问题，得到一个较为普遍的结果一f f o w c s w i l l i 锄s h a 、k i n g s 方程( 简称 f w m 方程1 ，现已成为研究列车气动噪声的典型方法之一i3 0 】。1 9 7 4 年，g o l d s t e i n 用格林函数方法研究了均匀运动介质下运动物体的发声问题，得到更为普遍的广 义“曲t h i l l 方程。1 9 8 4 年，g o l d s t e i n 对湍流剪切流动的气动噪声理论分析方法 进行了总结，并对气流与固体表面相互作用的声学问题以及气流自身相互作用的 湍流射流问题进行了研究，认为射流噪声的能量主要集中在较低频率范围，理论 计算精度的频率范围取决于射流能量覆盖的频率范围f 3 。 国内研究人员刘红光在分析了车辆气动噪声与表面脉动压力之间关系的基 础上，通过求解广义“曲t h i l l 方程，得到了适合车辆行驶工况的气动噪声积分公 式，明确了在车辆气动噪声中偶极子源噪声占主导地位，而车辆气动噪声中的偶 极子源又取决于车辆的表面脉动压力【3 2 。3 3 1 。陆森林对车辆表面脉动压力与气动噪 声的关系进行了讨论，并利用频域的旋度函数来指导汽车后视镜根部界面形状的 低噪声优化改进。葛笔通过对常规的n s 方程进行变形处理，化为涡量方程的 形式，导出了求解由于汽车运行而产生的脉动压力场的理论计算公式，并采用二 维n s 方程及时间序列采样法，对轿车后视镜尾部流畅中作用于车身壁面的脉 动压力进行频谱分析【搏3 6 1 。 上述研究奠定了空气动力声学的理论基础，也为解决诸如高速列车气动噪声 这一类实际工程问题奠定了基础。 1 2 2 试验研究 高速列车气动噪声的试验研究方法主要包括风洞试验和道路试验两种方法， 其中风洞试验是主要的方法，从2 0 世纪7 0 年代末期开始，研究人员开始使用风 洞研究列车气动噪声，经历了从简单模型试验到实车试验的发展过程。 1 2 2 1 风洞试验 4 硕j ：学位论文 第一章绪论 l9 7 8 年m w a t a l l a b e ，m h 撕t a 与e h a y a s h i 应用风洞研究车身形状对空气动 力噪声的影响【”l 。1 9 8 6 年a l o r e a 与v c a l s t e l l u c c i o 应用风洞试验方法评价轿车 的气动噪声，先测量风洞背景噪声，再将试验车安装在风洞试验段中，在不开启 风洞情况下用扬声器来模拟出背景噪声1 3 引。1 9 8 8 年0 s a d a l ( a t a 等学者丌始尝试 通过控制气流状态来降低气动噪声例。1 9 9 4 年a n t o n e l l oc o g o t t i 阐述了对 p i n i n f 撕n a 风洞的空气动力声学改进，采用了新的低噪声风扇与导流罩，并对风 洞试验段进行降噪处理，使背景噪声大大降低幽】。f e i d 利用低噪声风洞，研究 了高速列车裙板及格栅对线路两边噪声的影响。 1 2 2 2 实车道路测量 硒t a g a w 锄应用线性传声器阵列，对新干线高速列车的气动噪声进行了测 试，并得出结论：使列车流线化可大大减少列车上部产生的气动噪声，列车下部 产生的气动噪声对线路两边的噪声有很大的影唰4 。m e l l e t 通过归纳总结一系列 实验数据，定量研究了高速列车的车外气动噪声和轮轨噪声，并预测了线路两边 的噪声随列车运行速度的变化情况【4 2 】。i t o 研究了新干线高速列车气动噪声的产 生原因，并提出改进措施【4 3 】。1 w 锄o t o 将现场实践经验和理论分析相结合，提出 了改善受电弓气动噪声的设计方案【州。n ( e d a 将现场试验和理论相结合，介绍了 高速列车低气动噪声受电弓的设计理论和方法，提出了改善受电弓气动噪声的设 计方案1 4 5 4 6 1 。s a s s a 通过实验和数值计算对车门凹凸处产生的气动噪声进行了研 究，得出了如下结论：气动噪声的能量主要集中在中低频上，且不同风速对应一 个不同频带，在这个频带上集中了大部分声斛4 1 7 1 。 国内关于列车气动噪声的试验研究处于起步阶段，通过许多学者的努力，已 经取得了一定进展。中南大学轨道交通安全教育部重点实验室采用多通道阵列式 噪声数据采集分析系统于2 0 0 7 年对c r h 2 型2 0 0 l ( i i 油动车组运行通过时的噪声 进行了试验，识别和定位高速列车气动噪声源，为高速列车降噪提供科学依据， 并对动车组车内噪声进行了检测。2 0 0 8 年，在京津城际铁路选取现场测试点， 测得c r h 3 高速列车以3 9 4 l ( 1 i 汕速度运行情况下的车外辐射噪声声强云图，得 到车外辐射噪声的主要声源为转向架、轮轨接触位置、受电弓及其底座以及车辆 连接处的气动噪声，与其他位雹转向架的气动噪声相比，头车转向架的气动噪声 更大。 1 2 3 数值模拟研究( c f d ) 气动噪声的c f d 方法是从2 0 世纪9 0 年代才开始的，虽然起步较晚，但随 着计算机硬件技术的进步，使用高性能计算机进行高速列车外流场的数值模拟越 来越普遍，采用的几何模型也越来越接近于实车。相对试验研究而言，c f d 方 硕上学位论文第一章绪论 法具有需要时间短、消耗经费少，又能够方便快捷的反映流场特性的优点，有助 于理解流动现象的机理，与理论分析方法、试验方法互相补充、互相促进。 1 9 9 0 年h a 九m a 等学者进行了二维翼型的气动噪声数值模拟，计算结果与试 验结果对比显示，在低频范围误差为5 1 0 d b ，而在高频范围达到了2 0 d b 【4 引。1 9 9 2 年k a t o h 等学者应用大涡模拟法( l e s ) 计算了二维圆柱体扰流的气动噪声，计 算结果与试验结果在低频到3 k h z 范围内吻合较好，在3 0 0 h z 位置出现了由于卡 门涡( v o nk 矗n 1 1 缸v o r 渤【s t e t ) 导致的高声压级【4 9 1 。1 9 9 9 年s h i g c mo g a w a 等 学者对气动噪声的数值模拟进行了回顾和总结，并使用k a w a m u r a k u w a l l a r a 格 式计算瞬念流场。s l l i g e t l lh a m n a 等人应用这种方法计算三维翼型的空气动力 噪声与风洞试验相对比误差小于4 d b 【5 0 】。 国内研究人员杨万罩利用大涡模拟模型( d e s ) 和“曲t h i l l c u r l e 声学模拟 理论，预测了某乘用车风噪声特性；肖友刚通过数值模拟对高速列车司机室内气 动噪声进行了预测，并对高速列车头车乘客室室内轮轨激励噪声的贡献度进行了 分析并提出了降噪策略【5 i 】。 1 3 本文研究内容、研究思路及研究方法 1 3 1 研究内容 针对当代列车高速化发展面临的气动噪声问题，借助空气动力学、声学、车 辆工程学的相关理论和方法，通过理论分析，数值计算，分析研究高速列车气动 噪声产生的原因，得出高速列车气动噪声预测方法，为低气动噪声高速列车的设 计提供理论基础。本文主要以c r h 2 高速动车组为研究对象，主要研究内容为： ( 1 ) 高速列车车头曲面气动噪声研究 建立c i 讯2 高速动车组模型，对车头曲面表面脉动压力进行仿真计算，以车 头曲面为噪声源，利用f l u e n t 软件的声场处理模块，对外流场噪声接收点的 声谱进行分析。 ( 2 ) 高速列车转向架处气动噪声研究 对高速列车转向架部位气动噪声进行数值模拟计算，分析转向架部位外流场 噪声接收点在转向架部位不同裙板面积情况下噪声水平的变化，并提出降噪改进 意见。 ( 3 ) 高速列车车辆连接处气动噪声研究 对高速列车车辆连接部位凹槽不同长度和高度时外流场噪声接收点的声谱 进行比较分析，并对车辆连接部位设置风挡方案进行数值模拟，提出降噪改进意 见。 6 硕上学位论文第一章绪论 1 3 2 研究思路 以高速列车气动噪声理论为基础，以降低高速列车气动噪声为目标，本论文 的研究思路及技术路线如下： ( 1 ) 查阅相关资料，了解气动噪声研究的国内外现状及分析研究气动噪声的 方法。 ( 2 ) 根据研究内容，利用三维建模软件i d e a s 建立相应的列车模型，选用 合适的湍流模型，利用f l u e l l t 流体分析软件对高速列车外流场和表面脉动压力进 行数值模拟，并对计算结果进行分析。 ( 3 ) 查阅相关资料及标准，确定不同模型的噪声源和噪声接收点。 ( 4 ) 利用f l u e n t 流体分析软件中的声学模块，采用大涡模拟的方法对相应的 模型进行非定常计算，得出与气动噪声密切相关的脉动压力在时域和频域的分 布。 ( 5 ) 对不同噪声源下不同接收点的噪声进行频谱分析，得出规律，提出列车 外形和结构部件的降噪优化方案。 目前，对于高速列车气动噪声的研究仍然处于起步阶段，各种研究的工作只 是一个丌端。本论文旨在对气动噪声的产生机理做一个初步的研究，并尝试对气 动噪声进行数值模拟计算，为低噪高速列车设计提出参考，但由于时间和其他的 一些客观情况的限制，希望本文能起到一个抛砖引玉的作用。 1 3 3 研究方法 数值模拟高速列车气动噪声主要包括四种方法【5 2 】，即直接噪声计算、声类 比模拟、c f d 与专业声学代码耦合与稳态r a n s 噪声源模拟。 ( 1 ) 计算气动声学方法( c o m p u t a t i o n a la e r o a c o u s t i c s ，c a a ) 直接计算空气动力噪声的方法通常称为计算气动声学方法( c a a ) 或者直 接噪声计算( d i r e c tn o i s ec o m p u t a t i o n ) ，即在对流场进行求解的过程中也对声压 脉动进行充分的瞬态求解。声源与声音接收者都在计算域内，通过指定监测点所 有的声学信息可以直接从c f d 结果中提取。 c 从方法的优点在于不需要再引入额外的声学模型，只需要记录监测点的 压力脉动信息：能考虑所有的物理影响，如反射、散射、共鸣等；能有助于更好 的理解噪声产生与传播的机理。主要缺点在于通常只适合计算低频域范围的噪 声；需要很致密的计算网格；进行瞬态求解的每个时间步长较短，导致求解总时 间很长，对计算机硬件的要求也很高。 ( 2 ) 声类比方法( a c o u s t i c a n a l o g y ，a a ) 声类比方法非直接方法，主要包括两个基本步骤。首先使用c f d 准确模拟 7 硕士学位论文第一章绪论 声源附近的瞬态流场，然后通过求解波动方程计算噪声从声源到接收者的传播。 所谓“类比”指的是将复杂的流动过程用等效的声源代替，使用类比方法计算声音 从声源到接收者的传播。声源假定在静止均匀的流场中，在接收者处的声场通过 波动方程描述。获得流场信息后，应用类比方法计算声音传播，比较常用的两种 类比方法是l i 曲t h i l l c u n e 方法和f w - h 方法。 声类比方法的主要优点在于瞬态流场的计算量小于c a a 方法，计算域中可 以不包含声音接收者，主要缺点是没有考虑流动对声音传播的影响。 ( 3 ) c f d 与声学求解器耦合 使用c f d 计算源场，再将源场计算结果输入声学模拟软件( 如s y s n o i s e ， a c t r a n ) 以及统计能量分析软件( 如a u t o s e a ) 来计算声音的传播与车内某 些位置的响应。这种耦合方法可用于预测车内气动噪声，但目前多限于简化车型 研究，另外也在降低风扇噪声的方面得到应用，但还没有应用于实车模型。 将c f d 软件与声学模拟软件耦合的一个前提条件是保证c f d 计算结果的精 确性。理想的情况是首先应用c f d 方法对实车外流场进行瞬念求解，获得关键 区域的压力脉动信息；建立研究对象的边界元( 有限元) 模型或者统计能量分析 模型；将c f d 方法获得的压力频率数据输入声学模拟软件或者统计能量分析软 件；经求解得到车内气动噪声。 ( 4 ) 基于稳态r a n s 的噪声源模拟 雷诺平均的那维尔斯托克斯方法( r a n s ) 在空气动力学开发中已经得到了 比较普遍的应用。这种方法能够比较迅速的获得气动阻力系数、车身表面压力分 布等流场信息，从而为设计提供及时有效的参考数据。 因为稳态r a n s 方法忽略了那维尔斯托克斯方程中的时间项，求解时间平 均的流场参数，所以无法直接获得流场中压力随时间的瞬态变化，因此无法直接 获得气动噪声信息。然而，这种方法也提供了很多有价值的流场信息，包括平均 速度、平均压力、湍流动能等，根据这些已知参数，通过l i i l e y 方程与合成湍流 方法( s y n t h e t i ct u 而u l 锄c em e m o d ) 可以获得流场速度的波动特性，从而预测空 气动力噪声声源的强弱。 因此，综合考虑各种模拟方法优缺点及研究内容的需要，本文对高速列车气 动噪声数值模拟将采用基于稳态凡州s 噪声源模拟与声类比从相结合的方法， 在保证计算精度的前提下有效降低了计算量。 8 硕 ：学位论文第二章高速列车气动噪声相关理论及评价方法 第二章高速列车气动噪声相关理论及评价方法 声学理论源于流体动力学，着重声波的数学描述，而流体发声的波动方程是 研究流体声学的基础。因此，本章从流体动力学基本方程出发，导出流体发声的 波动方程。当列车高速行驶时，周围流场会产生复杂的分离流动，流动中涡流和 湍流相互作用，从而产生强大的外部空气脉动压力场，外部脉动压力作为产生气 动噪声的源，随着时间的变化，很快转化成气动噪声，并向外部声场空间传播， 形成高速列车的车外气动声场。 2 1 声源的分类 气体流动或者物体和气体相互作用引起气体的扰动而辐射的噪声，称为气动 噪声。其主要激发机理是由固体与流体相对运动以及流动自身的不规则运动所激 起的流体内部应力及压力扰动在介质中的传播。 气动噪声包括单极子声源、偶极子声源和四极子声源三种( 图2 1 ) 。币确判 断噪声源，并将其模型化，采取有利措施防止和降低噪声，是研究噪声问题的有 效途径1 5 3 1 。 点源源运动流场 声场 单极子 衢藏 炒 相 爷 体积电荷 窟z 射 在球面上均匀 幽品 番 o 。 二多 双极子 质量电荷中心 振荡 两相相反 四极子 p 品备 卜 饪= d d e “0 ( 横向)f 詈咯 荣 涎 o9 二极或四极 图2 1 流场中声源的分类 单极子声源：媒质中流入的质量或热量不均匀时形成声源( 也叫做简单声 源) 。典型的单极子声源如高速气流经喷口周期性排放的脉冲喷气，稳定气流受 到周期性调制的旋笛，以及使空气作周期性位移的零倾角螺旋桨等。单极子和脉 动球体一样，产生的声波波阵面是同相位的，指向性是一个圆球。其辐射声功率 9 硕士学位论文第一二章高速列车气动噪声相关理论及评价方法 既为： 形坐竺 “” 岛c 其中，d 是流动区域在流动方向上的截面积，岛是环境媒质的密度，c 为环 境媒质中的声速。 偶极子声源：当流体中有障碍物存在时，流体与物体产生的不稳定的反作用 力形成偶极子声源。偶极子声源是力声源。风吹电线声、空气压缩机、倾角不为 零的螺旋桨声等都属于偶极子声源。偶极子可看作是相位差1 8 0 。的两个单极子 形成的，指向呈“8 ”字型。其辐射声功率形为： 彤旦掣 四极子声源：媒质中如果没有质量或热量的注入，也没有障碍物的存在，唯 粘滞应力可能辐射声波，这就是四极子声源。亚声速湍流喷柱是常见的影响最大 的四极子声源。四极子可看作是一对极性相反的偶极子声源组成的，指向呈“四 瓣”型。其辐射声功率形为： 形o c 警 通过对以上三种声源作比较可以发现：单极子、偶极子和四极子声源的总声 功率分别与流速的四次方、六次方和八次方成j 下比。降低流速可大大减小噪声， 流速减半，单极子声源的声功率降低1 2 d b ，偶极子降低1 8 d b ，四极子降低2 4 d b 。 换句话说，随着流速的增大，气动噪声的声功率将急剧升高。 2 。2 高速列车气动噪声的计算理论 2 2 1 流体运动的基本方程一 流体作为一类物质也受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：质量守 恒定律，动量守恒定律，能量守恒定律。相对应的数学描述就是流体的基本控制 方程，处于湍流状态的流体则需附加湍流方程。 ( 1 ) 连续方程 警w 肛- o ( 2 1 ) 8 t 。、 。 ( 2 ) 纳维一斯托克斯( n a “盼s t o k e s ) 方程 p 警= 硝一丢c p + ；胛“，+ 毒阻c 考+ 薏， c 2 q l o 羔垡釜丝垄生鳖一一，一苎三童查鎏型主冬垫些主塑薹堡垒垄堡笪銮鲨 _ _ - - - 。- _ _ _ _ _ o _ - - - - 。_ - - - - _ - _ - - _ - - - _ _ - _ - - _ - _ _ - - - - _ - - - _ _ 二二二二二二二二二二二u 式中各符号的意义为： p 一流体密度； t 一时间； v h 锄i l t o n 算子， v ：了三+ 了旦+ 乏旦 必 五、而、毛分别为笛卡尔坐标系的三个坐标变量，ij ，k 分别为j c i 、而、毛 方向的单位矢量； ”一流体速度矢量，在薯方向上的分量为，在x ，方向上的分量为“，； 厂一作用在流体上的体积力； p 一流场中的压力。 ( 3 ) 能量方程 尸妄2 一跏+ 形，+ 乓+ q + 矽+ 害 ( 2 - 3 ) ( 4 ) 状态方程 2 2 2 声学方程 ( p ，p ，毛) = 0 ( 2 - 4 ) z z z ll l 曲t n i 儿汲功万丰呈 l i 曲t h i l l 于1 9 5 2 年根据n - s 方程和连续性方程导出了流体发声的波动方程。 为了方便，将连续方程和动量方程都用张量形式表示。 由式( 2 1 ) 得： 署+ 豢_ 0 ( 2 5 ) 8 ta ) c 叫 略去体积力后，由式( 2 2 ) 得： 警+ 警一筹+ 考t 考+ 考一；岛睾， c 2 秭 令 勺2 毒c 考+ 詈一；岛警， ， 勺2 瓦茁+ 蔷一；岛詈) ( 2 - 7 为粘性应力张量，则式( 2 6 ) 可简写为： 挈+ 掣一考+ 誓 p 8 ， 西 锄，玉，良。 卜w 硕上学位论壅 一一一篓三童童垄型! 墨垫坚皇塑羞堡垒丝堡丝查鲨 - _ - _ - _ _ _ - - - - - - - _ - _ ，- _ - - _ _ - _ _ - - _ - - - _ - _ _ - _ - - _ _ - _ - l - _ - - _ _ _ 。- _ - - 。_ - _ 。- - 。一一一。一一一 将式( 2 5 ) 对t 移 分微分，得： 害+ 警= 。 仁9 ， 镜z8 x ? 8 t 取式( 2 8 ) 的散度得： 器+ 鬻一筹+ 豪 陋 a x j 8 ta x ? a x ：融ja x 0 x ； 式( 2 9 ) 和式( 2 1 0 ) 相减得： 等= 筹+ 去c 以”， 弘 一= 一十一f ，h h 一p 一- i 二。1 1 - a t 2 8 x ja x i a x ? v ”j 、。 、。 上式两端同时减去c 0 2 v 2 ，得： 窘彳v 2 p = 警+ 去c 胛，吲- c 0 2 俨p = ：【眺“，一勺+ 露( p c 0 2 p ) 】 ( 2 1 2 ) o x i x 令 巧2 杀魄圹勺堋旷和妇 q 。3 则式( 2 1 2 ) 可简写为： 等- c 0 2 v 2 p = 象 ( 2 - 1 4 ) 对于远场未受任何扰动的流动，式中誓和墨氅均为零，则可得到密度波 o t d x ：0 x l 动方程： 等p = 岳 ( 2 ，5 ) 式中： 瓦= 肛，“，一乞，+ 谚f ( p 。) 一c 0 2 4 ，( p ) ( 2 一1 6 ) 为“出h i l l 张量。 勺一粘性应力张量； 岛一单位张量； 岛一未受扰动的流体密度； 硕上学位论文第二章高速列车气动噪声相关理论及评价方法 流体密度的波动量，p 喾户一岛； 碥一未受扰动的流场压力； p 流场中压力的脉动量，p = p 一； 一声速。 方程( 2 1 5 ) 是l i 曲t h i l l 于1 9 5 5 年给出的运动流体发声的声波方程。是研究流 体发声的最基本的方程之一。“曲t h i l l 方程具有十分重要的意义，有人将它的出 现作为气动声学诞生的标志。它反映了流体中声波运动与流场参数的关系，对流 体发声的认识具有重大的作用，是研究流体发声的最基本的方程，是研究固体边 界及运动物体诱发流体噪声等的基础。 l i 曲t h j l l 方程所适用的条件与列车行驶时的一般工况还有一定的差距。为了 得到适合于行驶列车诱发气动噪声波动方程，作以下类比： 图2 2 头车外声场的源点与观察点示意图 假设如图2 2 所示列车以速度v 在无限大的均匀声介质中运动，介质的流动 速度为u 。y 是包含列车外表面在内的扰流场中的一点，即声源点。y 处的声源 于t 时刻发出的声音在t 时刻传到x 处。在无限大的均匀声介质中包含一个有限 的湍流运动区域v ，在区域v 处，远离湍流区域的流体中密度的波动和声波相 似。为了将运动介质转化为静止介质，引入一个以速度u 随流体运动的坐标系y 进行相应的坐标变换，即： 只= 咒一瓯，u r( 2 - 1 7 ) 由于“曲t h i l l 方程是连续性方程和动量方程的结果，而动量方程在g a i i l e 变 换下是不变的，故运动坐标下的l i g h t h i l l 方程的形式仍然是： 害p = 暴 ( 2 - 1 8 ) 硕士学位论文 第二章高速列车气动噪声相关理论及评价方法 式中： 巧= 以巧一吩+ 磊( p 一风) 一岛2 磊( p 一岛) 为方便起见，回到固定坐标系该方程在固定坐标下的形式为： 警p = 器 亿 式中：盈：垦+ u 盘。这就是适合于行驶列车一般情况下的气动噪声波动 d fa f 弘 方程，也称为广义的“g h t h i l l 模型。 如果将方程( 2 7 1 9 ) 右边看成源项，则方程是一个典型的声学波动方程，可 以用成熟的声学办法获得其解。而对于右边的应力张量，可以通过试验或其他途 径来获得。 假设“曲t h i l l 方程右端是在远处将会消失的源项，对于低速湍流，粘性应力 张量白对“9 1 1 t h i l l 应力张量巧的贡献远小于雷诺应力p “；“j ，可以忽略不及。在 流动以外的区域，可以认为速度“：是一个小量，这样雷诺应力的二次项p “j 就 可以忽略。因此，在流动区域内乇近似等于p “；“j ，在流动区域外巧近似等于零。 这样，“曲t h i l l 方程的右端项可认为是已知的。 2 2 2 2f w h 声学类比方程 f w h 声学类比方程本质上是不均匀的波动方程，它以“曲t h i l l 方程为基础， 可以通过连续性方程和n a v i e r s t o k 懿方程