SCI论文高速列车转向架部位气动噪声数值模拟及降噪研究_精品文档资料下载.pdf

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气动噪声；

数值模拟；

声压级幅值；

总声压级；

降噪中图分类号：

U260.331；

U491.9+1文献标志码：

A文章编号：

16727207（2011）12389906AerodynamicnoisenumericalsimulationandnoisereductionofhighspeedtrainbogiesectionHUANGSha,YANGMingzhi,LIZhiwei,XUGang（1.KeyLaboratoryofTrafficSafetyonTrack,MinistryofEducation,SchoolofTraffic&

TransportationEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410075,China）Abstract:

Inordertodecreasetheaerodynamicnoiseoftrainbogiesection,threedimensional,largeeddysimulationandFWHacousticmodelwereadoptedtosimulatetheaerodynamicnoiseoutsidehighspeedtrainbogiesectionbasedonLighthillacoustictheory,andnoisereductionadvicewasproposed.Theresultsshowthattheaerodynamicnoiseisakindofwidefrequencynoisewhichexitsinwidefrequencybandwithoutobviousmainfrequency.Theacousticpressureamplitudeofeverytestpointisgreatatlowfrequency,decreasingwiththeincreaseoffrequency,andtheacousticpressurelevelwithin1/3octavebandfrequencyrangesfrom315Hzto1250Hz.Givenacertainincomingwindspeed,thetotalacousticpressurelevelislowerwhenthetestpointisfartherfromthenoisesource.Onceapronsaresetinbogiesections,acousticpressureamplitudeandtotalacousticpressurelevelofeachpointreducecomparedwiththatwithoutapron,respectivelywithanaveragereductionofabout8%and1.3dBAatthespeedof300km/h.Besides,theaveragereductionwillcometo12%and2.08dBAwhentheapronareaincreasesproperly,makingnoisereductionmoreeffectiveapparently.Keywords:

aerodynamicnoisenumericalsimulationacousticpressureamplitudetotalacousticpressurelevelnoisereduction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，因此高速列收稿日期：

20101216；

修回日期：

20110410基金项目：

空气动力学国家重点实验室开放基金（SKLA20110202）；

中南大学前沿研究计划（2010QZZD020）通信作者：

黄莎（1985），女，新疆阿勒泰人，博士研究生，从事列车空气动力学研究；

电话：

13975800456；

Email：

joanna_中南大学学报（自然科学版）第42卷3900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一12。

目前，随着列车运行速度的提高，机械噪声退居次要地位，气动噪声逐渐趋于主导地位。

根据铁路噪声理论研究和实验测试，检定出了高速列车气动噪声源的主要产生部位36。

国内外很多学者对高速列车不同位置处的气动噪声做了研究，Ikeda等79介绍了高速列车低气动噪声受电弓的设计理论和方法，并提出了改善受电弓气动噪声的设计方案；

Sassa等10通过实验和数值计算对车门处产生的气动噪声进行了研究。

而转向架部位是气流的喷射和回流区域，由于结构复杂，气流流经时底部产生严重的分离现象,形成漩涡，产生复杂的气动噪声，尤其是头车转向架部位，而对于高速列车转向架部位气动噪声的研究相对甚少。

因此，本文作者基于Lighthill声学理论，应用LES大涡模拟和FWH声学类比模型对高速列车头车转向架部位车外气动噪声进行数值模拟研究，并提出了降噪改进意见。

1高速列车气动噪声数值分析理论1.1气动噪声声学方程1952年，英国科学家Lighthill根据NS方程和连续性方程导出了气动声学基本方程11：

222202ijijTcyy=

（1）式中：

Tij为Lighthill张量，ijijijTuue=+20（）（）ijijpc；

eij为黏性应力张量，ijjex=23jxkijjxkuuuxxx+；

ij为单位张量；

0为未受扰动的流体密度；

为流体密度的波动量，=0；

p0为未受扰动的流场压力；

p为流场中压力的脉动量p=pp0；

c0为声速。

FWH声学类比方程将声学方程扩展到考虑运动固体边界的影响，其方程为12：

（）0201d41rniavStxcRM=（）22（）01d41ristijafSxxcRM+（）（）d1rijvtaTRM

（2）式中：

R=|xy|，x为接受点位置，y为声源点位置；

fi为静止固体边界的单元法向量；

raM为运动马赫数在观察方向的投影。

1.2湍流模型的选择湍流模型中的直接数值模拟对瞬时NS方程进行计算，可以分辨出气流的空间结构及变化剧烈的时间特性，但内存空间及计算速度要求极高，目前还不可能用于工程计算；

雷诺时间平均模拟将非稳态的控制方程对时间作平均，在所得到的关于时均物理量的控制方程中包含了脉动量乘积的时间均值等未知量，但平均的结果都将脉动运动时空变化的细节抹平，丧失了包含在脉动运动中的全部信息1314；

大涡模拟（LES）对尺度大的湍流运动通过NS方程直接计算，小尺度涡采用亚格子模型进行模拟，是目前计算湍流脉动较理想的方法1516。

经过空间过滤可得到大涡模拟（LES）的控制方程：

（）0iiutx+=（3）（）（）（）ijiiijjijjjupuuutxxxxx+=+（4）式中：

为流体密度，t为时间；

iu，ju分别为过滤后的速度分量；

为湍流黏性系数；

ij为亚格子尺度应力（SGS应力），ijijijuuuu=，它体现了小尺度涡对运动方程的影响。

同时，为了使方程封闭，必须用亚格子尺度（SGS）模型来构造ij的数学表达式。

根据Smagorinsky的基本SGS模型，ij可利用SGS的湍流黏度t进行模化：

123ijkkijtijS=（5）式中：

ijS是变形速率张量，12jiijjiuuSxx=+。

亚格子尺度湍流黏度t公式为：

2（）tsCS=（6）式中：

1/2

（2）ijijSSS=；

1/3（）xyz=；

Cs为Smagrinsky常数，根据VanDriest模型来确定。

第12期黄莎，等：

高速列车转向架部位气动噪声数值模拟及降噪研究39012数值计算模型在数值模拟计算中，一般采取有限计算区域来代替无限计算域，区域长度方向尺寸的选取则是使计算区域下游边界尽可能远离列车尾部，以避免出口截面受到动车组尾流的影响，便于出口边界条件的给定，计算区域及坐标定义如图1所示。

由于用于计算的高速列车表面形状不规则，带有转向架等复杂结构，使得对其进行结构网格划分比较困难，因此本文采用非结构化四面体网格，模型最小网格线尺度为1mm，网格总数约为450万。

图1计算区域及坐标定义Fig.1Computationaldomainandcoordinatedefination3数值计算结果及分析3.1高速列车转向架部位气动噪声监测点布置由于转向架结构复杂，在保证其主要外形气动特征不变的情况下，对其模型做相应的简化。

高速列车转向架位于列车底部，因此气动噪声监测点选择距离地面1.2m，距离转向架分别为2m，4m，6m的测点16的布置如图2所示。

（a）主视图；

（b）俯视图图2转向架部位监测点布置Fig.2Arrangementofmonitoringpointsinbogiesection3.2高速列车转向架部位气动噪声频谱分析选择头车无裙板转向架部位作为噪声源，对列车以300km/h速度运行时转向架部位气动噪声进行数值模拟，得到了各监测点的声压频谱图。

1号，3号和6号测点的声压频谱如图3所示。

在对铁路噪声进行测量和评价时，通常采用A声级，因此对上述模型各监测点在1/3倍频程中心频率处的A声级进行分析，1号，3号和6号测点的1/3倍频程A声压级如图4所示。

从图3可知：

转向架部位气动噪声在很宽的频带内存在，无明显的主频率，是一宽频噪声；

转向架部位各监测点气动噪声频谱在低频时幅值较大，随着频（a）1号监测点；

（b）3号监测点；

（c）6号监测点图3无裙板转向架部位监测点声压频谱图Fig.3Soundpressurespectraofpointsinbogiesectionwithoutapron中南大学学报（自然科学版）第42卷3902（a）1号监测点；

（c）6号监测点图4无裙板转向架部位监测点1/3倍频程频谱Fig.41/3octavebandspectrumofpointsinbogiesectionwithoutapron率的升高，幅值下降；

各监测点气动噪声的频谱变化规律相似，只是幅值不同。

距离轨道中心线越远，各监测点的声压级幅值和声压级波动幅度越小；

沿列车长度方向，距离噪声源转向架越远，监测点的声压级幅值和声压级波动幅度越小。

从图4可以看出：

当列车以300km/h速度运行时，转向架部位气动噪声A声压级主要集中在3151250Hz频率范围内；

各监测点的1/3