高速列车表面气动噪声偶极子声源分布数值分析

ｔｒａｉ“
单极子声源项（ｃ项）积分可不必考虑”４’”ｏ；在文 献［１２］中ＩｊｇｈｔｈｉｌＩ指出：流场中四极子声源与偶极 子声源强度之比正比于马赫数的平方，而高速列车 的运动仍属于低速运动（远小于马赫数），其四极
子源噪声强度远小于偶极子声源，故四极子声源项
流场计算域为长方体形状，入口距车前端２倍 车长，出口距车后端４倍车长，高度为４倍车高，宽 度为４倍车宽．车身表面贴体网格采用三角形网 格，为了更好捕获车身表面附近湍流场参数．在边 界附面层区域内，按照ｌ：１．３的比例拉伸成３层三 棱柱附面层网格．其它计算区域体网格的划分选用 四面体网格，采用分层加密的方式，对车体近壁层 的网格加密，远离车体的网格采用稀疏网格，以减 少计算量，加快收敛速度．同时利用其对称性，沿车 身纵向对称平面截取一半作为计算域，以节约计算 机资源，空间体单元约为１８７万，见图３．声源网格 则主要用于在直接边界元中生成声源边界条件，其 网格大小是由所分析频率的上限所决定的，文中采 用四边形贴体网格，最大单元长度为１８ ｍｍ．
流相互作用而产生不同频率的压力脉动，是诱发车
辆产生气动噪声的主要原因．各国发展高速铁路和
高速列车的同时，均对高速车辆气动噪声方面做了
收稻日明：２０ｌｌⅢ３．２２
基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（２０１００１８４１１０００２）；重庆市自然科学基金计划项目（ｃＳＴｃ，２００８ＢＢ７３４１）；重庆 市教委科学技术研究项目（ＫＪｌ００８１ １） 作者简介：郑拯宇（１９６９一），男，讲师，博士研究生，研究方向为车辆空气动力学及环境工程、工程力学、计算机应用技术等， Ｅ－ｍａｉｌ：ｚＩＩｅｎｇｚｈｅｎｇｙｕ＠１２６．ｃｏｍ 通讯作者：李人宪（１９５４一），男，教授，博上，主要研究方向为车辆空气动力学，Ｅ．ｍａｊｌ：ｒ】【ｌｉ＠ｈｏｍｅ．ｗｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
由Ｎｙｑｕｉｓｔ采样定律ｎｒ知，当采样频率大于信号中
上＿…＝ｋＡｒ＝＾／（．Ｊ＼，缸），
式中：ｐ．。为辐射声压；Ｐ（ｙ）为边界上的流体脉动 压力；Ｃ（ｚ，ｙ）为拉普拉斯方程的格林函数，表示 在流场中固体表面ｓ上ｙ处的点声源于ｒ时刻发 出的声音在ｔ时刻传至ｘ处的声压；ｓ，为固体表 面积分区域；ｎ，表示在固体表面ｓ上ｙ处的外法 线向量；Ⅳ为采样点数；ｋ为第＾个采样点．
源边界条件．
Ｆｉｇ ３
图３列车计算流场模型
ｎｏｗ矗ｅｌｄ ｍｏｄｅｌ ｏｆｔｌｌｅ廿ａｉｎ
３
高速列车偶极子声源分布数值模拟
３．１流场计算结果分析
‰２缈掣峨，
㈤
（４）
列车外部计算流场人口采用速度边界条件．速 度工况分别设定为２ｌＯ和２７０ ｋＨ∥ｈ，出口采用压 力边界条件，在非稳态下利用大涡模拟湍流模型对 高速列车外流场进行计算．并输出压力脉动信号．
万方数据
西
南
交
通
大
学
学
报
第４６卷
加速度引起的声源（流体位移分布），是单极子声
源项．其中，Ａ项只存在于运动固体表面之外，在固
体表面内为零，占、ｃ项仅在固体表面上产生．
１．３
高速列车气动声源分析及其计算方法 对于在空气流场中行驶的高速列车．其车身表
Ｆｉｇ
２
面可以看作是刚性的，体积脉动量几乎为零，所以
图２列年几何模型 ｃｅｏｍｅ埘ｍｏｄｅＪ ｏｆｔｈｅ
ｓｏｕｒｃｅ８
争一ｃ２鲁＝丢≥一去［ｐ声∽若】＋ 可————ｒ—一
言ｋ艿∽老】，
。———１—●
（２）
式中：ｐ’＝ｐ—ｐ。为声压，ｐ。为未受扰动时流场压
力；６∽为Ｄｉ啪书函数．
’胁．Ｉ
坐
图ｌ流场区域
Ｆｉｇ．１ ｎｏｗ ｆｉｅＩｄ ｗｉｔｈ ｓｏ“ｄ ｂｏｕｎｄａｒｙ
式（２）中，方程右边Ａ项是“ｇｈｔｈｉｕ声源项，为 表中，单极子声源是由纯放射状的运动压缩周 围流体而发出声的声源；偶极子源是由２个相距很 四极子声源项；８项表示由表面脉动压力引起的 声源（力分布），是偶极子声源项；Ｃ项表示由表面
万方数据
第６期
郑拯宇等：高速列车表面气动噪声偶极子声源分布数值分析
９９７
大量的研究工作．但大多数的研究工作主要采取现 场采样等实验手段Ｈ引，由于气动噪声并不存在一
个清晰的音调，噪声能是在一个宽频带范围呈连续 分布的，故欲从现场采样数据中提取并分析由气流
近、相位完全相反，并以相同振幅振动的单极子声
源构成，具有声场的最大指向性；四极子源则是由 ２个相位不同的偶极子声源构成，并且由于轴的方
产生不同频率的压力脉动，列车表面的偶极子声源
正是由这种流场边界脉动压力所决定的．因此，文 中采用大涡模拟（ＬＥｓ）湍流模型和ｓｍａｇｏｒｉｎｓｋｙ－
Ｌｉｌｌｙ亚格子模型求出流场边界脉动压力，将此脉 动压力导人声振耦合软件ｓｙｓｎｏｉｓｅ，利用式（３）在 声学网格上转换成声辐射压力，即声载荷，并在利 用快速傅里叶变换（Ｆｎ＇）将流场中时域脉动信号 变换成频域信号后，利用式（４）求出压力脉动频 率”“…，从而获得气动噪声辐射场中的偶极子声
一步研究高速列车车身优化设计和铁路干线噪声
环境控制提供数值分析依据．
１基于Ｌｉｇｈｔｈｉｌｌ方程的声源理论及 其数值计算策略
１．１流场中声源的分类 流场中的声源包括单极子声源、偶极子声源和 四极子声源３种。钆¨】，如表１所示．
表ｌ流场声源的分类
Ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｎｏｗ ａｃｏｕｓ￡ｊｃ
气动力学特性下的环境污染问题日益突出¨引．其
气在列车表面附近形成流动状态十分复杂的湍流 场，产生旋涡、旋涡脱落、气流分离、再附着等复杂
的边界层流态，所形成不断发展的不同尺度涡与湍
中，列车高速行驶时所产生的气动噪声对列车乘坐 舒适性以及对铁路干线周边的环境噪声污染等指 标将产生重要影响ｐ１．列车高速行驶时，周围的空
ｐｒｅｓｓｕｒｅ
ｌｅｖｅｌ ｉｓ ａｐｐｍｘｉｍａｔｅｌｙ ９７ ｄＢ． Ｖｅｈｉｃｌｅ ｎｏｉｓｅ；神ｒｏａｃｏｕｓｔｉｃｓ；ｕｎｓｔｅａｄｙ ｎｏｗ；ｌａｒｇｅ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：
ｅｄｄｙ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ（ＬＥＳ）；ｂｏｕｎｄａｒｙ
ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ（ＢＥＭ）
高速化已经成为当今世界铁路发展的共同趋 势，随着我国高速铁路建设的推进，伴随而来的空
式中：ｐ为空气密度；ｎ为压应力张量；ｃ为声速 度；％为流体在茹ｉ向速度分量；瓦为Ｌｉｇｈｔｈｉｎ应力 张量． １９５５年，Ｃｕｒｌｅ将Ｌｉｇｈｔｈｉｎ方程应用于引入静 止固体边界条件的有限空间流场中，得到Ｌｉｇｈｔｈｉｕ－
Ｃｕｒｌｅ解形式㈦．１９６６年。Ｆｆｏｗｃ８ Ｗｉｌｌｉａｍｓ和
Ｈａｗｋｉｎｇｓ将Ｃｕｄｅ的研究成果扩展到运动固体边
（Ａ项）亦可忽略不计．因此，Ｆｗ－Ｈ方程右边仅剩
下偶极子声源项（Ｂ项）．表明：行驶中的高速列车
所产生的气动噪声源主要来自于其车身表面附近 的偶极子声源，其强弱和分布特性决定着其外部辐
射声场的强弱及其分布规律．
湍流场由不断发展的大小不同的涡旋构成，一 般认为大尺度涡控制流动特性，小尺度涡耗散能
量．这种不断发展的不同尺度涡与湍流相互作用而
ｓｈｏｗ ｔ｜Ｉａｔ ｗｈｅｎ
ｓｏｕｒｃｅ
ｔｒａｊｎ
ｒｕｎｓ
２７０ ｈｎ／ｈ ａｎｄ ｔｈｅ ｆ如ｑｕｅｎｃｙ ｉｓ ２．５ ｋＨｚ，ｍａｉｎ ａｅｍｄｙｎａｍｉｃｓ ｎｏｉ∞
ｏｖｅｒ
ｗｉｔｈ
ａ
ｓｏｕｎｄ ｐｒｅｓｓｕｍ ｌｅｖｅｌ
９０ ｄＢ ｉｓ ｌｏｃａｔｅｄ
ｎｅａｒ
ｉ协ｂｏｇｉｅｓ。
ａｎｄ ｔｈｅ ｍａ）【ｉｍａｌ∞ｕｎｄ
Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ０ｆ Ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ Ｄｉｐｏｌｅ Ｓｏｕｒｃｅ
伽Ｈｉｇｈ－Ｓｐｅｅｄ
删ＥⅣＧ
（１．
Ｔｒａｉｎ Ｓｕｒｆａｃｅ
Ｚｋ，ｌｇ弘１”，
Ⅱ如础玩，１１
ｕｎｉＶｅ瑁ｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ
６１００３ ｌ，ＣＩｌｉ舱；２． ＣｈｏｎｇｑｉｒＩｇ
ｓｃｈ∞１ ０ｆ Ｍｅｃｈａｎｊｃａｌ Ｅｎ舀ｎｅｅｒｉｎｇ，ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｊｉａｏｔｏｎｇ
基于ＬｉｇｌＩｔｈｊⅡ方程的气动声源理论分析
英国学者Ｌ曲ｔｈｉｌｌ于１９５２年在没作任何简化
和假定前提下，在一个无边界的自由空间中通过严
格的流体运动连续方程和动量方程，并与静止介质
中的声传播公式相比对，得到反映了流场中声波运 动与流场参数之间关系的Ｌｉｇｈｔｈｉｌｌ波动方程【Ｉ ２１：
源模型理论对车辆表面气动声源强弱的分布进行
位不同，可分为横向四极子声源和纵向四极子
声源．
１．２
脉动所诱发的噪声信号存在较大困难，而大型静音 风洞数量稀少、成本高．因此，部分学者试图利用数
值模拟分析方法进行研究，并取得了一定的进 展阳引．但其研究方向主要致力于车辆内部封闭空 间的声场分析，或针对车辆外部流场中有限个离散 点的噪声信号进行预测，或局限于选择某种宽带声
ｄｉｐｏｌｅ
ａｔ
ｓｏｕｒｃｅ
ｓｔｒｅｎ昏ｈ粕ｄ ｄｉｓｔ曲ｕｔｉｏｎ
ｏｆ也ｅ北同ｙｎａｍｉｃ
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ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅ８ｕｌｔｓ
大致预判，而这类宽带声源模型是基于稳态流场建 立起来的，在其理论推导过程中作了一系列必要的 简化假设，并忽略了湍流中涡旋在时间历程上对整
挚－ｃ２％＝最，ｌ
Ｔ
（１）
ｑ＝缈≯Ｊ＋ｐ ４—０ｐ８ ４，】
体流场声能的影响，故精度不高，并且均不能获得
对车辆外部空间的气动噪声场较为全面、直观的认 识和理解． 本文中运用流场声源原理和Ｌｊｇｈｔｈｉｌｌ方程对 列车高速行驶时所诱发的主要气动噪声源进行分 析，并将流体数值模拟技术与声学响应数值计算方
法有机结合起来，在某型高速列车边界元模型中，
导入非稳态下高速列车外流场边界脉动压力数据， 并在车身表面声学网格上转换成直接边界元法，进 行列车外部空间气动噪声辐射声场仿真分析，为进
界．运动固体表面将流体分为不同区域，彼此之间
是不连续的（如图ｌ所示），并按照“ｇＩｌｔｈｉＵ方程的 推导方法，得到Ｆ＇ｆｏｗｃｓ Ｗｉｕｉａｍｓ—Ｈａｗｋｉｎｇｓ方程（简 称ＦＷ．Ｈ方程）¨４｜：
第４６卷第６期 ２０１１年１２月
西南交通大学学报
ＪＯＵＲＮＡＬ ０Ｆ ＳＯＵＴＨＷＥＳＴ ＪＩＡＯＴＯＮＧ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ
Ｖ０１．４６
Ｎｏ．６
Ｄｅｃ．２０ｌｌ
文章编号：０２５８－２７２４（２０１１）０６ＪＤ９９６聊ＤｏＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉ８ｓｎ．０２５８－２７２４．２０１１．０６．０１８
诵ｔｈ ｔＩｌｅ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｎｕｉｄ ｄｉｐｏｌｅ∞ｕｒｃｅ
ｓｏｕｒｃｅ ｏｎ
ｄｙｎ锄ｉｃｓ（ＣＦＤ）ｗ鹊ｕｔｉｌｉｚｅｄ
ｒＩ＇ｈｅ ｓｐｅｅｄｌｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ
ｏｆ北ｒｏｄｙｎ锄ｉｃ
ｄｉｐｏｌｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｆｉｅｌｄ
ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ咖ｉｎ ｓｕ血ｃｅ．
・．＿｜‘
同
口
速列车表面气动噪声偶极子声源分布数值分析
郑拯宇１’２，
李人宪１
（１．西南交通大学机械工程学院，四川成都６１００３ｌ；２．重庆理工大学莺庆汽车学院，重庆４０００５４）
摘要：以Ｌｉｇ｝Ｉｔｈｉｕ方程为基础，采用边界元法并与计算流体动力学相结合，对高速列车表面气动噪声偶极子声 源进行数值分析，以获得高速列车表面气动噪声偶极子声源分布．探讨了不同车速工况下列车车身表面气动偶 极子声源的强弱及其分布特征，在此基础上对基于表面气动偶极子声源的列车外部气动声场进行了数值分析． 研究表明：列车运行速度为２７０ ｋⅡ∥ｈ、频率为２．５ ｋＨｚ时，声压级在９０ ｄＢ以上的气动偶极子声源主要分布在车 底转向架附近，其最大声源声压级约９７ ｄＢ，是高速列车主要的气动噪声源区． 关键词：车辆噪声；气动声学；非稳态流；大涡模拟（ＬＥＳ）；边界元法（ＢＥＭ） 中图分类号：０３５４ 文献标志码：Ａ
Ｃｏｕｅｇｅ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ
Ａｕｌｏ啪ｂｉｌｅ
Ａｂｓｔ腿ｃｔ：
Ｕｎｉｖｅ璃时ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏ舒，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００５４，Ｃｈｉ腿）
Ｂａｓｅｄ
ｏｎ
ｔｈｅ Ｌｉｇｈｔｈｉｌｌ’ｓ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｅｑｕａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｅｌｅｍｅｎｔ
ｍｅｔｈｏｄ（ＢＥＭ）ｃｏｍｂｉｎｅｄ
最高频率２倍时，采样之后的数字信号可完整地保 留原始信号中的信息；同时，经验表明，当噪声频率
超过５ ｋＨｚ时，表面脉动压力和远场噪声能量均已