高速列车气动噪声数值仿真

点为 车 头鼻 尖位 置 ， 曲面 曲率最 大 ， 点对 流 体扰 动最 强烈 ， 致 Ａ点声 压级 幅值 和 波动 幅度 最大 ； 导 而直 接 瞬态计 算各 点声 压 级波 动趋 势没 有 明显规 律， 各点 波动 范 围都很 小 ， 且各 点声 压级 基本 都在 ８ ９ Ｂ范 围 内波 动 ， 有 反 映 出 气 动 噪 声 的 ９～ ２ｄ 没
第３ ３卷 第 ４期 ２１ ０ ２年 ８月
大
连
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通 大
学
学 报
Ｖ０１３３ Ｎｏ． ． ４ Ａｕｇ ２ ２ ． ０１
Ｊ ＵＲＮＡＬ ＯＦ ＤＡＬＡＮ Ｊ Ａ０Ｔ Ｏ Ｉ Ｉ ０ＮＧ Ｕ ＶＥＲ Ｉ Ｙ ＮＩ ＳＴ
文章编 号 ：６ ３ ９ ９ （０ ２）４ ０ ０ — ５ １７ － ５０ ２ １ ０ — ０ １ ０
１ 基 本 分 析 理 论
针 对 近场 噪 声 ， 接 监 测 车 身 表 面定 点 的脉 直
动压力 ， 对监测所得表面脉动压力的时域值 ， 利用
快 速傅 立 叶 变 换 （ Ｆ ） 换 到 频 域 ． 过 Ｆｏ ｃ ＦＴ转 通 ｆ ｓ ｗ Ｗｉｉ ｎ ａ ｋｎｓ Ｆ Ｈ） 程 计 算 远 场 噪 ｌａ ａｄＨ ｗ ｉｇ （ ｗ— 方 ｌｍｓ 声 ， 到高 速列 车气 动 噪声特 性 ． 得
动噪声 ， 并对采用直接 瞬态法计算气动 噪声 的可行 性进行 了分析计算 ． 研究结果表 明气 动噪声分 布于很
宽的频带 内， 明显 的主频 ， 于宽频 噪声． 无 属 在低 频中气 动噪声 能量较 大 ， 在高频 上能 量较小 ． 以稳 态结
果作 为初 始值 的计算方法能准确地 预测高速列车 的气动 噪声 特性 ， 同时节省计算时间 ； 直接 瞬态 计算 的
气动 噪声 结果没有 明显 的规律 ， 反映不 出列 车的气动噪声特性 ． 关键 词 ： 高速列 车 ； 气动噪声 ； 脉动压力 ； 声压级
文献 标 识 码 ： Ａ
０ 引 言
随着 高速 列 车 速 度 的 提 高 ， 声 污 染 越 来 越 噪 严重 ， 速列 车气 动 噪声 随速度 提 升而 迅速 增加 ， 高 远高 于其 他 噪声增 长 幅度 ． 研究 表 明 ， 当列 车运 行 速度 高 于 ３０ｋ ／ ， ０ ｍ ｈ 列车 运 行 产 生 的气 动 噪 声 将
例 因子而增 大 ．
求解 器设 置
簧＝
（一 ｝
毒 ｃ 仆 毒 ｃ（ ２．４ ５ ｝ ）
式 中 ， 。 远 场声 速 ； 表示 表 面法 向速度 ； （ ａ指 ６
列车 行驶 速度 为 ２ ０ｋ ／ ， ０ ｍ ｈ 直接 瞬态计 算 和
第 ４期
张军 ， ： 等 高速列车 气动噪声数值 仿真
高 速 列 车气 动 噪声 数 值 仿 真
张 军 ，黄 艳 艺 ， 文 忠 兆
（ 大连交通大 学 交通运输工程 学院， 宁 大连 １６ ２ ） 辽 １０ ８ 摘 要： 建立 了高速 列车组包括头车 、 中间车 、 车及外部空 间在 内的气 动噪声计算物理模 型 ， 声学理 尾 从
论 出发 ， 结合列 车实 际运行的边界条件 ， 运用 以稳态结 果作 为初始 值进行 瞬态计 算 ， 预测 了高速 列车气
倍 的时 间．
附表 求解 器 设 置
一
图 ４ 车 头 监 测 点 布 置 图
图 ５和 图 ６所 示 分 别 为 列 车 运 行 速 度 ２ ０ ０
ｋ ／ ， 接 瞬态 计算 和 以稳 态 结果 作 为 初 始值 的 ｍ ｈ直 瞬态 计 算 中 Ａ， ｃ和 Ｄ 点 的脉 动 压 力 通 过快 速 Ｂ， 傅 里 叶变 换得 到 近场气 动 噪声声 压 频谱 图 ． 可见 ， 在 以稳态 结果 作 为 初 始值 的 瞬态 计 算 结 果 中 ， 四
在 流体力学 中 ， 流体视 为连续介 质且充满 整个
空 间 ， 满足 物理 守恒 定 律 ， 对 应 的数 学 描述 就 并 相
是 流体的基本 控制方程 Ｎ Ｓ方程 ： ．
收 稿 日期 ：０ ２０ －６ ２ １－３２
基金项 目： 国际科技合作计划 资助项 目（０ ０ Ｆ ８０ ０ ２１Ｄ Ｂ０５ ） 作者 简介 ： 张军 （９ ４一） 男 ， １６ ， 副教授 ， 士 ， 博 主要从事 车辆 声学仿真 、 噪声 控制 、 优化设计 等的研究
ａ ｐ ａ ｕ， ｐ
＋ —
—
：０
（ ２）
・
３ ｔ
Ｏ ｉ ｘ
苦 （—＝ （ Ｈ ｐｊ —） ｕ ｕ
式 中 ，（ 一）指 按 空 间滤 波 ； Ｐ表示 流 体 的 密度 ； ｔ
指时 间 ； 和 分别 表 示 过 滤后 的速 度 分 量 ； ／ ｘ 是湍 流黏 性 系数 ； 指亚 网格 应 力 （ Ｇ 丁 Ｓ Ｓ应 力 ） ，
常， 高速 列车 气 动 噪 声 与 速 度 的 ６～８次 方 成 正 比， 而其他 噪声 与 速 度 的 ２～ ３次 方 成 正 比 ． 如 何 准确 地预测 高速 列 车 的气动 噪声 是一 个非 常 有
意义 的课 题 ．
作为初始值进行瞬态大涡模拟计算 ， 预测 了高速 列 车产 生 的气 动 噪声 ； 用 直 接 瞬 态 法对 相 同工 并 况 下 的气 动 噪声 进行 了计 算 ， 两 种方 法 计 算 的 对
（ ２ １ ）
观 测点 的 噪声 ， 即使这 些点 不在 计算 区域 内．
计算 空气动 力学模型
由于列 车外 形 复 杂 且 细长 比很 大 ， 行 气 动 进
２ １ 车体 外轮廓 几何 模型 ．
噪声计 算很 困难 ， 车体几 何模 型做 了简 化 ． 对 高速 列车包 括 头车 、 车及 一节 中间车厢 ， 虑到 空调 尾 考 导流罩 ， 电弓导流 罩 ， 向架 安装 部位对 气 动噪 受 转 声 的影 响 ， 几何模 型保 留这 些结 构 的几何 特征 ， 如
以稳 态结 果作 为初 始值 进行 瞬态计 算 两种 方法 边
界条 件设 置相 同 ， 附表 ． 者 采用 大 涡模 拟湍 流 如 前
Ｄ
模型 ， 者 以标 准 模 型计 算 所得 的稳 态结 果 作 为 后 初始 值采 用 大涡 模 拟 湍 流 模 型 进 行计 算 ． 相 同 在 的 时间步 的条 件 下 ， 者 计 算 时 间 比后 者 多 了一 前
个 点 的声 压级 都 在 一 定 的 范 围 内波动 ， 着频 率 随 的增 加 ， 压 级逐 渐减 小 ， 声 因此气 动 噪声 在低 频 的 能量 较 大 ， 频 的能量 较 小 ； 高 四个 点 的声 压 级 中
３ 数 值 结 果 分 析
３ １ 高 速 列车车 头 曲面 近场 气动 噪声 数值 分 析 ．
毒 嚣＋ ） 薏］
式中， Ｐ是流体密度 ； ， ， 分别为笛卡尔坐标 ：。 系 的三 个坐标 变 量 ； 是流 体速度 矢量 ， 在 方 向 上 的分量 为 Ⅱ ， 在 方 向上 的分 量 为 ｕ ； 是 流 ｊ
体 动力 粘度 ； Ｐ是流 场 中的压 力 ； ｆ是作 用 在 流体
Ｅ ｍａ ：ｈ＠ ｄｔ．ｄ ．ｎ － ｉ ｚｊ ｊ ｅ ｕ ｃ ． ｌ ｕ
２
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第３ ３卷
Ｐ ＝／ （ Ｖ ＋ ｐ一 ｐ Ｊ击 ＋ ｕ ｆ ｌ ｉ Ｊ ）
ｄ ｕｉ
是 Ｄｒｃｅａ函数 ； （ 指 Ｈ ａｉｄ ｉ ｄｌ ａ ｔ ｅｖｓ ｅ函数 ； ｉ Ｐ 表 示 应力 张量 ． 利用 Ｆ Ｈ方 程 ， 以求 解声 场 任意 ｗ． 可
边界对 声 音 的影 响 ， 去 四极 子 和单 极 子声 源影 略
响 ， 导 出 Ｆ Ｈ 方程 为 ： 推 Ｗ—
因车身表面不规则 ， 且带有空调导流罩、 电 受 弓导流罩及转向架等复杂结构 ， 本文数值模拟车 身表面附近采用非结构化 四面体 网格 ， 远离车身 的网格采 用六 面体 网格． 了满 足 Ｌ Ｓ计 算要 为 Ｅ 求， 车身壁面网格较细， 远离车身网格 随一定的比
１ １ 纳维 一斯 托克 斯 方程 （ — ． Ｎ Ｓ方程 ）
动噪声场整体特征 Ｊ而数值法可重复 、 ， 成本低 ，
尤 其 随着 大容 分 量 计 算 工作 站 、 算 集 群 以及 云 计 计 算 技术 的迅 速 发 展 ， 值 法 在 预 测 复 杂 大 结 构 数 空气 动 力学及 气动 噪声 方 面得 到 了越来 越多 的应 用． 究 表 明 ， 研 诱发 高速 列 车气 动噪 声 的根本 原 因 在 于 高速 列车 运 行 中产 生 的 脉 动压 力 ， 这种 脉 而 动 压 力是 与流 场 的涡旋 密切 相关 的 引． 数值 模 拟
图 １所示 ．
上 的体 积力 ．
１ ２ Ｌ Ｓ模 型控 制方 程 ． Ｅ
Ｌ Ｓ模 型的控 制方 程是 由 ＮＳ方 程在 波 数空 Ｅ ．
间或物 理空 间进 行 过 滤得 到 的． 过滤 的过 程 是 去
掉 比过滤宽度或给定物理宽度小 的涡旋 ， 从而得 到大涡 旋 的控制 方程 为 ：
图 １ 高速 列车模型
毒 ） 一ｑ （ ２． 计 算 区域 选取 一 ３ ２ 舞０ ） ３ ７ －
由头 车 、 中间 车 、 车组 成 的动 车 组模 型 ， 尾 其 车身长 ｚ＝ ６６ｍ， 度 ｈ ＝ ． 宽 度 ｗ ＝３ ２ ７ ． 高 ３ ８ｍ， ． ｍ． 据相关 文献及 研 究对 象 的特 点 ， 算 区域 的 根 计 总长 为 Ｌ＞ ， ５ｚ 高度 Ｈ ＞２ ， ０ｈ 宽度 Ｗ ＞２ 按 ５ｗ，
替代 轮轨 噪声 成 为 高 速列 车 的 主要 噪声 源 ¨ ． ｊ 通
通过计 算 高速 列 车 外 流 场 ， 到 高 速 列 车外 流场 得 压 力 脉动 情况 ， 后 将 列 车 表 面 的 瞬 时 脉 动压 力 然 进 行 Ｆ 转 换 ， 算 列 车 外 流场 中某 监测 点 的声 丌 计 压 随时 间变化 以及 声压 级 随频谱 分 布等 有关 的声 学参 数 Ｊ ． 本 文 建立 了高 速 列 车 空气 动 力 学 仿 真 模 型 ， 基 于 大涡 模拟 和 气 动 声 学理 论 ， 过 以稳 态 结 果 通
结 果进 行 了 比较分 析 ．
气动 噪声 是 指气体 自由流 动或 者物 体 和气 体 相互 作用 导致 气 体 的扰 动 而 辐 射 的噪 声 ＿ ． ３ 当前 ］ 对 高 速列 车气 动 噪 声 的研 究 主要 依 赖 于试 验 ， 但 有 其 局 限性 ， 如 费用 高 ， 例 易受 线路 、 环境 、 备 等 设 因素 的影 响 ， 量 数 据 有 限从 而 不 易 得 到 列 车气 测
此 取计算 域 长度 ４ ０ｍ， ０ 宽度 １ ０ｍ， １ 高度 ８ 计 ０ｍ． 算 域如 图 ２所 示 ．
定 义 为 ： ：Ｐ ｆ ｐ “ ， “Ｍ － “ ・ｆ 它体 现 了运 动方 程
受到小 尺度 涡 的影 响．
１ ３ 声 类 比方 程 ．
根 据 Ｎ Ｓ方 程 和 连 续 性 方 程 ， ｉｈｈ ｌ 出 — Ｌｇ ｔｉ 导 ｌ 了流 场 中声传播 公 式 。 。： 一ｃ Ｖ Ｐ ＝ 。 ＝
２
（ ㈩） ４
ｄ丁
ｏｙ ｏ ｙ
式 中 ， Ｐ 为流 体密度 的扰动量 ， ＝Ｐ— 。， 。 Ｐ Ｐ Ｐ 和 Ｐ分 别 是 未 扰 动 时 与 扰 动 的 密 度 ； ｏ Ｌｇｔｉ Ｔ． 为 ｉ ｈｌ ｈ ｌ
应力 ， ＝ｐ 一 ＋６ （ ｕ ｐ—Ｃ ）； 指黏 性应 ｏ ￣ Ｖ
力ｅ ＋ 争鬻；表 ，＝ 一 示 … ｒ ｊ ｉ
ｄｌ ｅｔ ａ符号 ； 。 声速 ， 为 Ｈ ｍｉｏ ｃ为 ａ ｌｎ算子 ． ｔ
２ ３ 网格 划分 ．
图 ２ 计算域
Ｆ ｗ ｓ ｌａ ｓ Ｈ ｗ ｉ ｓ ｆ ｃ Ｗｉｉ 和 ａ ｋ ｇ 考虑到运动 固体 ｏ ｌｍ ｎ