11-高速列车气动噪声分析

10 Hz
50 Hz
100 Hz 22
1000 Hz
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CAA模拟结果
（平均流速380km/h ）
声源附近测量点的声压级频率谱线 (SPL in dB, field points1-6)
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ACTRAN / Aero-acoustics 湍流噪声计算流程
From CFD to CAA ...
CFD - LES/DES
非定常流场分布
压力，速度，密度，等…
ACTRAN - iCFD
根据CFD计算结果通过Lighthill 或 Mohring 声类比提取湍流噪声源 通过傅里叶变换将时域结果变换 到频域
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CAA模拟结果-声压级来自百度文库图
（100Hz,平均流速380km/h ）
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CAA模拟结果-声压级云图
（200Hz,平均流速380km/h ）
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测量面（左图）
测量点（右图）
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ACTRAN -iCFD 提取流动噪声源
ACTRAN湍流噪声分析
需要根据CFD工具(例如Fluent, Star-CD,
CFX等)计算得到的非定常流场提取流动噪 声源
ACTRAN –iCFD [1]根据流场变量通过Lighthill / Mohring声 类比沿CAA网格积分计算流动噪声源 [2]通过Fourier变换将时域结果变换到频域 [3]Mohring声类比还需要将CFD流场导入 到CAA计算网格上
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气动噪声问题概述
原始结构几何模型与噪声问题描述 ACTRAN Aero-acoustics湍流噪声分析流程与原理 CFD非定常流动模拟 CFD网格划分与Fluent建模 CFD模拟结果 CAA湍流噪声分析 ACTRAN Aero-acoustics模型
CAA网格划分与ACTRAN建模
ACTRAN-iCFD提取噪声源(Lighthill/Mohring)和导入流场(Mohring) ACTRAN Aero-acoustics频域分析结果
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列车车身模型
车身结构
网格模型
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声学近场模型（右图）
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CAA: ACTRAN / Aero-acoustics计算区域
声传播区域（左图）
无反射边界（右图）
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CAA: ACTRAN / Aero-acoustics计算区域
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CFD非定常流场计算
Fluent DES 分离涡模拟计算结果
速度幅值云图 (Vmean=105.555m/s)
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CFD非定常流场计算
Fluent DES 分离涡模拟阻力系数(Cd)结果
CAA模拟结果-声压级云图
（500Hz,平均流速380km/h ）
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CAA模拟结果-声压级云图
（1000Hz,平均流速380km/h ）
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CAA模拟结果
（平均流速380km/h ）
科学模拟列车运行气动噪声，可以指导通过合理优化列车气动外形
有效降低运行中高速流动产生的噪声。这也是通过主动控制声源降 低高速列车噪声直接有效地方法。 科学模拟列车车厢内部结构与装饰部件在振动激励下形成的车厢内 部噪声环境，对合理评价车厢结构与声学设计具有实际应用指导意 义，可以直接作为预测乘客乘车舒适感的主要方法与依据。
CFD非定常流场采样
fmin = 1/(NΔt) fmax = 1/(2Δt) Δf = fmin
fmin = 50 Hz fmax = 5000 Hz N = 200, Δt = 0.0001s
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CAA模拟结果
湍流声源分布云图
（平均流速380km/h ）
为发动机转速，P为发动机马力。
高速运行中强烈的气动噪声与轮轨及伴随振动噪声为高速列车主要噪声 源。目前主要列车噪声预测方法是根据实验测量数据拟合的经验关系，
对列车声学设计不具备直接指导意义。
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列车噪声问题概述
高速客车噪声影响包括两个方面，车内环境舒适感与外部周围居民 的正常生产生活环境。有效抑制列车噪声可以分为主动控制声源和 被动隔声两类主要途径。
Mohring Analogy
非线性声场，对流影响声场 较强平均流动 高雷诺数(Re~106) 非均匀介质声传播
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CFD流场计算网格
怎样构建CFD计算网格？
通过网格生成工具，例如 iCEM CFD，Patran，Hypermesh等 … 导入几何模型 生成CFD计算网格
列车车身气动噪声问题
工况说明： 【1】列车车身结构如上页图所示 【2】外流场为均匀流场,沿上页图中x负方向,平均流动速度380km/h 【3】雷诺数 Re ~ 1*107 , 马赫数 Ma ~ 0.3 【4】车身为硬结构，在气流作用下不发生形变
需求：
在不同车速下，车身表面气流流动产生的湍流噪声响应 最大噪声响应的频率和量级，以及对应的工况
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CFD非定常流场计算
Fluent DES 分离涡模拟结果 (V
车身表面压力分布图
mean=105.555m/s)
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CFD非定常流场计算
Fluent DES 分离涡模拟计算结果
Turbulent Intensity (Vmean=105.555 m/s)
ACTRAN -iCFD
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ACTRAN -iCFD 提取流动噪声源
Nyquist Theorem
原始连续时间变量q(t) 离散采样时间序列q(tk) q(t)~q(tk) if Δt<1/(2fmax) fmax = 5000Hz Δt<0.0001s
Normalized Drag Coefficient (top) & Its Fourier Transform (bottom)
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ACTRAN/Aero-acoustics 列车车身气动噪声模型
声学网格
声传播媒质材料
频域分析模型
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列车运行噪声主要包括，轮轨噪声，机车动力装置噪声，列车振动噪声 ，等等。日前，随着列车运行速度的不断提高，气动/湍流噪声成为新 型高速列车另一重要噪声源。新型高速列车广泛采用电力动力装置，相 对早先蒸汽与内燃动力机车发动机噪声较小。传统的列车发动机噪声A 计权关系LA=30lgN+10lgP-31.4(dBA)对新型高速列车不再适用，其中N
CAA声场计算网格
怎样构建CAA计算网格？
通过网格生成工具，例如 iCEM CFD，Patran，Hypermesh等 … 导入几何模型 生成CFD计算网格
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CAA: ACTRAN / Aero-acoustics计算区域
声学全模型（左图）
ACTRAN - Aero-acoustics ACTRAN - VI
计算数据后处理，声场云图及频谱显示
传播iCFD计算出的流动声源 计算声场分布以及指定位置的声学 变量
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ACTRAN / Aero-acoustics 计算原理
CFD计算 (URANS, LES, DNS, …)确定非定常流场 根据非定常流场计算结果提取流动噪声源 Lighthill 声类比 Möhring 声类比
ACTRAN在高速列车声学设计中的应用
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列车噪声问题概述
轨道交通噪声对周围居民生产生活影响，日趋严重。降低列车噪声已成 为当前交通运输工程中的紧迫任务之一。上海市于2010年03月01日开始
实施关于轨道交通列车运行产生的噪声与振动限值与测量管理方案。
10Hz
20Hz
50Hz
100Hz
200Hz
500Hz
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CAA模拟结果
噪声辐射指向性 (50m)

水平面 DD X-Y(左图) 180o 横截面 DD Y-Z(右图) 90o
（平均流速380km/h ）
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无反射边界 Ge 体声源区域 Ws 测量面 测量点
CAA 计算域 W (Actran/AA, FEM)
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Lighthill / Mohring 声类比
Lighthill Analogy
线性声场，流场与声场没有耦合 低马赫数(Ma<0.2~0.4) 高雷诺数(Re~106) 均匀介质声传播
近场(7m)测量点声压级频率谱线
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CAA模拟结果
（平均流速380km/h ）
近场(12m)测量点声压级频率谱线
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CAA模拟结果
（平均流速380km/h ）
远场测量面(50m)声压级云图 (正俯视图)
CAA模拟结果-声压级云图
（10Hz,平均流速380km/h ）
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CAA模拟结果-声压级云图
（20Hz,平均流速380km/h ）
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CAA模拟结果-声压级云图
（50Hz,平均流速380km/h ）
气动噪声问题总结
支持主流CFD软件的数据格式，包括Star-CD, Star-CCM+, Fluent, CFX,
Powerflow ，AcuSolve, OpenFOAM。
提取近体流动源项(速度、密度、压力)，体声源意味着更高的精度。Lighthill声 类比(低速流动)及Möhring声类比(高速流动)为CAA分析提供了更多的声源项选 择。 通过CFD动静区交界面上提取的面声源，流动噪声分析能够有效处理旋转流场 通过近体声源提取流动噪声源，对CFD湍流计算的要求明显降低计算消耗降低。 基于稀疏网格的计算结果在低频范围与加密网格基本一致。高频范围由于波长较 短，为保证计算精度需要使用加密网格。 Actran提供了特有的、具有高度伸缩性的、基于域分割技术的核内和核外求解 器。