高速列车气动噪声数值仿真

3． 2
高速列车车头曲面远场气动噪声数值分析 高速列车运行 时， 与 空气作用 引起 的气动噪
车身长 l = 76． 6 m， 高度 h = 3． 8 m， 宽 度 w = 3． 2 m． 根据相关文献及研究对 象 的 特 点， 计算 区 域 的 总 长为 L ＞ 5 l ， 高度 H ＞ 20 h， 宽度 W ＞ 25 w ， 按 此取计算域长度 400 m， 宽度 110 m， 高度 80 m． 计 算域如图 2 所示．
0
引言
随着高速列车速 度 的 提 高， 噪声 污染越来越 ， 严重 高速列车气动噪声随速度提升而迅速增加， 远高于其他噪声增长幅度． 研究表明， 当列车运行 速度高于 300 km / h， 列车运行 产生 的气动噪声 将 替代轮轨噪声成 为高速列车的主 要 噪声 源 ． 通 常， 高速列车气动噪声 与 速 度 的 6 ～ 8 次 方 成正 ［2 ］ 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． 相互作用导致气 体 的 扰 动 而辐射 的噪声 气动噪声是指气体自由流动或者物体和气体 ［3 ］ ． 当前
高速列车气动噪声数值仿真
张军，黄艳艺， 兆文忠
( 大连交通大学 交通运输工程学院， 辽宁 大连 116028 ) * 摘 要: 建立了高速列车组包括头车 、 中间车、 尾车及外部空间在内的气动噪声计算物理模型， 从声学理
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 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 无明显的主频， 属于宽频噪声． 在低频中气动噪声能量较大， 在高频上能量较小． 以稳态结 宽的频带内， 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
[ (
)]
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2． 1
计算空气动力学模型
车体外轮廓几何模型
由于列车外 形 复杂且 细 长比 很大， 进行气动 噪声计算很困难， 对车体几何模型做了简化． 高速 尾车及一节中间车厢， 考虑到空调 列车包括头车、 导流罩， 受电弓导流罩， 转向架安装部位对气动噪 声的影响， 几何模型保留这些结构的几何特征， 如 1 ． 图 所示
第 33 卷 第 4 期 2012 年 8 月
JOURNAL
大 连 交 通 大 学 学 报 OF DALIAN JIAOTONG UNIVERSITY
Vol． 33 No． 4 Aug． 2012

文章编号: 1673-9590 ( 2012 ) 04-0001-05
定 义为: τ ij = ρ u i u j － ρ u i·u j ， 它体现了运动方程 ． 受到小尺度涡的影响 1． 3 声类比方程 S 方 程 和 连续 性方 程， Lighthill 导 出 根据 N［10 ］ 了流场中声传播公式 :
2 2 T ij ρ' 2 2 － c ' = ( 4) ρ 0 2 y i y j τ 式 中， ρ' 为流体密度的扰动量， ρ' = ρ － ρ o ， ρo 和 ρ 分 别 是 未 扰 动 时与扰 动的 密 度; T ij 为 Lighthill
*
0326 收稿日期: 2012基金项目: 国际科技合作计划资助项目( 2010DFB80050 ) 作者简介: 张军( 1964 － ) ， 男， 副教授， 博士， 主要从事车辆声学仿真、 噪声控制、 优化设计等的研究 E-mail: zhj@ djtu． edu． cn．
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第 33 卷
针对近场噪声， 直接 监 测车 身 表 面定点 的 脉 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 ( FFT ) 转换到 频 域． 通 过 Ffowcs Williams and Hawkings ( FWH ) 方 程 计算 远 场 噪 得到高速列车气动噪声特性． 声， 1 ． 1 纳维 － 斯托克斯方程( NS 方程) 在流体力学中， 流体视为连续介质且充满整个 空间， 并满足物理守恒定律， 相 对 应 的 数 学 描述 就 S 方程: 是流体的基本控制方程 N-
［1 ］
通过计算高速列车外 流 场， 得到 高速列车外 流 场 压力脉动情况， 然后 将 列车表 面 的瞬 时脉 动 压力 进行 FFT 转换， 计算列车外 流 场 中 某监 测 点 的声 压随时间变化以及声压级随频谱分布等有关的声 ［9 ］ 学参数 ． 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， 通 过 以稳态结果 预测了高速 作为初始值进行瞬态大 涡 模 拟 计算， 列车产生的气动噪声; 并用直接瞬态法对 相同 工 况下的气动噪声进行了计算， 对 两种 方法计算的 结果进行了比较分析．
3
3． 1
数值结果分析
高速列车车头曲面近场气动噪声数值分析 列车由于车头 曲 面 的 形 状 变化， 在高速运行
过程中， 会产生剧烈的空气扰动， 使空气湍流而产 ． 生了气动噪声 高速列车明 线 运行速 度 200 km / h 时， 车头纵向 剖 面 压力 沿 着 纵 向 方 向 展 开 如 图 3 所示． 从图中可以看出， 两种计算方法得出的压力 变化趋势是一致 的， 头车在 来流 方 向 迎 面 把静止 气流向四周排开， 气流被压缩， 在鼻尖处产生了最 大正压， 气 流 沿 着 车头 曲 面 流 动， 压力 逐渐 变 小， 当到 达 导流 板凹槽 时， 压力迅 速 减 小， 变 成 负 压， 之后车头曲面光滑过渡， 压力增加， 在车头与车身 过渡区域， 空气流动滞后， 压力减小， 直至负压． 直 接瞬态计算在车头 纵剖 面 曲 线 曲率 变化 大的 地 方， 压力 值较高， 压力 变化 梯 度 也 较大; 在 曲率 变 化平缓的地方， 压力值、 压力变化梯度与以稳态结 果作为初始值的瞬态计算所得的相近．
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基本分析理论
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， 例如费用高， 易受线路、 环境、 设备等 因素的影响， 测量 数据 有限 从 而不 易得到 列车气 ［4 ］ 动噪声场整体特 征 ， 而 数 值法可 重 复、 成 本 低， 尤其随着大容分量计算 工 作 站、 计算 集群 以及 云 计算技术的迅速发 展， 数 值法在预测 复杂 大结 构 空气动力学及气动噪声方面得到了越来越多的应 用． 研究表明， 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， 而 这种 脉 ［58 ］ ． 数值模拟 动压力是与流场的涡旋密切相关的
图3
车头纵向剖面压力沿纵向方向展开
为了得到车头 近场 的气动噪声， 在车头的 鼻 ， 锥处 导流板凹槽 及车头 向 车 顶 过 渡 区 域 取 了 4 B、 C、 D 记录脉动压力， 个具有代表性的点 A、 选取 的点位置如图 4 所示．
图5
非直接瞬态计算
图6
直接瞬态计算
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第4 期
张军， 等: 高速列车气动噪声数值仿真
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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， 如附表． 前者采用大涡模拟湍流 模型， 后者以标准 模型计算 所得 的稳态结果作为 初始值采用大 涡 模 拟 湍 流 模型进行计算． 在 相同 的时间步的条件 下， 前者 计算 时 间 比 后 者 多 了 一 倍的时间．
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图2
计算域
2． 3
网格划分
因车身表面不规则， 且带有空调导流罩、 受电 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． 为 了 满 足 LES 计 算 要 求， 车身壁面网格较细， 远离车身网格随一定的比 例因子而增大． 2． 4 求解器设置 列车行驶速度为 200 km / h， 直接瞬态计算 和
ρ
du i 2 = ρf i － p + μ u + dt x i 3
(
)
是 Diracdelta 函数; H( f) 指 Heaviside 函数; P ij 表 H 方程， 示应力张量． 利用 FW可以求解声场任 意 观测点的噪声， 即使这些点不在计算区域内．
u i u j ( 1) μ + x j x j x i x2 ， x3 分别为笛卡尔坐标 式中 ， ρ 是流体密度; x1 ， 在 x i 方向 系 的三个坐标变量; u 是流体速度矢量， 上的分量为 u i ， 在 x j 方向 上的分量为 u j ; μ 是流 体动力粘度; p 是流场中的 压力; f 是 作用在 流体 上的体积力． 1． 2 LES 模型控制方程 LES 模型的控制方程是由 NS 方程 在 波 数 空 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: ui ρ ρ珔 = 0 + t x i ( 珔) ( 珔珔) ρu i + x ρu i u j = t j 珋 τ ij ui 珔 p － － μ x i x j x j x j ( 2)
附表
边界位置 计算区域左侧 计算区域右侧 计算区域侧面及顶端 计算区域底面 车体表面
图4
车头监测点布置图
求解器设置
边界条件 入口 出口 对称 壁面 壁面 设置 v = 55． 556 m / s 压力出口 标准对称面 滑移壁面 固定壁面
图 5 和 图 6 所 示 分 别 为列车运行速 度 200 km / h， 直接瞬态计算和以稳态结果作为初始值的 B， C 和 D 点 的 脉 动 压力通 过快 速 瞬态计算中 A， 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 个点的声压级都 在 一 定 的 范围 内 波 动， 随着 频 率 的增加， 声压级逐渐减小， 因此气动噪声在低频的 高频的能量较小; 四 个 点 的声 压级 中 A 能量较大， A 点对流体扰 点为车头 鼻尖位置， 曲面曲率最大， 动最强烈， 导致 A 点声压级幅值和波动幅度最大; 而直接瞬态计算各点声压级波动趋势没有明显规 各点波动范围都很小， 且各点声压级基本都在 律， 89 ～ 92 dB 范围 内 波 动， 没有反映 出气动噪声的 特性．
(
)
图1
高速列车模型
( 3) 2． 2 计算区域选取 由 头车、 中间车、 尾车组 成 的动车组模型， 其
— 式中，( ) 指 按 空间 滤波; ρ 表 示 流体 的 密 度; t ui 和 珔 u j 分 别 表 示 过 滤 后 的速 度 分量; μ 指时 间; 珔 是湍流黏 性 系 数; τ ij 指 亚网格 应 力 ( SGS 应 力 ) ，
T ij = ρu i u j － e ij + δ ij ( p － c2 应 力， 0 ρ ) ; e ij 指 黏 性 应 u i u j 2 u k e ij = + － δ ij ; δ ij 表示 Kronecker 力， 3 y k y y j i delta 符号; c o 为声速， 为 Hamilton 算子． Ffowcs Williams 和 Hawkings 考虑到运动固体 边界对声音的影响， 略去四极子 和 单极子 声 源 影 H 方程为: 响， 推导出 FW ρ' 2 ρ' { T H( f) } － 2 －a o 2 = x i x j ij t x i f f P δ( f) + ρv δ( f) ( 5 ) x i ij x j t o n x i a o 指远场声速; v n 表示表面法向速度; δ( f) 式 中，