高速列车气动噪声数值仿真

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1、第33卷第4期大连交通大学学报Vol．33No．42012年8月JOURNALOFDALIANJIAOTONGUNIVERSITYAug．2012文章编号:1673-9590(2012)04-0001-05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

2、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宽的频带内，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:A0引言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随着高速列车速度的提高，噪声污染越来越进行F

3、FT转换，计算列车外流场中某监测点的声严重，高速列车气动噪声随速度提升而迅速增加，压随时间变化以及声压级随频谱分布等有关的声远高于其他噪声增长幅度．研究表明，当列车运行［9］学参数．速度高于300km/h，列车运行产生的气动噪声将［1］本文建立了高速列车空气动力学仿真模型，替代轮轨噪声成为高速列车的主要噪声源．通基于大涡模拟和气动声学理论，通过以稳态结果常，高速列车气动噪声与速度的6～8次方成正［2］作为初始值进行瞬态大涡模拟计算，预测了高速比，而其他噪声与速度的2～3次方成正比．如列车产生的气动噪声;并用直接瞬态法对相同工何准确地预测高速列

4、车的气动噪声是一个非常有况下的气动噪声进行了计算，对两种方法计算的意义的课题．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［3］相互作用导致气体的扰动而辐射的噪声．当前1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，但针对近场噪声，直接监测车身表面定点的脉有其局限性，例如费用高，易受线路、环境、设备等动压力，对监测所得表面脉动压力的时域值，利用因素的影响，测量数据有限从而不易得到列车气［4］快速傅立叶变换(FFT)转换到频域．通过Ffowcs动噪声场整体特征，而数值法可重复、成本低，WilliamsandHawkings(

5、FW-H)方程计算远场噪尤其随着大容分量计算工作站、计算集群以及云声，得到高速列车气动噪声特性．计算技术的迅速发展，数值法在预测复杂大结构1．1纳维－斯托克斯方程(N-S方程)空气动力学及气动噪声方面得到了越来越多的应在流体力学中，流体视为连续介质且充满整个用．研究表明，诱发高速列车气动噪声的根本原因空间，并满足物理守恒定律，相对应的数学描述就在于高速列车运行中产生的脉动压力，而这种脉［5-8］是流体的基本控制方程N-S方程:动压力是与流场的涡旋密切相关的．数值模拟*收稿日期:2012-03-26基金项目:国际科技合作计划资助项目(2010D

6、FB80050)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．2大连交通大学学报第33卷dui2是Diracdelta函数;H(f)指Heaviside函数;Pij表ρ=ρfi－(p+μu)+dtxi3示应力张量．利用FW-H方程，可以求解声场任意uiuj观测点的噪声，即使这些点不在计算区域内．[μ(+)](1)xjxjxi2计算空气动力学模型式中，ρ是流体密度;x1，x2，x3分别为笛卡尔坐标系的三个坐标变量;u是流体速度矢量，

7、在xi方向2．1车体外轮廓几何模型上的分量为ui，在xj方向上的分量为uj;μ是流由于列车外形复杂且细长比很大，进行气动体动力粘度;p是流场中的压力;f是作用在流体噪声计算很困难，对车体几何模型做了简化．高速上的体积力．列车包括头车、尾车及一节中间车厢，考虑到空调1．2LES模型控制方程导流罩，受电弓导流罩，转向架安装部位对气动噪LES模型的控制方程是由N-S方程在波数空声的影响，几何模型保留这些结构的几何特征，如间或物理空间进行过滤得到的．过滤的过程是去图1所示．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:ρρ珔ui

8、+=0(2)txi(ρ珔ui)+(ρ珔ui珔uj)=txj图1高速列车模型珔uip珋τij(μ)－－(3)xjxjxixj2．2计算区域