高速列車氣動(dòng)噪聲仿真與試驗(yàn)對(duì)比分析

馬曉龍，高 陽

(中國北車集團(tuán) 長春軌道客車股份有限公司技術(shù)中心 基礎(chǔ)研發(fā)部，吉林 長春 130062)＊

0 引言

隨著高速列車技術(shù)的快速發(fā)展，噪聲影響越來越受到廣泛的關(guān)注.研究表明隨運(yùn)行速度提高，牽引系統(tǒng)噪聲以及輪軌噪聲等機(jī)械噪聲以大約速度的3次方增加，而氣動(dòng)噪聲則以速度的6次方左右快速增長，且列車運(yùn)行速度超過250 km/h后氣動(dòng)噪聲源將取代牽引系統(tǒng)噪聲以及輪軌噪聲成為主要噪聲源［1-2］.

目前，高速列車氣動(dòng)噪聲的研究有計(jì)算機(jī)仿真、縮尺模型在聲學(xué)風(fēng)洞中的氣動(dòng)噪聲試驗(yàn)和實(shí)車線路測試等方法.實(shí)車線路測試更為有效，可以直接測量車外噪聲，但需要耗費(fèi)大量的人力物力，并且可執(zhí)行的機(jī)會(huì)非常有限.

研究借助Actran建立某高速列車1∶8縮尺比例的三輛編組列車氣動(dòng)噪聲CFD/CAA混合數(shù)值分析模型［3］，采用基于聲類比的氣動(dòng)噪聲混合算法模擬外場氣動(dòng)噪聲，并將仿真分析數(shù)據(jù)與聲學(xué)風(fēng)洞中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性.

1 基于聲類比的氣動(dòng)噪聲混合算法

基于聲類比氣動(dòng)噪聲混合算法最早由Lighthill先生提出.聲類比基于流場和聲場是非耦合的基本假設(shè)，低馬赫數(shù)(Ma ＜0.2 ～0.4)、高雷諾數(shù)(Re～106)、均勻介質(zhì)傳播，氣體流動(dòng)產(chǎn)生噪聲不影響流體內(nèi)部動(dòng)態(tài)［4］.

無外力作用的流體質(zhì)量和動(dòng)量守恒方程如下:

其中:ρ為流體密度;v為速度;p為壓力;τ為粘性力張量.

合并方程(1)和(2)，得到聲類比方程為

其中非定常聲源項(xiàng)中Lighthill張量為:

對(duì)于低馬赫數(shù)、高雷諾數(shù)的空氣流場，Lighthill張量可近似表示為:

遠(yuǎn)離聲源區(qū)，密度表示為ρa(bǔ)=ρ-ρ0，則聲類比方程(3)表示為:

基于大渦模擬和聲類比混合算法，通過STAR-CCM+和ACTRAN兩種軟件計(jì)算高速列車氣動(dòng)噪聲流程如圖1所示.

圖1 大渦模擬和聲類比的氣動(dòng)噪聲混合算法流程圖

2 氣動(dòng)噪聲仿真分析

(1)計(jì)算首先采用雷諾時(shí)均方法(RANS)得到非定常流場的初始準(zhǔn)定常解，然后采用大渦模擬方法進(jìn)行非定常流場計(jì)算［5］.為了更好地刻畫流動(dòng)在近壁面邊界層內(nèi)的行為，在近壁面位置均進(jìn)行了邊界層網(wǎng)格劃分，建立了15個(gè)邊界層，第一層邊界層厚度設(shè)定為2.5×10-4m，相鄰兩層邊界層網(wǎng)格保持1.1倍的增長比.計(jì)算時(shí)需要統(tǒng)一非定常流場計(jì)算的時(shí)間步長和遠(yuǎn)場聲場計(jì)算的時(shí)間步長.對(duì)于任意一個(gè)時(shí)間步長為Δt的噪聲時(shí)間序列而言，經(jīng) FFT變換后的最高頻率為1/(2Δt)Hz，N個(gè)CFD流體結(jié)果經(jīng)FFT變換后的最低頻率為1/(NΔt)Hz.氣動(dòng)噪聲為寬頻帶噪聲，如本文高速列車外場氣動(dòng)噪聲計(jì)算的最高頻率為5 kHz，相對(duì)應(yīng)的時(shí)間步長為1e-4 s，共計(jì)算了500步CFD流體結(jié)果，得到氣動(dòng)噪聲計(jì)算的最低頻率為20 Hz.當(dāng)非定常流場求解過程趨于平穩(wěn)后，開始進(jìn)入聲學(xué)計(jì)算模塊.由于CFD模型單元數(shù)達(dá)到3 000萬左右，如果直接輸出STAR-CCM+自身格式*.ccm結(jié)果，數(shù)據(jù)量較大，因此，為減少數(shù)據(jù)量，采用STAR-CCM+輸出中間格式Ensighgt結(jié)果方式，由于選擇不可壓求解，密度為定常值，只輸出速度參量，供Actran讀取.

(2)CAA湍流氣動(dòng)噪聲分析步驟如下:①首先利用Actran中ICFD的功能，將CFD基本量(速度、密度、壓力)轉(zhuǎn)換為聲源;②劃分聲學(xué)網(wǎng)格，建立Actran聲學(xué)分析模型，將①中所獲得的聲源用積分法插值到聲學(xué)網(wǎng)格上;③執(zhí)行傅里葉轉(zhuǎn)換，將時(shí)域聲學(xué)量轉(zhuǎn)換為頻域量;④利用Actran計(jì)算聲傳播，導(dǎo)出預(yù)設(shè)場點(diǎn)的聲場云圖和聲壓頻響函數(shù).

聲學(xué)計(jì)算域網(wǎng)格(見圖2)，以三輛編組列車總長度L為特征長度，來流方向取L，出口方向取3 L，外場高度0.5 L，寬度取0.3 L，車體離地面高度為實(shí)車運(yùn)行時(shí)輪軌接觸點(diǎn)距離地面高度.采用一階線性四面體單元及六面體單元?jiǎng)澐郑紤]到計(jì)算效率與精度的平衡，共劃分四面體單元15 253 473個(gè)，六面體單元4 003 738個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)4 532 785個(gè).網(wǎng)格劃分保留了許多列車附屬部件，并加密了復(fù)雜結(jié)構(gòu)處的網(wǎng)格分布，保證較精細(xì)的刻畫其結(jié)構(gòu)特征.

圖2 聲學(xué)計(jì)算域網(wǎng)格

3 仿真分析結(jié)果

列車高速行駛過程中形成湍流脈動(dòng)噪聲源，如圖3所示，該聲源在以地面為邊界的半無界空間進(jìn)一步向遠(yuǎn)場傳播，形成聲傳播分布云圖［6］，如圖4所示，從分析結(jié)果可以看出，列車高速行駛過程中主要聲源集中在車頭、受電弓、轉(zhuǎn)向架以及車尾部等地方，這些地方是關(guān)注的重點(diǎn)，因此，在提取聲源時(shí)必須對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，以便保證提取的聲源精確.經(jīng)過聲傳播計(jì)算后發(fā)現(xiàn)列車附近的聲場分布都比較大.

圖3 湍流脈動(dòng)噪聲源聲壓級(jí)(dB(A))分布云圖

圖4 聲傳播計(jì)算域聲壓級(jí)(dB(A))分布云圖

4 仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

以250 km/h速度工況為例就列車的仿真分析數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)上海地面交通工具風(fēng)洞中心的氣動(dòng)-聲學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行.試驗(yàn)段尺寸為27 m×17 m×12 m，噴口面積27 m2，試驗(yàn)段沿射流方向有效長度15 m.試驗(yàn)段按照半消聲室設(shè)計(jì)，來自于風(fēng)機(jī)的噪聲及流道內(nèi)的氣動(dòng)噪聲主要通過多級(jí)消聲處理得到控制，致使試驗(yàn)段的背景噪聲滿足高速列車氣動(dòng)噪聲的試驗(yàn)需求［7］.列車模型為某高速列車的1∶8縮尺模型，由頭車、中間車和尾車組成，包含了列車附屬結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)特征.

圖5 流場外傳聲器測點(diǎn)分布(高度0.8 m)

流場外對(duì)比測點(diǎn)如圖5所示，對(duì)比結(jié)果如圖6所示.測點(diǎn)1在1 000、1 600、2 000 Hz處仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合度較高，測點(diǎn)2在600、1 600、3000 Hz處仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合度較高，測點(diǎn)3在600、1 400、2 000 Hz處仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)詩句吻合度較高，測點(diǎn)4在600、1200、2400 Hz處仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合度較高.

圖6 流場外測點(diǎn)仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

5 結(jié)論

(1)仿真與試驗(yàn)對(duì)比分析表明建立的仿真分析模型基本能夠反映聲學(xué)風(fēng)洞中縮尺模型的試驗(yàn)情況，仿真分析數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合度較高，在某些特征量上基本一致，為以后的設(shè)計(jì)改進(jìn)和新車型的開發(fā)提供了一套可行的方法;

(2)列車高速行駛過程中的氣動(dòng)噪聲在車頭、車尾、受電弓以及轉(zhuǎn)向架表面A計(jì)權(quán)總聲壓級(jí)分別達(dá)到 98、104、121、113 dB(A)，今后設(shè)計(jì)中應(yīng)在以上部位多采取降噪措施;

(3)為獲得精確的聲場計(jì)算結(jié)果，需要減少CFD采樣時(shí)間步，增加采樣時(shí)長，即增加CFD計(jì)算的瞬態(tài)數(shù)據(jù)量，以反映真實(shí)的聲場變化情況.

［1］MARTENS A，WEDEMANN J，MEUNIER N，et al.High Speed Train Noise-SoundSource Localization at Fast Passing Trains［C］.Deutsche Bahn AG，Sociedad Espanola de Acustica，S.E.A.，2009.

［2］LAUTERBACH A，EHRENFRIED K ，KROBER S，et al.Microphone ArrayMeasurementsonHigh-speed Trains in Wind Tunnels［C］.Berlin Beamforming Conference，2010.

［3］王丹，白俊強(qiáng)，黃江濤，等.基于轉(zhuǎn)捩/尺度適應(yīng)模型與FW-H聲學(xué)方程的氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬研究［J］.計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào)，2013(5):704-711.

［4］劉加利，張繼業(yè)，張衛(wèi)華.高速列車車頭的氣動(dòng)噪聲數(shù)值分析［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2011(9):19-26.

［5］孫振旭，王一偉，安亦然.高速列車氣動(dòng)噪聲的計(jì)算研究［J］.水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展(A 輯)，2010(5):660-668.

［6］MARTENS A，WEDEMANN J，MEUNIER N，et al.High Speed Train Noise-Sound Source Localization at Fast Passing Trains，Deutsche Bahn AG［C］.Sociedad Espanola de Acustica，S.E.A.，2009.

［7］LAUTERBACH A，EHRENFRIED K，KROBER S，et al.Microphone Array Measurements on High-speed Trains in Wind Tunnels［C］.Berlin Beam forming Conference，2010.