時(shí)速600km等級(jí)高速磁浮列車氣動(dòng)噪聲特征數(shù)值仿真研究

張 潔，吳雨薇，高建勇，高廣軍，楊志剛

（1.中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院 軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410075；2.中南大學(xué) 軌道交通安全關(guān)鍵技術(shù)國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410075；3.軌道交通列車安全保障技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410075）

隨著交通運(yùn)輸體系的快速發(fā)展，人們對(duì)出行速度的要求越來越高，當(dāng)速度提升至400 km·h-1以上等級(jí)時(shí)，高速列車運(yùn)行時(shí)受到輪軌系統(tǒng)和弓網(wǎng)受流條件的限制。磁浮列車作為一種新型交通工具，運(yùn)行時(shí)懸浮于軌道之上，相較于高速列車可以獲得更高的運(yùn)行速度，逐漸成為關(guān)注熱點(diǎn)［1-2］。目前，我國(guó)自主研發(fā)的高速磁浮列車樣車已經(jīng)下線，設(shè)計(jì)速度為600 km·h-1，可有效填補(bǔ)高速鐵路和民航運(yùn)輸間的空白速度區(qū)，具有廣闊的發(fā)展前景，對(duì)完善高速交通運(yùn)輸體系具有重要意義［3］。

當(dāng)磁浮列車高速運(yùn)行時(shí)，列車周圍空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)對(duì)列車的平穩(wěn)性和舒適性產(chǎn)生較大影響［4］。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)磁浮列車的氣動(dòng)性能開展了相關(guān)研究。Yyll等［5］利用帶移動(dòng)地面的風(fēng)洞，對(duì)1∶12縮比的3節(jié)TR06型磁浮列車在約241.4 km·h-1速度時(shí)的氣動(dòng)性能進(jìn)行了綜合研究，得到了列車氣動(dòng)力數(shù)據(jù)，為以后的研究提供了參考依據(jù)。姚拴寶等［6］采用改進(jìn)的VMF 參數(shù)化方法和曲面離散方法，對(duì)高速磁浮列車頭型進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，采用改進(jìn)的優(yōu)化外形后整車氣動(dòng)阻力系數(shù)減小19.2%。Zhou 等［7］通過對(duì)明線600 km·h-1速度高速磁浮列車流場(chǎng)特征進(jìn)行仿真研究發(fā)現(xiàn)，列車車體側(cè)面附面層受表面渦結(jié)構(gòu)脫落的影響，厚度明顯增加，在列車肩部以及曲面變化區(qū)域，產(chǎn)生了較多漩渦結(jié)構(gòu)，在尾流區(qū)域出現(xiàn)1對(duì)反向旋轉(zhuǎn)的縱向漩渦。

現(xiàn)有文獻(xiàn)中磁浮列車氣動(dòng)噪聲的數(shù)值仿真研究較少，大多是關(guān)于磁浮列車氣動(dòng)噪聲的試驗(yàn)研究，比如德國(guó)在試驗(yàn)線路對(duì)TR08 列車路測(cè)通過噪聲水平進(jìn)行測(cè)量，得出不同軌道類型在200～400 km·h-1速度下標(biāo)準(zhǔn)測(cè)點(diǎn)A 計(jì)權(quán)聲壓級(jí)［8］。段傳波等［9］使用多通道噪聲分析系統(tǒng)，對(duì)中低速磁浮列車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行了信號(hào)采集及分析，結(jié)果表明：同速度級(jí)下，中低速磁浮列車相對(duì)輪軌列車輻射噪聲更低、更環(huán)保。趙躍英等［10］在上海磁浮軌道交通運(yùn)營(yíng)線上，對(duì)430 km·h-1速度級(jí)下磁浮列車的行駛噪聲進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，結(jié)果表明：磁浮列車主要噪聲來源為氣動(dòng)噪聲，且具有脈沖性和間歇性，因此對(duì)軌道2 側(cè)環(huán)境的噪聲污染不容忽視。這與Chen等［11］針對(duì)上海磁浮列車對(duì)周圍居民的影響開展的試驗(yàn)研究結(jié)果保持一致。

由于線路條件限制，當(dāng)前并不具備600 km·h-1速度高速磁浮列車氣動(dòng)噪聲試驗(yàn)的條件；同時(shí)，當(dāng)列車運(yùn)行速度超過0.3 Ma 時(shí)，四極子聲源能量貢獻(xiàn)不容忽視［12］，而試驗(yàn)方法難以對(duì)四極子聲源特性展開深入研究。因此，數(shù)值仿真是目前開展時(shí)速600 km級(jí)高速磁浮列車氣動(dòng)噪聲研究的主要手段。

本文基于K-FWH 方程及大渦模擬方法，對(duì)600 km·h-1速度級(jí)下磁浮列車氣動(dòng)激擾特征進(jìn)行討論，通過合理構(gòu)建可穿透積分面，數(shù)值仿真研究高速磁浮列車氣動(dòng)發(fā)聲的偶極子、四極子效應(yīng)，提取不同速度級(jí)下列車氣動(dòng)噪聲特征變化規(guī)律。

1 數(shù)學(xué)物理模型

1.1 大渦模擬

大渦模擬具有良好的捕獲渦結(jié)構(gòu)和流場(chǎng)脈動(dòng)的能力，適用于精細(xì)化流場(chǎng)模擬，本文采用該方法進(jìn)行仿真計(jì)算，詳細(xì)信息可見參考文獻(xiàn)［13-16］。

1.2 可穿透積分面聲輻射方法

Francescantonio 在傳統(tǒng)FW-H［17］方程基礎(chǔ)上利用Kirchhoff［18］方法的基本思想，推導(dǎo)得到了應(yīng)用范圍更廣的K-FWH 方程［19］。利用自由空間格林函數(shù)與廣義函數(shù)理論，可以獲得K-FWH 微分方程的遠(yuǎn)場(chǎng)解［20］。

可穿透積分面是在計(jì)算域內(nèi)建立包含主要流體動(dòng)力聲源在內(nèi)的控制面，該控制面不影響氣流流動(dòng)。當(dāng)聲源面為流場(chǎng)中固體表面時(shí)，利用K-FWH方程對(duì)其積分，得到固體表面單極子聲源和偶極子聲源的輻射噪聲；當(dāng)對(duì)偏離固體表面的可穿透積分面進(jìn)行積分時(shí)，可得到所包含固體表面的單極子聲源、偶極子聲源以及積分面覆蓋空間的四極子聲源貢獻(xiàn)［21］。

2 仿真模型

本文采用簡(jiǎn)化的某型磁浮列車，選取列車車高H=0.5 m 為特征長(zhǎng)度，車寬0.9H，車長(zhǎng)32H。為研究各部分對(duì)氣動(dòng)噪聲的貢獻(xiàn)率，沿車長(zhǎng)方向，將列車分為頭車流線型、頭車、中車1、中車2、中車3、尾車及尾車流線型等幾部分。建立縮比尺度為1∶8的簡(jiǎn)化模型，如圖1所示。

圖1 高速磁浮列車模型

磁浮列車通常采用高架線路運(yùn)營(yíng)模式，設(shè)列車和磁軌位于計(jì)算域正中間，如圖2 所示。圖中：在x方向，車頭距計(jì)算域入口距離為20H，車尾距計(jì)算域出口距離為69H。

圖2 仿真計(jì)算域

計(jì)算域入口面ABCD和出口面KLMN均設(shè)定為壓力遠(yuǎn)場(chǎng)邊界；4 個(gè)側(cè)面設(shè)定為對(duì)稱邊界，使該面法向速度為0，在保證流場(chǎng)充分發(fā)展的同時(shí)，消除壁面對(duì)流場(chǎng)的影響；列車表面設(shè)定為無滑移邊界條件；軌道設(shè)定為移動(dòng)固壁邊界條件，速度與來流保持一致。

采用ICEM CFD 前處理軟件對(duì)磁浮列車表面和周圍進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格分布如圖3所示。流線型車頭網(wǎng)格尺度為3.75 mm，頭車和尾車網(wǎng)格尺度為5 mm，中車網(wǎng)格尺度為6.25 mm。為較精確描述表面偶極子氣動(dòng)噪聲源，車體表面增設(shè)三棱柱網(wǎng)格的附面層，第1 層網(wǎng)格厚度為12.5 μm，增長(zhǎng)率為1.2。在車體周圍設(shè)置3 個(gè)互相嵌套的加密區(qū)，其網(wǎng)格最大尺度分別設(shè)置為15，35 及80 mm；網(wǎng)格單元總數(shù)約4.5 億個(gè)。列車車體表面Y+（第1層網(wǎng)格質(zhì)心到壁面的無量綱距離）平均值均小于1，表明網(wǎng)格尺寸滿足大渦模擬數(shù)值求解的基本要求。

圖3 網(wǎng)格示意圖

仿真計(jì)算時(shí)，列車車速選取400～600 km·h-1，馬赫數(shù)大于0.3，空氣可壓縮效應(yīng)明顯。因此，定常流場(chǎng)計(jì)算選用基于密度基的隱式求解方法，采用SSTk-ω湍流模型開展數(shù)值仿真，對(duì)流項(xiàng)和耗散項(xiàng)均采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散。隨后，開展LES 瞬態(tài)計(jì)算時(shí)采用基于Smagorinsky-Lilly 的LES 模型，壓力和速度場(chǎng)耦合采用Coupled 算法；采用有界二階隱式格式對(duì)時(shí)間導(dǎo)數(shù)進(jìn)行離散，有界中心差分用于離散動(dòng)量方程。非定常計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)取5×10-5s，每時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)迭代30 次，共計(jì)算1×104個(gè)時(shí)間步。通過監(jiān)測(cè)車輛氣動(dòng)力和距車尾1 個(gè)車長(zhǎng)位置處的速度變化，判斷流場(chǎng)是否達(dá)到充分發(fā)展程度。

3 氣動(dòng)激擾特征

列車表面脈動(dòng)壓力是進(jìn)行聲場(chǎng)計(jì)算的關(guān)鍵，因此需要準(zhǔn)確地模擬列車周圍脈動(dòng)流場(chǎng)［22］。通過分析列車附面層發(fā)展和列車周圍渦結(jié)構(gòu)，研究磁浮列車氣動(dòng)激擾特征。

為便于分析，對(duì)流場(chǎng)速度V進(jìn)行無量綱化處理

式中：Cv表示無量綱化速度；Vin表示入口邊界給定的來流速度。

由于空氣的黏性作用，當(dāng)氣流流經(jīng)車體表面時(shí)，會(huì)形成具有較大速度梯度的附面層，其厚度定義為壁面法向方向上速度為0.99Vin時(shí)的垂直距離。

600 km·h-1速度級(jí)下列車中心對(duì)稱截面沿車長(zhǎng)分布的附面層云圖采用Cv著色，如圖4所示。從圖4可知：氣流受頭車鼻尖點(diǎn)阻滯作用，速度迅速降低，在該區(qū)域形成滯止區(qū)；然后，氣流沿車體向后運(yùn)動(dòng)，由于空氣的黏性作用，車體表面形成具有較大速度梯度的附面層，附面層在流經(jīng)頭車無線電終端區(qū)域時(shí)產(chǎn)生較小的擾動(dòng)；隨后，附面層沿車體穩(wěn)定發(fā)展，厚度不斷增加；最后，氣流流經(jīng)尾車流線型肩部位置后，由于曲面變化使車體附面層與車體分離。無線電終端位于分離的敏感區(qū)域，加劇了該區(qū)域的氣流擾動(dòng)。

圖4 附面層云圖（600 km·h-1速度下）

可見，磁浮列車在高速運(yùn)行時(shí)，車身附近的空間擾動(dòng)主要集中在尾車流線型及其尾流區(qū)域，由附面層分離引起。

為展示列車周圍瞬態(tài)流場(chǎng)特征，采用速度梯度張量第二不變量，即Q準(zhǔn)則，識(shí)別列車周圍的渦結(jié)構(gòu)。Q準(zhǔn)則表達(dá)式為

式中：和分別為速度梯度張量的對(duì)稱項(xiàng)和反對(duì)稱項(xiàng)。

600 km·h-1速度級(jí)下列車周圍的三維渦結(jié)構(gòu)云圖（Q=2×105s-2）如圖5 所示。從圖5 可知：列車渦結(jié)構(gòu)主要分布在頭車流線型、尾車流線型及其尾流區(qū)域；渦結(jié)構(gòu)在頭車流線型頂部和2 側(cè)呈條狀分布，沿車身向后發(fā)展，在肩部位置消失；在頭車抱軌區(qū)域，氣流沖擊抱軌后，部分氣流流向抱軌與軌道中間的狹小縫隙，部分氣流沿抱軌側(cè)面及底面向后發(fā)展，形成小尺度渦結(jié)構(gòu)脫落；頭車無線電終端為頭車流線型區(qū)域唯一凸起部件，其結(jié)構(gòu)上游窄、下游寬，氣流沖擊無線電終端尖端，沿其表面向后運(yùn)動(dòng)，隨后氣流在其2 側(cè)分離形成2 列渦結(jié)構(gòu)，沿車體向后發(fā)展；在尾車流線型表面，渦結(jié)構(gòu)特征與頭車流線型類似，但其速度幅值較低；尾車無線電終端與頭車無線電終端對(duì)稱，在尾車無線電終端下游，渦結(jié)構(gòu)從無線電終端尖端脫落，形成開口向下的“C”字形脫落渦；在尾車流線型區(qū)域，受附面層與車體分離的影響，氣流摻混效應(yīng)明顯，尾流區(qū)形成由中間向外側(cè)卷曲的渦結(jié)構(gòu)，并向下游發(fā)展。

圖5 列車周圍渦結(jié)構(gòu)（Q=2×105 s-2）

4 氣動(dòng)噪聲特征

4.1 偶極子聲源

列車表面偶極子聲源強(qiáng)度可用列車表面脈動(dòng)壓力時(shí)間梯度均方根p'rms表征，對(duì)其進(jìn)行無量綱化處理，得到其無量綱值Crms，表達(dá)式分別為

式中：T為采樣時(shí)間；p'為列車表面脈動(dòng)壓力；p'rms-max為列車表面脈動(dòng)壓力時(shí)間梯度均方根最大值。

600 km·h-1速度級(jí)下的Crms云圖如圖6 所示：在車體上部，偶極子聲源主要分布在頭、尾車無線電終端以及尾車流線型鼻尖點(diǎn)；在列車底部，頭車流線型抱軌底部和尾車流線型鼻尖點(diǎn)底部偶極子聲源強(qiáng)度較大，頭車至尾車抱軌底部偶極子聲源強(qiáng)度沿車身向后不斷增大。

圖6 Crms云圖（600 km·h-1速度下）

為進(jìn)一步確定列車各部分的偶極子聲源能量貢獻(xiàn)，各部件等效聲源聲功率值Psource計(jì)算式為

式中：y為聲源空間坐標(biāo)矢量；為列車表面脈動(dòng)壓力時(shí)間梯度；t為時(shí)間；S為噪聲源面積。

各部件等效聲源聲功率值計(jì)算結(jié)果如圖7 所示。從圖7可知：隨著速度的增加，列車偶極子聲源聲能量也隨之增大；在不同速度級(jí)下列車偶極子聲源能量均呈兩頭大、中間小的分布特性，其中，尾車流線型區(qū)域的偶極子聲源能量最大，頭車流線型區(qū)域的次之；從頭車至中車3，偶極子聲能量整體呈上升趨勢(shì)，表明附面層向下游發(fā)展的過程中，附面層內(nèi)氣流擾動(dòng)變得更強(qiáng)烈，這與列車偶極子聲源強(qiáng)度分布特征契合；尾車由于車體面積較小，其聲源能量較中車3降低。

圖7 各部位等效聲源聲功率

為研究列車偶極子聲源頻譜特性，采用傅里葉變換，將聲場(chǎng)計(jì)算輸出的時(shí)域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為頻域數(shù)據(jù)，得到不同頻率下列車表面脈動(dòng)壓力-時(shí)間梯度，再利用式（5）得到列車不同頻率的等效聲源聲功率。偶極子聲能量占比較大的頭車流線型和尾車流線型等效聲源聲功率頻譜如圖8所示。

由圖8 可知，列車各部件偶極子聲能量呈寬頻特性，各頻段聲能量隨速度的增加而增大，其中800～2 500 Hz 頻段增長(zhǎng)最為明顯；頭、尾車流線型頻譜曲線，在400～500 km·h-1速度級(jí)下峰值特征不明顯，當(dāng)速度提升至600 km·h-1時(shí)呈單峰值特性，頭、尾車流線型峰值頻率分別為1 600和800 Hz。

4.2 遠(yuǎn)場(chǎng)輻射噪聲

為研究列車輻射噪聲，在距離列車縱向?qū)ΨQ面6.25H遠(yuǎn)、0.875H高的位置，每隔5H布置1 個(gè)測(cè)點(diǎn)，共布置16個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖9所示。

圖9 遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

4.2.1 穿透積分面構(gòu)建

理論上，只要將積分面設(shè)置得足夠大，包含所有擾動(dòng)源，就能避免聲源能量的損失，但該方法會(huì)使計(jì)算量急劇上升，影響計(jì)算效率。因此，為保證模型的計(jì)算精度，只在可能產(chǎn)生四極子的區(qū)域構(gòu)建積分面。四極子聲源的產(chǎn)生通常伴隨著強(qiáng)烈的渦脫落現(xiàn)象［23］，由列車氣動(dòng)激擾特性分析可知，列車尾車流線型和尾流區(qū)域空間擾動(dòng)強(qiáng)烈，渦脫落現(xiàn)象明顯，因此，在尾車流線型和尾流區(qū)域建立可穿透積分面。

在構(gòu)建積分面時(shí)，應(yīng)盡可能使其包含列車主要聲源區(qū)域，同時(shí)確保積分面本身無質(zhì)量穿透［12］。由圖4 可知，附面層分離點(diǎn)位于流線型肩部以后，因此，將積分面起點(diǎn)位置設(shè)置于流線型肩部。為合理確定積分面截?cái)辔恢?，提取列車尾流區(qū)渦量幅值，提取位置和得到的渦量發(fā)展曲線如圖10所示。從圖10可知：尾流區(qū)渦量幅值在x=50H的位置波動(dòng)趨于平緩，往后渦量幅值逐漸趨向于0。

圖10 列車尾流區(qū)渦量發(fā)展示意圖

由于積分面末端位于列車尾流區(qū)，為防止該位置出現(xiàn)質(zhì)量穿透，產(chǎn)生偽聲，因此將積分面的末端設(shè)置在x=62H位置。根據(jù)尾車流線型區(qū)域渦結(jié)構(gòu)向后發(fā)展的過程中向2 側(cè)發(fā)散的特征，該區(qū)域積分面采用上游窄、下游寬的形式。積分面具體尺寸如圖11所示。

圖11 尾車流線型積分面

建立積分面后，在計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)輻射噪聲時(shí)，有積分面包裹區(qū)域，以積分面作為聲源面，無積分面包裹區(qū)域，仍以車體作為聲源面進(jìn)行積分統(tǒng)計(jì)。

4.2.2 數(shù)值仿真方法驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述可穿透積分面方法的正確性，在中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的聲學(xué)風(fēng)洞進(jìn)行磁浮列車氣動(dòng)噪聲測(cè)試試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑槟承透咚俅鸥×熊嚕? 節(jié)編組，模型比例為1∶8，模型高H1為0.497 m，寬0.94H1，長(zhǎng)19.7H1。風(fēng)洞試驗(yàn)中，來流速度為300 km·h-1。建立的風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D12所示。

圖12 風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

為測(cè)量試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷妮椛湓肼暎谀Ｐ蛡?cè)面布置了16 個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)傳聲器，如圖13 所示：沿垂向共布置2排，第1排傳聲器距離地板0.8H1，第2排距離地面1.6H1；每排沿流向布置8 個(gè)，軸向間距1.6H1，上游第1 支距車頭3.2H1；所有傳聲器通道進(jìn)行同步采集，采樣頻率為51.2 kHz，采樣時(shí)間為90 s。

圖13 傳聲器布置示意圖

按照風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃惋L(fēng)洞尺寸，建立對(duì)應(yīng)的數(shù)值仿真模型和計(jì)算域，采用上述積分面構(gòu)建方式在尾車流線型區(qū)域建立穿透積分面，并在相應(yīng)位置建立聲壓級(jí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，利用KFW-H 方程計(jì)算得到各個(gè)測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)。

列車車速為300 km·h-1時(shí)，風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值仿真輻射噪聲對(duì)比結(jié)果見表1。從表1 可知：在距離地面高度為0.8H1位置的第1 排測(cè)點(diǎn)，誤差最大為1.7 dB；在距離地面高度為1.6H1位置的第2 排測(cè)點(diǎn)，仿真值和試驗(yàn)值的誤差均在0.9 dB 以內(nèi)；風(fēng)洞試驗(yàn)和仿真數(shù)據(jù)差值在2 dB以內(nèi)，吻合較好。

表1 列車車速300 km·h-1下的數(shù)值仿真與風(fēng)洞試驗(yàn)輻射噪聲結(jié)果對(duì)比 dB

可見，上文提出的考慮四極子聲源噪聲輻射的仿真方法具有較好的精度。

4.2.3 輻射噪聲結(jié)果

A計(jì)權(quán)是一種常用的頻率計(jì)權(quán)方式，最接近人耳對(duì)噪聲的主觀感覺，常被用作噪聲評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。為更直觀地表示磁浮列車輻射噪聲對(duì)環(huán)境的影響，列車輻射噪聲均采用A 計(jì)權(quán)后的結(jié)果。2 種積分方案下遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)輻射噪聲結(jié)果如圖14 所示。圖中：方案1以車體作為聲源面，進(jìn)行積分計(jì)算；方案2 尾車流線型區(qū)域以可穿透積分面為聲源面，其余部分仍以車體為聲源面。由圖14 可知：在建立積分面后，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)均增大，表明積分面有效捕捉到尾車流線型區(qū)域四極子聲源；測(cè)點(diǎn)越靠近尾流區(qū)，聲壓級(jí)增長(zhǎng)越明顯。

圖14 遠(yuǎn)場(chǎng)輻射噪聲聲壓級(jí)

峰值測(cè)點(diǎn)10 的頻譜曲線如圖15 所示。由圖15可知：在列車尾部建立積分面后，遠(yuǎn)場(chǎng)輻射噪聲低頻段聲壓級(jí)相比車體有所增加，表明積分面捕捉到的四極子聲源輻射聲能量主要集中在低頻段；在高于2 500 Hz頻段，輻射聲壓級(jí)比車體小，表明車體表面偶極子聲能量向積分面?zhèn)鬟f的過程中有所損失，可能是網(wǎng)格的濾波效應(yīng)所導(dǎo)致；但2 500 Hz以上頻段聲能量占比較小，因此該頻段部分聲能量的損失對(duì)統(tǒng)計(jì)車體偶極子聲源貢獻(xiàn)影響較小。綜上可見，該積分面能較好地捕捉尾車流線型及其尾流區(qū)的四極子聲源信息。

圖15 輻射噪聲頻譜曲線（測(cè)點(diǎn)10）

采用上述積分面方案，進(jìn)一步對(duì)不同速度級(jí)下列車輻射噪聲進(jìn)行研究。400～600 km·h-1速度級(jí)下，車體偶極子聲源遠(yuǎn)場(chǎng)輻射噪聲水平結(jié)果如圖16（a）所示：在400～600 km·h-1速度級(jí)下，遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)變化規(guī)律較為一致，在上游3號(hào)測(cè)點(diǎn)有小幅度的凸起；聲壓級(jí)最大值在10號(hào)測(cè)點(diǎn)取得，分別為73.5，80.1 及86.3 dB（A）。在尾車流線型區(qū)域建立積分面后，遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)結(jié)果如圖16（b）所示：遠(yuǎn)場(chǎng)輻射噪聲變化規(guī)律與車體輻射結(jié)果相似，呈雙峰值特性，但尾車鼻尖點(diǎn)后測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)下降趨勢(shì)明顯變緩；輻射噪聲聲壓級(jí)最大值仍位于測(cè)點(diǎn)10，分別為78.3，84.9及91.7 dB（A）。

圖16 遠(yuǎn)場(chǎng)輻射噪聲水平

列車遠(yuǎn)場(chǎng)輻射噪聲平均值計(jì)算式為

式中：I為輻射聲能量；SPL為測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)。

采用式（6）計(jì)算列車遠(yuǎn)場(chǎng)輻射噪聲平均值，結(jié)果見表2。在400，500 及600 km·h-1速度級(jí)下，車體輻射噪聲平均值分別為78.7，85.1 及90.4 dB（A）；采用積分面后，遠(yuǎn)場(chǎng)輻射噪聲平均值分別為82.9，89.5及95.9 dB（A）。

表2 測(cè)點(diǎn)輻射噪聲平均值

對(duì)不同速度級(jí)下四極子輻射聲能量占比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，方法為

式中：W四極子為四極子輻射聲能量在遠(yuǎn)場(chǎng)輻射聲能量中的占比；I車體為無積分面時(shí)遠(yuǎn)場(chǎng)輻射聲能量；I積分面為建立積分面后遠(yuǎn)場(chǎng)輻射聲能量。

根據(jù)式（7）對(duì)不同速度級(jí)下四極子輻射聲能量占比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明：在400，500 及600 km·h-1速度級(jí)下，四極子輻射聲能量占比分別為61.7%，63.3%及71.1%。

可見，在列車運(yùn)行速度超過400 km·h-1時(shí)，四極子輻射聲能量將超過偶極子聲源，且隨著列車速度的增加，四極子聲源貢獻(xiàn)也隨之增大。

5 結(jié) 論

（1）磁浮列車周圍空間擾動(dòng)主要集中在尾車流線型及其尾流區(qū)域，由尾車流線型區(qū)域附面層分離引起。

（2）在400～600 km·h-1速度區(qū)間，列車表面偶極子聲源能量呈寬頻特性，主要分布于尾車流線型區(qū)域，其次是頭車流線型；四極子聲源能量主要集中在低頻段，即尾車流線型及其尾流區(qū)域。

（3）不同速度下，列車偶極子聲源輻射噪聲水平分布規(guī)律相似，均在頭車鼻尖點(diǎn)及尾車鼻尖點(diǎn)對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)附近產(chǎn)生較小波動(dòng)；聲壓級(jí)最大值出現(xiàn)在距離頭車鼻尖點(diǎn)32.5H的測(cè)點(diǎn)10?？紤]四極子聲源后，輻射噪聲變化規(guī)律基本不變，但各個(gè)測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)均有所增大；在400，500 及600 km·h-13 個(gè)速度級(jí)下，遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)平均值分別增長(zhǎng)4.2，4.4及5.5 dB（A）。

（4）當(dāng)磁浮列車運(yùn)行速度超過400 km·h-1時(shí)，四極子輻射聲能量將超過偶極子占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著速度的提升，測(cè)點(diǎn)平均能量隨之增加，尾流區(qū)測(cè)點(diǎn)四極子能量占比也隨之增大，在400，500及600 km·h-13個(gè)速度級(jí)下，四極子輻射聲能量占比分別為62.4%，63.3%及71.7%。

（5）建立的氣動(dòng)噪聲數(shù)值仿真模型能較好地捕捉列車車身附近的四極子聲源，對(duì)進(jìn)一步了解高速磁浮列車氣動(dòng)噪聲特征具有重要的指導(dǎo)意義，可為磁浮列車氣動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。