高速動(dòng)車組遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)噪聲數(shù)值仿真

黨 娜

(呼和浩特市機(jī)械工程職業(yè)技術(shù)學(xué)校，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000)

鐵路噪聲由于其系統(tǒng)的復(fù)雜性，噪聲源及其產(chǎn)生機(jī)理也較復(fù)雜，根據(jù)國(guó)內(nèi)外鐵路噪聲測(cè)試實(shí)驗(yàn)研究，通常認(rèn)為鐵路噪聲由牽引噪聲、輪軌滾動(dòng)噪聲和空氣動(dòng)力學(xué)噪聲等組成，當(dāng)列車速度低于50 km/h時(shí)，列車噪聲主要是牽引噪聲；當(dāng)列車運(yùn)行速度高于50 km/h而低于250 km/h時(shí)，列車主要噪聲源為輪軌滾動(dòng)噪聲；當(dāng)動(dòng)車組運(yùn)行速度超過250 km/h時(shí)，空氣動(dòng)力學(xué)噪聲則會(huì)成為主要噪聲源。動(dòng)車組車下轉(zhuǎn)向架、車頂受電弓等復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲是主要的噪聲源。噪聲傳遞到車內(nèi)，影響乘客的乘坐舒適度；傳遞到車外，擾亂鐵路沿線居民的工作生活，因此降低鐵路車輛噪聲具有很高的現(xiàn)實(shí)意義。一些國(guó)家為了降低高速動(dòng)車組氣動(dòng)噪聲采取了一系列的降噪措施[1]，如何準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)高速動(dòng)車組氣動(dòng)噪聲是一個(gè)非常有意義的研究課題。

高速動(dòng)車組氣動(dòng)噪聲的產(chǎn)生原因比較復(fù)雜，高速行駛中的列車與空氣發(fā)生相互作用，在列車外部形成復(fù)雜的繞流場(chǎng)，由于列車外形復(fù)雜，氣體流動(dòng)多是不平順的，在列車車身復(fù)雜表面會(huì)發(fā)生流動(dòng)分離現(xiàn)象，形成復(fù)雜的渦流流動(dòng)，正是這些復(fù)雜的渦流流動(dòng)產(chǎn)生了很高的脈動(dòng)壓力，進(jìn)而誘發(fā)了極大的氣動(dòng)噪聲[2]。目前氣動(dòng)噪聲的主要研究方法有理論研究、試驗(yàn)研究、數(shù)值研究，而數(shù)值研究又憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)逐漸被廣泛應(yīng)用[3]。

筆者建立了包括轉(zhuǎn)向架、受電弓結(jié)構(gòu)的高速動(dòng)車組空氣動(dòng)力學(xué)仿真模型，基于大渦模擬和氣動(dòng)聲學(xué)基本理論，通過以穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果作為初始值進(jìn)行瞬態(tài)大渦模擬計(jì)算，預(yù)測(cè)了考慮轉(zhuǎn)向架、受電弓結(jié)構(gòu)的高速列車遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)噪聲，從而使氣動(dòng)噪聲的預(yù)測(cè)更加準(zhǔn)確。

1 基本分析理論

氣動(dòng)噪聲是指氣體自由流動(dòng)或物體與氣體相互作用引起氣體擾動(dòng)而輻射的噪聲，其主要激發(fā)機(jī)理是由流動(dòng)自身的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)以及固體與流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)所激起的流體內(nèi)部應(yīng)力及壓力擾動(dòng)在介質(zhì)中的傳播[4]。

1.1 氣動(dòng)聲學(xué)基本理論

聲場(chǎng)是流場(chǎng)的一種特殊形態(tài)，流體本身誘發(fā)的聲音離不開流體動(dòng)力學(xué)基本方程的約束。描述流體流動(dòng)的連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程分別如下所示。

連續(xù)性方程：連續(xù)性方程又稱質(zhì)量守恒方程，任何流動(dòng)問題都必須滿足質(zhì)量守恒方程。

(1)

動(dòng)量守恒方程：動(dòng)量守恒方程也是任何流動(dòng)系統(tǒng)都必須滿足的基本定律，其本質(zhì)是牛頓第二定律。

(2)

式中，ρ是流體密度，v是流體速度，p是流體壓力，σij是流體的黏性應(yīng)力張量。

由連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程可以推導(dǎo)出Lighthill方程：

(3)

Tij=ρViVj+〔(P-P0)-C02(ρ-ρ0)〕δij-σij表示Lighthill張量，c0為聲速，為Hamilton算子，ρ0、p0分別為未受擾動(dòng)時(shí)的流體密度和流場(chǎng)壓力。

1.2 Ffowcs Williams-Hawkings方程

考慮到運(yùn)動(dòng)固體邊界對(duì)聲音的影響，F(xiàn)fowcs Williams和Hawkings基于Curle理論，引入了廣義函數(shù)法，解決了物體在流體中運(yùn)動(dòng)的發(fā)聲問題。將連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程擴(kuò)展到整個(gè)流動(dòng)區(qū)域，經(jīng)過一系列的公式推導(dǎo)，可得FW-H方程如式(4)所示。利用FW-H方程，可以求解聲場(chǎng)任意觀測(cè)點(diǎn)的噪聲，即使這些點(diǎn)不在計(jì)算區(qū)域內(nèi)。

(4)

2 高速動(dòng)車組空氣動(dòng)力學(xué)模型

2.1 車體幾何模型

高速動(dòng)車組通常是8節(jié)編組，由于氣流流過高速動(dòng)車組車頭一定距離后，列車中部繞流邊界層的結(jié)構(gòu)已趨于穩(wěn)定，列車氣動(dòng)噪聲變化也基本穩(wěn)定[5]，因此計(jì)算模型選取3節(jié)編組，即由一節(jié)頭車、一節(jié)中間車和一節(jié)尾車組成，同時(shí)頭車、中間車車下配有轉(zhuǎn)向架，中間車車頂配有受電弓，車廂之間以全包外風(fēng)擋連接。

2.2 數(shù)值計(jì)算域的選取

由于受到計(jì)算機(jī)配置、計(jì)算時(shí)間等條件的限制，數(shù)值計(jì)算域不可能無限大。經(jīng)參考相關(guān)文獻(xiàn)及高速動(dòng)車組風(fēng)洞試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)，計(jì)算域的總長(zhǎng)L>5 l，高度H>20h，寬度W>25 w[6]，其中l(wèi)、h、w分別為高速動(dòng)車組車體長(zhǎng)度、高度和寬度。而所選動(dòng)車組模型車身長(zhǎng)為76.6 m，高度為3.8 m，寬度為3.2 m，按此計(jì)算，高速動(dòng)車組數(shù)值計(jì)算域長(zhǎng)度定為400 m，寬度為110 m，高度為80 m。

2.3 數(shù)值計(jì)算模型網(wǎng)格的劃分

由于車身表面不規(guī)則，且?guī)в修D(zhuǎn)向架、受電弓等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，因此采用混合網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了能在車體壁面邊界層捕捉到湍流，在列車表面及附近空間采用細(xì)化的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，遠(yuǎn)離車體的較大外部區(qū)域采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，并按一定的增大因子過渡。圖1是車體中部帶有轉(zhuǎn)向架、受電弓結(jié)構(gòu)的剖面網(wǎng)格劃分圖。

圖1 車體中部剖面網(wǎng)格劃分

3 結(jié)果分析

3.1 車下氣動(dòng)噪聲

模擬仿真中，由于第一個(gè)轉(zhuǎn)向架不受后部車體長(zhǎng)度的影響，計(jì)算準(zhǔn)確度相對(duì)是最好的，因而選取離頭車最近的轉(zhuǎn)向架作為研究對(duì)象。首先，在轉(zhuǎn)向架正下方、前側(cè)、后側(cè)、左側(cè)、右側(cè)共選取15個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示，其中x方向?yàn)檗D(zhuǎn)向架運(yùn)行的正方向，z指向轉(zhuǎn)向架一側(cè)，y指向車輛向上的方向，其中D、E、F在轉(zhuǎn)向架正中間搖枕正下方。

圖2 轉(zhuǎn)向架周圍監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

經(jīng)過仿真研究得出，在所有的15個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，轉(zhuǎn)向架中部的D、J、M 3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)是最高的，其中，J、M兩點(diǎn)的聲壓級(jí)相對(duì)較高，因?yàn)橹虚g部位幾何結(jié)構(gòu)響度更加復(fù)雜，所誘發(fā)的氣動(dòng)噪聲更大。

圖3、圖4分別為列車運(yùn)行速度為200 km/h、300 km/h時(shí)，轉(zhuǎn)向架周圍J、M兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的聲壓頻譜圖。可以看出，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣動(dòng)噪聲的頻譜具有相似的形狀，且頻帶較寬，沒有明顯的主頻率，在低頻時(shí)氣動(dòng)噪聲能量較大，在高頻時(shí)能量較小；各監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣動(dòng)噪聲的頻譜在不同的運(yùn)行速度中具有相似的形狀，隨著車速的提高，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)是逐漸增大的。

圖3 運(yùn)行速度為200 km/h

圖4 運(yùn)行速度為300 km/h

為了更加準(zhǔn)確地研究車下氣動(dòng)噪聲，將模型中的4個(gè)轉(zhuǎn)向架一起考慮，分別選取轉(zhuǎn)向架前側(cè)、左側(cè)、正下方、右側(cè)、后側(cè)中的一點(diǎn)Bi、Ji、Di、Mi、Hi(見圖2)，研究這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氣動(dòng)噪聲，進(jìn)而得出車下氣動(dòng)噪聲特性規(guī)律。圖5是高速動(dòng)車組運(yùn)行時(shí)速為300 km/h時(shí)，第一轉(zhuǎn)向架、第二轉(zhuǎn)向架、第三轉(zhuǎn)向架、第四轉(zhuǎn)向架中5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的總聲壓級(jí)變化曲線?？梢钥闯?，頭車的第一個(gè)轉(zhuǎn)向架的總聲壓級(jí)整體是最高的；第四轉(zhuǎn)向架由于受到尾部渦流的影響總聲壓級(jí)相對(duì)比較高，并且轉(zhuǎn)向架后側(cè)的H4的聲壓級(jí)突增，聲壓級(jí)數(shù)值達(dá)到128.9 dB；第二轉(zhuǎn)向架和第三轉(zhuǎn)向架由于相距比較近，二者互相影響，導(dǎo)致總聲壓級(jí)折線圖在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖5 轉(zhuǎn)向架監(jiān)測(cè)點(diǎn)總聲壓級(jí)變化曲線

3.2 車頂氣動(dòng)噪聲

車頂氣動(dòng)噪聲主要是由受電弓、受電弓導(dǎo)流罩、空調(diào)導(dǎo)流罩等結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的噪聲，而受電弓由于其結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜成為誘發(fā)車頂氣動(dòng)噪聲的主要噪聲源，在此我們將著重研究受電弓遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)噪聲。首先在受電弓周圍選取6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示。圖7為受電弓遠(yuǎn)場(chǎng)6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在不同運(yùn)行速度時(shí)的總聲壓級(jí)折線圖?？梢钥闯?，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、2、3點(diǎn)由于受到鉸鏈座、上臂的影響，2點(diǎn)處的聲壓級(jí)較高；監(jiān)測(cè)點(diǎn)4、5、6受到弓頭的影響，總聲壓級(jí)開始突增，其中監(jiān)測(cè)點(diǎn)5的總聲壓級(jí)最高，在運(yùn)行時(shí)速為300 km/h時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)5處的聲壓級(jí)達(dá)到140.2 dB。

圖6 監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

圖7 受電弓監(jiān)測(cè)點(diǎn)總聲壓級(jí)變化曲線

3.3 車體側(cè)面氣動(dòng)噪聲

列車高速運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲會(huì)向周圍環(huán)境輻射。繪制截面監(jiān)測(cè)點(diǎn)聲壓隨速度、位置的變化曲線可以使我們很好地觀察高速動(dòng)車組遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)噪聲的特性。筆者選取離軌道中心線25 m(Z方向)，距軌面3.5 m(Y方向)處的8個(gè)縱向監(jiān)測(cè)點(diǎn)為研究對(duì)象。變化曲線如圖8所示，可以看出，對(duì)應(yīng)車頭處的截面1、2總聲壓級(jí)比較高，其中位于司機(jī)室和車廂連接處的截面2總聲壓級(jí)最高；對(duì)應(yīng)同時(shí)有轉(zhuǎn)向架、受電弓的截面5總聲壓級(jí)也相對(duì)較高。

圖8 車體側(cè)面監(jiān)測(cè)點(diǎn)總聲壓級(jí)變化曲線

4 結(jié)束語

筆者以流體力學(xué)和氣動(dòng)聲學(xué)為理論依據(jù)，建立了包括頭車、中間車、尾車、受電弓、轉(zhuǎn)向架的高速動(dòng)車組空氣動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)高速動(dòng)車組車下轉(zhuǎn)向架、車頂受電弓進(jìn)行了遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬研究，通過分析得出：氣動(dòng)噪聲所處的頻帶很寬，無明顯主頻，是一種寬頻噪聲，能量在低頻部分較大，在高頻部分較?。晦D(zhuǎn)向架中部的氣動(dòng)噪聲較前部、后部比較大，在轉(zhuǎn)向架附近靠近制動(dòng)盤、齒輪箱、空氣彈簧的區(qū)域，所誘發(fā)的氣動(dòng)噪聲都是比較大的；所研究的四個(gè)轉(zhuǎn)向架中，第一轉(zhuǎn)向架的總聲壓級(jí)是最高的，其次是受尾部渦流影響的第四轉(zhuǎn)向架；車頂受電弓弓頭處會(huì)有很強(qiáng)的氣流擾動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生很大的壓力，因而弓頭處會(huì)誘發(fā)比較大的氣動(dòng)噪聲；產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲比較大的區(qū)域有車頭處、中間車后部同時(shí)有轉(zhuǎn)向架、受電弓的截面附近。筆者模擬考慮了車頂受電弓、車下轉(zhuǎn)向架復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高速動(dòng)車組氣動(dòng)噪聲，研究表明，與沒有考慮轉(zhuǎn)向架、受電弓結(jié)構(gòu)的動(dòng)車組相比較，考慮轉(zhuǎn)向架、受電弓結(jié)構(gòu)的動(dòng)車組相同截面的聲壓級(jí)在200 km/h、300 km/h運(yùn)行時(shí)速分別高出9.7 dB、 15.2 dB。