基于展向波紋穿孔結(jié)構(gòu)的受電弓桿件減阻降噪研究

張長亮

(鄭州地鐵集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450000)

地鐵列車受電弓位于列車頂部，由多個(gè)桿件組成，列車在隧道中行駛會產(chǎn)生顯著的氣動噪聲。由于列車頂部的防護(hù)隔離手段有限，受電弓氣動噪聲污染對市民造成了嚴(yán)重影響。近年來，國內(nèi)外針對受電弓氣動特性、氣動噪聲的研究取得了一定進(jìn)展。張亞東等通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)M分析得出，受電弓產(chǎn)生的氣動噪聲集中在迎風(fēng)側(cè)區(qū)域的弓頭、底架、絕緣子等部件中[1]。Bearman和Owen發(fā)現(xiàn)，受電弓迎風(fēng)面上展向波紋的波長和振幅對減阻降噪具有重要作用[2]。劉海濤等研究發(fā)現(xiàn)，λ/D=2、ω/D=0.48的受電弓弓頭展向波紋結(jié)構(gòu)模型桿件對于降低氣動噪聲具有明顯的效果，且與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的結(jié)果有著良好的一致性[3]。展向波紋結(jié)構(gòu)對于降低氣動噪聲具有一定效果，但受電弓弓頭展向波紋穿孔結(jié)構(gòu)特性與降噪性能的關(guān)系還缺乏深入研究。

本研究對λ/D=2、ω/D=0.48的展向波紋結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行波峰、波谷、波峰波谷耦合穿孔優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過流體計(jì)算軟件FLUENT進(jìn)行流場的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)計(jì)算求解，以及ACTRAN聲學(xué)網(wǎng)格計(jì)算獲取氣動噪聲聲源及傳播過程。對考察范圍內(nèi)的受電弓弓頭展向波紋穿孔結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行優(yōu)化分析，并研究其減阻降噪機(jī)理。

1 計(jì)算理論及方法

1.1 流體流動的控制方程

對受電弓弓頭展向波紋穿孔結(jié)構(gòu)模型的周圍流場進(jìn)行數(shù)值仿真，模擬地鐵列車的運(yùn)行速度，由于氣流流速小于0.3倍馬赫數(shù)，可認(rèn)定空氣為不可壓縮流動。完整的三維N-S方程守恒形式如式(1)。

(1)

式中U、F的表達(dá)式如式(2)。

(2)

1.2 寬頻噪聲模型

采用寬頻噪聲模型對展向波紋結(jié)構(gòu)桿件穩(wěn)態(tài)計(jì)算求解。寬頻帶噪聲模型聲功率計(jì)算公式如式(3)。

(3)

式中，u是湍流速度、l是湍流特征尺度、c0是聲速、α為模型常數(shù)。

對于湍動能k和湍動能耗散率ε，式(3)可以改寫成式(4)形式。

(4)

氣動噪聲聲功率級如式(5)。

(5)

式中，Pref是參考聲壓，取10-12W/m3。

2 研究方法

2.1 弓頭展向波紋結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模

研究表明λ/D=2、ω/D=0.48的展向波紋結(jié)構(gòu)模型降噪性能要優(yōu)于其他參數(shù)模型及直方桿模型。通過對λ/D=2、ω/D=0.48的展向波紋結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行穿孔優(yōu)化設(shè)計(jì)，對模型進(jìn)行三種穿孔方式處理，建立波峰穿孔模型、波谷穿孔模型及波峰波谷穿孔模型。圖1為展向波紋模型結(jié)構(gòu)圖，其中：D=0.04 m為固定值，是波峰到波谷的振幅；λ為波長，上游最遠(yuǎn)的橫截面稱為“峰”，下游最遠(yuǎn)的橫截面稱為“谷”。在Creo中對λ/D=2、ω/D=0.48的展向波紋結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行穿孔設(shè)計(jì)，在波峰建立截面為12 mm×8 mm矩形孔的波峰穿孔模型、在波谷建立截面為8 mm×8 mm矩形孔的波谷穿孔模型，以及兩者耦合的波峰波谷穿孔模型，如圖2所示。對三種穿孔模型的展向波紋結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、流場穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)計(jì)算求解及遠(yuǎn)場噪聲頻譜和指向性分析，并研究其降噪機(jī)理。

圖1 展向波紋模型結(jié)構(gòu)圖

(a)波峰穿孔模型 (b)波谷穿孔模型 (c)波峰波谷穿孔模型

2.2 穿孔結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格劃分方法

對弓頭展向波紋穿孔結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并建立有限元模型。為了更好分析流場變化，分別在模型周圍和尾流區(qū)域建立兩重密度盒子捕捉流場的變化。進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)從880 W增加至950 W時(shí)，數(shù)值模擬結(jié)果誤差在4%以內(nèi)，計(jì)算模型的有限元網(wǎng)格總數(shù)量為950 W左右。

2.3 流場后處理方法

弓頭展向波紋結(jié)構(gòu)流場計(jì)算分為穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)計(jì)算求解。穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型的入口邊界定義為速度入口，模擬仿真地鐵列車的運(yùn)行時(shí)速；出口邊界定義為壓力出口，速度垂直于入口進(jìn)入，回流湍流強(qiáng)度和黏度比均為1%；噪聲模型采用寬頻帶噪聲模型、標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，基于最小二乘單元進(jìn)行梯度離散，選用二階迎風(fēng)的壓力離散格式，并選用SIMPLEC算法進(jìn)行迭代計(jì)算。

瞬態(tài)計(jì)算求解采用大渦模擬，壓力速度耦合算法采用Couple算法。計(jì)算分析的時(shí)間步長為10-4s，共計(jì)算500個(gè)時(shí)間步長數(shù)，每20個(gè)迭代步數(shù)輸出一個(gè)結(jié)果文件，為提高計(jì)算精度采樣頻率設(shè)置104 Hz，分析的最高頻率為2 000 Hz。

2.4 聲場后處理方法

聲學(xué)軟件ACTRAN中，利用離散傅里葉變換將穩(wěn)態(tài)求解的時(shí)域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號；以展向波紋穿孔結(jié)構(gòu)模型為中心，以半徑R=1.18 m建立180°的極坐標(biāo)半圓，以1°為間隔建立180個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，如圖3所示，通過遠(yuǎn)場噪聲監(jiān)測點(diǎn)分析弓頭展向波紋穿孔結(jié)構(gòu)模型的噪聲頻譜和聲學(xué)指向性。

圖3 遠(yuǎn)場噪聲監(jiān)測點(diǎn)

3 降噪分析

模擬地鐵列車60 km/h運(yùn)行速度工況，對弓頭展向波紋穿孔結(jié)構(gòu)模型結(jié)果進(jìn)行分析。波峰、波谷和波峰波谷三組穿孔模型在200 Hz下噪聲云圖的尾流區(qū)域均存在明顯的卡門渦街現(xiàn)象。其中，靠近桿件模型附近尾流區(qū)域的渦旋強(qiáng)烈，而波峰波谷模型的尾流區(qū)域范圍及幅值都顯著低于波峰模型和波谷模型，因而有著更好的氣動性能。

分析R=1.18 m測點(diǎn)91處的遠(yuǎn)場噪聲頻譜可知：在100～160 Hz、280～360 Hz頻率范圍內(nèi)，波峰波谷穿孔模型較波峰穿孔模型和波谷穿孔模型的聲壓級有所降低；在180～360 Hz、380～480 Hz頻率范圍內(nèi)，波谷穿孔模型較波峰波谷穿孔模型和波峰穿孔模型的聲壓級顯著降低；波峰波谷穿孔模型的總聲壓級較波峰穿孔模型和波谷穿孔模型分別降低了0.51 dB和0.37 dB。

分析R=2 m測點(diǎn)91處的遠(yuǎn)場噪聲頻譜可知：在260～440Hz頻率范圍內(nèi)，波峰波谷穿孔模型較波峰穿孔模型和波谷穿孔模型的聲壓級有所降低；在180～260 Hz、380～480 Hz頻率范圍內(nèi)，波谷穿孔模型較波峰波谷穿孔模型和波峰穿孔模型的聲壓級顯著降低；在0～2 000 Hz范圍內(nèi)，波峰波谷穿孔、波谷穿孔模型的聲壓級曲線均低于波峰穿孔模型，波峰穿孔模型的降噪性能要弱于波谷穿孔和波峰波谷穿孔模型；波峰波谷穿孔模型的總聲壓級較波峰穿孔模型和波谷穿孔模型分別降低了1.46 dB、1.21 dB。

分析R=5 m測點(diǎn)91處的遠(yuǎn)場噪聲頻譜可知：在100～200 Hz頻率范圍內(nèi)，波峰波谷穿孔模型較波峰穿孔模型和波谷穿孔模型的聲壓級有所降低；波峰波谷穿孔模型的總聲壓級較波峰穿孔模型和波谷穿孔模型分別降低了1.43 dB、1.29 dB。

波峰波谷模型氣動阻力值較波峰模型、波谷模型分別降低了1.0 N和2.4 N。

分析遠(yuǎn)場噪聲指向性：在0°～135°、172°～175°的輻射角范圍內(nèi)，波峰波谷模型的聲壓級小于波峰模型和波谷模型；在140°～170°的輻射角范圍內(nèi)，波谷模型的聲壓級小于波峰模型和波峰波谷模型；在輻射角88°附近，波峰波谷模型的輻射聲壓級最小。

4 結(jié)論

(1)展向波紋波峰穿孔結(jié)構(gòu)模型在遠(yuǎn)場R=1.18 m、2 m、5 m處的總聲壓級較λ/D=2、ω/D=0.48的展向波紋結(jié)構(gòu)模型分別降低了0.82 dB、0.91 dB和0.89 dB；

(2)展向波紋波谷穿孔結(jié)構(gòu)模型在遠(yuǎn)場R=1.18 m、2 m、5 m處的總聲壓級較λ/D=2、ω/D=0.48的展向波紋結(jié)構(gòu)模型降低了0.96 dB、1.16 dB和1.03 dB；

(3)展向波紋波峰波谷穿孔結(jié)構(gòu)模型在遠(yuǎn)場R=1.18 m、2 m、5 m處的總聲壓級較λ/D=2、ω/D=0.48的展向波紋結(jié)構(gòu)模型降低了1.33 dB、2.37 dB和2.32 dB；

(4)展向波紋波峰波谷穿孔結(jié)構(gòu)模型氣動阻力值較波峰穿孔模型、波谷穿孔模型分別降低了1.0 N和2.4 N;

(5)展向波紋波峰波谷穿孔結(jié)構(gòu)模型在遠(yuǎn)場R=1.18 m、2 m、5 m處的總聲壓級較波峰穿孔模型分別降低了0.51 dB、1.46 dB和1.43 dB，波谷穿孔模型分別降低了0.37 dB、1.21 dB和1.29 dB；

(6)在0°～135°、172°～175°的輻射角范圍內(nèi)，展向波紋結(jié)構(gòu)波峰波谷穿孔模型的聲壓級小于波峰穿孔模型和波谷穿孔模型，在140°～170°的輻射角范圍內(nèi)，展向波紋結(jié)構(gòu)波谷穿孔模型的聲壓級小于波峰穿孔模型和波峰波谷穿孔模型，在輻射角88°附近展向波紋結(jié)構(gòu)波峰波谷穿孔模型的輻射聲壓級最小。

5 結(jié)語

地鐵快速發(fā)展的同時(shí)提升乘車品質(zhì)尤為重要，降噪研究不可忽視。本研究從受電弓弓頭降噪出發(fā)，對λ/D=2、ω/D=0.48的展向波紋結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行穿孔優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究表明受電弓弓頭展向波紋結(jié)構(gòu)波峰波谷穿孔模型對于降低氣動噪聲具有一定作用，為地鐵電客車在區(qū)間隧道行駛減阻降噪提供一定的理論依據(jù)。