不同形式風(fēng)擋的高速列車氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬研究

楊恩宇，趙博洋

（1.昆明鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，昆明 650200；2.新疆鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，烏魯木齊 830011）

0 引言

總體而言，高速列車是一種相對(duì)環(huán)保的交通運(yùn)輸方式，但是其運(yùn)行過程中的噪聲污染仍然不可忽略，列車運(yùn)行中的噪聲主要包括牽引噪聲、機(jī)械噪聲及氣動(dòng)噪聲，當(dāng)列車速度較低時(shí)，列車噪聲以牽引噪聲和機(jī)械噪聲為主，當(dāng)列車運(yùn)行速度較高時(shí)，列車噪聲以氣動(dòng)噪聲為主。當(dāng)列車在稠密介質(zhì)（一般指空氣）中高速運(yùn)行時(shí)，列車周圍氣體發(fā)生一系列的運(yùn)動(dòng)和變化，其中包括車體壁面和空氣的摩擦、空氣與空氣之間的摩擦，氣體在列車周圍形成不規(guī)則渦流從而引發(fā)振動(dòng)，導(dǎo)致氣動(dòng)噪聲的發(fā)生[1-2]。

影響高速列車氣動(dòng)性能的主要局部包括列車頭型、轉(zhuǎn)向架及裙板、受電弓及導(dǎo)流罩、風(fēng)擋，本文選取風(fēng)擋局部作為研究對(duì)象。風(fēng)擋是兩節(jié)車輛的連接裝置，分為內(nèi)風(fēng)擋和外風(fēng)擋，內(nèi)風(fēng)擋主要用于溝通兩節(jié)車廂，方便旅客通行，外風(fēng)擋則可在一定程度上改善列車的氣動(dòng)性能。風(fēng)擋的材質(zhì)有很多種，包括帆布、鐵、橡膠等[3]。

1 氣動(dòng)聲學(xué)的研究方法

人們?cè)诤茉缫郧熬鸵庾R(shí)到氣動(dòng)噪聲的存在，但氣動(dòng)聲學(xué)的研究起步較晚，20世紀(jì)50年代，英國(guó)科學(xué)家Lighthill的聲學(xué)類比理論的提出，開啟了現(xiàn)代聲學(xué)研究的先河，以他名字命名的Lighthill氣動(dòng)聲學(xué)基本方程奠定了當(dāng)今氣動(dòng)聲學(xué)研究的基礎(chǔ)。后來的科學(xué)家在Lighthill的基礎(chǔ)上提出新的見解和理論，不斷豐富完善著氣動(dòng)聲學(xué)研究的版圖，Powell提出了漩渦發(fā)聲機(jī)制，F(xiàn)fowcs Williams與Hawkings提出了FW-H方程，F(xiàn)W-H方程可用于解決運(yùn)動(dòng)固體壁面在流場(chǎng)中引起的聲波問題，特別適用于高速列車流場(chǎng)。

具體到高速列車的氣動(dòng)噪聲研究，研究方法主要包括實(shí)車試驗(yàn)研究、風(fēng)洞試驗(yàn)研究及數(shù)值模擬研究。其中實(shí)車試驗(yàn)研究效果最好，最能真實(shí)反映高速列車運(yùn)行時(shí)的氣動(dòng)噪聲情況，但該方法成本較高，需要諸多客觀條件。我國(guó)鐵道科學(xué)研究院、西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力試驗(yàn)室曾在真實(shí)線路上做了氣動(dòng)噪聲的實(shí)車測(cè)試與研究，測(cè)試獲得了列車氣動(dòng)阻力、氣動(dòng)噪聲等一系列數(shù)據(jù)并進(jìn)行了相關(guān)研究[4-6]。

風(fēng)洞試驗(yàn)也是一種高速列車空氣動(dòng)力學(xué)的常用研究方式，高陽(yáng)[7]在風(fēng)洞中布置3輛編組的列車模型，并在周圍設(shè)置聲學(xué)傳感器，研究表明，列車頭部、受電弓、車端連接處及排障器是高速列車氣動(dòng)噪聲的主要來源。但風(fēng)洞研究也有其存在的問題，例如一般風(fēng)洞底面固定，這不符合列車與地面相對(duì)運(yùn)動(dòng)的實(shí)際情況，若要真實(shí)模擬，需設(shè)置移動(dòng)地面風(fēng)洞，難度較大。同時(shí)一般風(fēng)洞本身具有一定的噪聲，采用靜音風(fēng)洞進(jìn)行研究成本較高。

數(shù)值模擬研究是目前研究高速列車氣動(dòng)噪聲的常見方法之一，該方法是數(shù)值計(jì)算和計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，通過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，可較為經(jīng)濟(jì)方便地得到高速列車相關(guān)的氣動(dòng)性能參數(shù)[8]。鄭拯宇等[9]通過數(shù)值模擬的方法計(jì)算分析了高速列車表面偶極子聲源的分布情況。袁磊等[10]通過數(shù)值模擬的方法探究了高速列車外的噪聲分布規(guī)律。

本文采用數(shù)值模擬的研究方法，對(duì)配置不同形式風(fēng)擋的高速列車的氣動(dòng)噪聲進(jìn)行研究，其理論基礎(chǔ)依然是Lighthill氣動(dòng)聲學(xué)方程。

2 氣動(dòng)聲學(xué)理論

根據(jù)NS方程推導(dǎo)得出的Lighthill氣動(dòng)聲學(xué)方程為

圖1 噪聲測(cè)試實(shí)車試驗(yàn)場(chǎng)景

圖2 噪聲測(cè)試風(fēng)洞模型試驗(yàn)

列車壁面與空氣發(fā)生摩擦，列車周圍的空氣發(fā)生不規(guī)則渦流引發(fā)空氣之間的摩擦。這種情況是一種固體壁面在流體中發(fā)生作用的情況，基于Kirchhoff積分方法，Curle得到了該種情況下Lighthill方程的一般解：

考慮到高速列車在大氣中的高速運(yùn)行情況，可適用FW-H方程，該方程可用于解決運(yùn)動(dòng)固體壁面在流場(chǎng)中引起的聲波問題：

3 模型的建立

參照CRH380A型動(dòng)車組建立3輛編組的高速列車模型，整車模型如圖3所示。并根據(jù)中國(guó)鐵路動(dòng)車組實(shí)際情況建立3 種風(fēng)擋模型：僅具內(nèi)風(fēng)擋，內(nèi)風(fēng)擋+半開放式外風(fēng)擋，內(nèi)風(fēng)擋+全封閉式外風(fēng)擋。3種風(fēng)擋模型如圖4所示。

圖3 整車模型

圖4 不同形式的風(fēng)擋模型

4 數(shù)值模擬計(jì)算

根據(jù)流致發(fā)聲原理的解釋，高速列車在大氣中運(yùn)行所產(chǎn)生的噪聲主要來源于流體渦旋，具體而言，一方面是車體周圍的脈動(dòng)壓力，另一方面是由于列車從大氣中穿行導(dǎo)致的空氣密度的變化，二者共同作用發(fā)生噪聲。

瞬態(tài)流場(chǎng)計(jì)算需以穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果為初始條件進(jìn)行再計(jì)算，如此能盡可能地避免結(jié)果發(fā)散，且能大量節(jié)省計(jì)算時(shí)間。為了滿足噪聲場(chǎng)極小的變化，采用大渦模擬的方法進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，因此對(duì)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力和網(wǎng)格的細(xì)密程度也提出了較高的要求。為了合理設(shè)定計(jì)算步長(zhǎng)，通過Nyquist定理確定取4000個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)。瞬態(tài)計(jì)算后得到高速列車在速度為300 km/h時(shí)的高速列車表面動(dòng)態(tài)壓力分布，如圖5所示。從圖5中可以看出，高速列車頭部、尾部及車廂連接處的動(dòng)壓明顯高于其他部位，這些局部對(duì)高速列車氣動(dòng)噪聲的貢獻(xiàn)較大。

圖5 列車表面動(dòng)壓分布

根據(jù)Lighthill提出的聲源分類方法，氣動(dòng)噪聲聲源可分為3種不同的類型：?jiǎn)螛O子聲源，偶極子聲源和四極子聲源。其中：?jiǎn)螛O子聲源類似一種脈動(dòng)球源，該類聲源的輻射聲功率正比于空氣速度的4次方；偶極子聲源可類比于一種振動(dòng)球源，它的輻射聲功率較大，正比于空氣速度的6次方；四極子聲源主要產(chǎn)生于空氣與空氣之間的相互作用，它的功率正比于空氣速度的8次方。本文中研究的高速列車被認(rèn)為具有剛性壁面，因此不考慮單極子聲源，又因?yàn)樗臉O子聲源對(duì)高速列車影響較小，故本研究中主要針對(duì)高速列車的偶極子聲源進(jìn)行計(jì)算和研究，該簡(jiǎn)化考慮到計(jì)算機(jī)有限的計(jì)算能力，同時(shí)不會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生太大影響。

4.1 整車表面偶極子聲源頻譜分析

在對(duì)高速列車氣動(dòng)流場(chǎng)通過大渦模擬的方法進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算后，采用傅里葉變換對(duì)列車表面的脈動(dòng)壓力進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將時(shí)域信息轉(zhuǎn)換為頻域信息。首先對(duì)整車表面偶極子聲源進(jìn)行頻譜分析，為了使分析結(jié)果更具代表性，在全車取120個(gè)測(cè)試點(diǎn)后取平均值進(jìn)行分析，分別研究200、300、400 km/h三種速度工況，同時(shí)由于A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)的計(jì)算方法中低頻和高頻段聲壓級(jí)會(huì)適當(dāng)削減，更接近人耳所聽到的情況，因此取列車表面偶極子聲源統(tǒng)計(jì)平均A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)進(jìn)行頻譜分析，結(jié)果如圖6所示。

從圖6中可以看出，3種速度下的頻譜曲線基本平行，聲壓級(jí)隨著高速列車運(yùn)行速度的提高而增加，同時(shí)可以看出A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)的高頻段和低頻段聲壓級(jí)較小，在200～1000 Hz之間較高，形成了一個(gè)寬頻段。

圖6 整車聲壓級(jí)頻譜

4.2 不同形式風(fēng)擋附近偶極子聲源頻譜比較

現(xiàn)為整車模型分別配備僅具內(nèi)風(fēng)擋、內(nèi)風(fēng)擋+半開放式外風(fēng)擋及內(nèi)風(fēng)擋+全封閉式外風(fēng)擋等3種不同形式的風(fēng)擋，將空氣來流速度設(shè)為300 km/h，比較不同配置高速列車風(fēng)擋附近的表面偶極子聲源平均A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)頻譜，如圖7所示。對(duì)比圖7與圖6可以看出，與整車表面偶極子聲源相比，風(fēng)擋局部表面偶極子聲源的平均A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)明顯更高，低頻段增加也非常明顯，寬頻區(qū)域也更大，這也說明了風(fēng)擋局部是全車主要噪聲來源之一。

從圖7中可以看出，不同形式風(fēng)擋附近表面聲壓級(jí)頻譜曲線接近于平行，僅具內(nèi)風(fēng)擋工況在高頻段聲壓級(jí)走勢(shì)發(fā)生“上翹”現(xiàn)象，說明該種形式風(fēng)擋易產(chǎn)生高頻噪聲，而內(nèi)風(fēng)擋+全封閉式外風(fēng)擋工況在高頻段則明顯“下墜”，說明采用該形式風(fēng)擋的高速列車在風(fēng)擋局部較少產(chǎn)生高頻噪聲。3種風(fēng)擋工況的風(fēng)擋局部表面最大聲壓級(jí)如表1所示。

圖7 不同形式風(fēng)擋附近聲壓級(jí)頻譜

表1 不同形式風(fēng)擋表面最大聲壓級(jí) dB

從圖7和表1中可以看出，相同速度工況下，僅采用內(nèi)風(fēng)擋的高速列車在風(fēng)擋處的表面偶極子聲源聲壓級(jí)最高，增加半開放式外風(fēng)擋后，聲壓級(jí)有所減小，而采用內(nèi)風(fēng)擋+全封閉式外風(fēng)擋的高速列車風(fēng)擋附近的聲壓級(jí)最小，說明采用全封閉式外風(fēng)擋對(duì)減小高速列車的氣動(dòng)噪聲效果良好。3種風(fēng)擋局部噪聲排序?yàn)椋簝H具內(nèi)風(fēng)擋＞內(nèi)風(fēng)擋+半開放式外風(fēng)擋＞內(nèi)風(fēng)擋+全封閉式外風(fēng)擋。

5 結(jié)論

1）高速列車頭部、尾部及車廂連接處的動(dòng)壓明顯高于其他部位，這些局部對(duì)高速列車氣動(dòng)噪聲的貢獻(xiàn)較大；2）不同速度下的高速列車頻譜曲線基本平行，聲壓級(jí)隨著高速列車運(yùn)行速度的提高而增加，同時(shí)可以看出A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)的高頻段和低頻段聲壓級(jí)較小，在200～1000 Hz之間較高，形成了一個(gè)寬頻段；3）與整車表面偶極子聲源相比，風(fēng)擋局部表面偶極子聲源的平均A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)明顯更高，低頻段增加也非常明顯，寬頻區(qū)域也更大，這也說明了風(fēng)擋局部是全車主要噪聲來源之一；4）3種風(fēng)擋局部噪聲由大到小順序?yàn)椋簝H具內(nèi)風(fēng)擋＞內(nèi)風(fēng)擋+半開放式外風(fēng)擋＞內(nèi)風(fēng)擋+全封閉式外風(fēng)擋，即內(nèi)風(fēng)擋+全封閉式外風(fēng)擋的降噪效果最好。