高速列车整车气动噪声及分布规律研究

本文建立包括头车、尾车、中间车、受电弓、转向架在内的CRH3型高速列车整车三维绕流流动的数值计算模型,用Fluent软件计算不同速度的外部稳态流场,基于稳态流场结果,使用宽频带噪声源模型计算车身表面气动噪声源,得到车体表面声功率级分布;以稳态流场为初始值,用大涡模拟计算车外部瞬态流场,基于瞬态流场用FW-H噪声模型预测高速列车辐射的远场噪声;分析车体表面声功率级和远场总声压级的分布规律,并将车体侧面远场噪声计算结果与试验结果进行比较分析。结果表明:列车高速运行时的气动噪声源主要是迎风侧车头及受电弓等曲率变化较大的曲面,受电弓滑板表面声功率级最大,高于头车头部15dB;从总声压级来看,受电弓滑板、头车第一个转向架和头车鼻尖处总声压级分别为160dB、135dB、130dB,受电弓滑板处具有最大的总声压级;从车体侧面噪声来看,离地面越近噪声越大。通过将远场噪声计算结果与噪声测试结果的对比证明了本文计算结果的准确性。     

高速列车气动噪声源特性研究

本文建立包括头车、尾车、中间车、受电弓、6个转向架在内的CRH3高速列车整车三维绕流流动的物理数学模型,用Fluent软件内大涡模型数值计算外部瞬态流场,得到时域Lighthill声源项,对时域声源项进行傅利叶变换得到频域声源项,用有限元-无限元法计算高速列车车头及转向架、受电弓、车尾及转向架附近的气动噪声,得到高速列车主要气动噪声源的声压分布及特点。计算结果表明:受电弓弓头部附近气动噪声最大,而且具有更多高频噪声,300km/h速度运行时其总声压级为156.3dB,受电弓底座也具有很高的声压级,并且具有较多的低频噪声;在车头及第一个转向架附近,转向架区域噪声明显高于车头鼻尖处,其总声压级分别为135.3dB和129.7dB;在车尾及最后一个转向架附近,车尾部噪声大于转向架区域噪声;总气动噪声声压级按受电弓滑板、受电弓底座、车尾部、第一个转向架、车头部逐次降低。通过与现有文献的对比分析,证明了本文计算结果的正确性。     

高速列车气动噪声源远场噪声贡献度研究

建立3辆车编组高速列车气动噪声计算模型,包括1辆头车、1辆中间车、1辆尾车、6个转向架和1个受电弓,利用标准k-ε湍流模型和大涡模拟分别计算列车的外部稳态和瞬态流场,并基于瞬态流场用FWH方法计算高速列车远场气动噪声。计算单个转向架、全部6个转向架、车体头部、车体尾部、车体中间部、全部车体、受电弓、列车整体分别为噪声源时的远场辐射噪声,分析这些噪声源对远场噪声评估点的总声压级,以及不同噪声源对远场噪声的贡献,以验证局部气动噪声源对远场辐射噪声与整体噪声源之间的叠加关系。计算结果表明:车体是高速列车远场辐射噪声的主要噪声源,其次是受电弓,转向架对远场辐射噪声影响相对较小;从局部噪声源来看,车体头部、受电弓、头部第1个转向架是高速列车远场辐射噪声的主要噪声源;各局部气动噪声源远场噪声的叠加值与整体气动噪声源远场噪声一致,验证了高速列车整体噪声源与其包括的各局部噪声源符合声源叠加原理。     

高速列车车头的气动噪声数值分析

随着列车运行速度的提高,列车气动噪声变得越来越明显,降低气动噪声已成为控制高速列车噪声的关键之一。本文对高速列车车头气动噪声进行数值分析。首先,建立高速列车三维绕流流场的数学物理模型,分别利用标准k-ε湍流模型和大涡模拟计算高速列车的外部稳态和瞬态流场。然后,基于稳态流场,利用宽频带噪声源模型计算高速列车车身表面气动噪声源;基于瞬态流场,分析车身表面脉动压力的时域及频域特性;利用Lighthill声学比拟理论,计算高速列车远场气动噪声,分析远场气动噪声的时域及频域特性。本文对研究和控制高速列车气动噪声具有一定意义。     

高速受电弓气动噪声特性分析

针对高速列车受电弓气动噪声声源组成的复杂性和各部件对总噪声的贡献量问题,基于Lighthill声学理论,采用三维、宽频带噪声源模型,LES大涡模拟和FW-H声学模型对DSA380型高速受电弓气动噪声进行数值模拟,分析该型受电弓的主要气动噪声声源特性及各部件对受电弓远场气动噪声的贡献量大小,并提出降噪改进意见。研究结果表明:受电弓主要噪声源为弓头、绝缘子、底架、下臂杆等组件的迎风侧位置,其中碳滑板、平衡臂、弓头支架、底架、绝缘子、下臂杆等部件对远场气动噪声声源的贡献量最多;受电弓气动噪声是宽频噪声,且主要能量集中在1602 500Hz,存在主频305、608、913Hz(350km/h运行),且各阶主频与运行速度均满足线性关系;相邻2测点满足2倍关系的横向受声点声压级,其衰减幅度大约为6dBA,且与横向距离的对数成线性关系;垂向受声点的声压级最大值出现在距地面高度7.192m处;运行速度不改变受电弓的偶极子噪声指向特性(垂向平面在θ=0°、纵向平面在θ=120°、横向平面在θ=90°处的噪声指向性明显),只改变其幅值,随着运行速度的增大其增加幅度越小;受电弓以开口方式运行的气动噪声性能较闭口方式好,降噪效果明显。     

头部控制线形状对高速列车气动噪声的影响

为研究头部控制线形状对高速列车气动噪声的影响,建立3种纵向剖面线和3种水平剖面线组合下的9种高速列车头型。利用大涡模拟技术计算高速列车车头表面的脉动压力,并作为远场气动噪声计算的输入。根据高速列车运行的实际情况,利用半自由空间的Green函数求解FW-H方程,给出考虑地面效应时的远场声学积分公式,并研究高速列车头部纵向剖面线形状和水平剖面线形状对远场气动噪声的影响。研究结果可为高速列车流线型车头的降噪设计提供参考。     

高速列车空气动力学特性的风洞试验研究

通过对2种头型高速列车1:8模型在8m×6m风洞开展的试验,比较了2种头型高速列车的气动特性,并进行了头车大侧风安全性的试验研究.结果表明,优化头型高速列车的气动阻力明显小于原型车的气动阻力,优化头型的3车编组列车的全车气动阻力比原型车约小3.7％;优化头型列车的纵向气动特性比原型车略差;2种头型的横向气动特性差异很小.     

高速列车气动及声学行为的尺度效应研究

建立不同模型尺度的高速列车气动噪声数值计算模型,利用改进的延迟分离涡模拟方法(IDDES)和FW-H声学模型对高速列车近场流场和远场噪声进行数值模拟.通过风洞试验验证了本文数值计算方法的合理性.对比分析不同模型尺度下高速列车的气动力、流场结构、表面压力脉动以及远场噪声.结果表明:模型尺度对高速列车的气动行为和声学行为具...     

受电弓安放位置与导流罩嵌入车体高低的气动噪声特性

为研究高速列车受电弓安放位置和受电弓导流罩嵌入车体高低对气动噪声的影响,基于计算声学理论,建立高速列车气动噪声模型。高速列车模型采用四节编组,包括头车、两节中间车和尾车。受电弓分别安放于02车一位端、02车二位端和03车一位端,并考虑受电弓的开/闭口方式。研究结果表明:沿列车长度方向,受电弓分别安放在02车一位端、02车二位端、03车一位端的受电弓导流罩区域的气动噪声最大声压级呈减少趋势,且这种减小趋势与受电弓开闭口方式无关;受电弓导流罩安放在同一位置时,受电弓以闭口方式运行的受电弓导流罩区域声压级均小于开口方式,最大声压级相差1.1 dBA;采用dlz3模型(受电弓导流罩与车顶表面平齐)的气动噪声性能最优,最大声压级减小2.3 dBA。     

大风环境下高速列车加速运行气动特性研究

基于三维非定常不可压雷诺时均N-S方程和Realizable k-ε湍流模型,采用滑移网格对大风环境下高速列车从静止匀加速到200km/h的非定常气动性能进行模拟。将列车匀速运行的非定常气动力系数的均方根值与风洞试验结果对比,两者规律吻合,幅值差小于10%。结果表明:在15 m/s的横风下,列车匀加速的不同时刻,头、尾车和车辆连接处压力波动明显,当列车运行速度与风速大小相等时,压力波动最大;气动力系数的变化率随车速与风速比值的增大而迅速减小;列车以不同的加速度运行时,相同车速受到的气动载荷相等,但随加速度的增加,侧向力、阻力、倾覆力矩的变化率不断增大,将导致短时间内高速列车气动载荷的变化增大。     

高速列车受电弓射流降噪仿真分析与风洞试验研究

针对高速列车行驶过程中受电弓区域产生的气动噪声问题，提出一种基于射流的主动降噪新方法。通过建立1∶30缩比受电弓空腔射流降噪装置模型，探究不同射流速度对空腔噪声的抑制效果。采用LES湍流模型和FW-H声学模型对受电弓空腔流场和声场进行求解，分析不同射流速度对湍动能、涡量、表面声功率级及远场噪声值的影响，得出来流马赫数M=0.117时的最优射流速度为40 m/s;在最优射速下，受电弓空腔表面最大声功率级降低了4.503 dB,远场噪声值在2.5 m接收点处降低1.43 dB,在8.333 m接收点处降低1.16 dB,达到降噪设计目标。在此基础上，进行1∶30缩比模型的风洞试验，测试受电弓空腔后壁面监测点的脉动压力，并对其进行傅里叶变换(FFT),得到300～5 000 Hz范围内噪声频谱特性；在射速40 m/s下，后壁面中间、边缘监测点处总声压级分别减小0.53、0.49 dB。将仿真与试验数据进行对比，得出总声压级最大误差为3.54 dB,误差值占总声压级的2.4%,验证了气动噪声计算方法的准确性。     

外置转向架包覆对高速列车气动阻力影响

转向架作为高速列车大面积裸露在外且外形复杂的运行部件受到列车底部气流的直接作用,区域气动外形结构对高速列车整车气动阻力具有重要影响。基于三维稳态SST k-ω双方程湍流模型,采用数值仿真方法研究了轴箱外置式转向架不同包覆方式对高速列车气动性能的影响。研究了转向架区域安装小裙板、半包裙板、全包裙板、全包裙板+小底板以及全包裙板+大底板等5种方案下的高速列车气动性能,比较了不同方案下高速列车气动阻力的变化规律,阐明了高速转向架包覆方式对整车气动阻力、车底流动特性以及列车表面压力分布的影响。研究结果表明：随着转向架裙板包覆面积的增加,转向架腔后端板受到的气流冲击逐渐减弱,后端板上的正压分布降低,列车转向架区域周围的边界层厚度逐渐减小,转向架区域内的压力分布差异性逐渐减小,从而实现了列车整车气动阻力系数的降低。与小裙板模型相比,半包裙板、全包裙板、全包裙板+小底板以及全包裙板+大底板模型的列车气动阻力系数分别降低了5.2%、8.65%、10.3%、11.1%。对于轴箱外置式转向架来说,全包裙板+大底板方案可有效改善转向架区域流场,降低整车气动阻力。研究得到的转向架包覆方式将为新一代高速列车气动...     

EMU6动车组气动声学性能分析

采用三维、不可压缩和Lilly LES+FW-H方法,对1:8缩比3车编组EMU6动车组以200,250,300和350 km/h的车速运行时进行气动噪声特性数值模拟,得到列车不同速度级运行时的压力、速度与涡量分布,表面脉动压力、辐射声场等气动与声学性能。研究结果表明:偶极子声源强度主要分布在转向架及其周围的车体表面位置;A计权声压频谱在略小于1 000 Hz频率处测点声压级达到峰值;气动噪声分布频带很宽,噪声能量在1 000 Hz左右较为集中,往高频和低频部分则逐渐衰减;头车流线型附近声压级较大,在尾车以后越远离车体,声压级越小。其研究结果可为高速动车组的气动声学特性优化研究提供参考依据。     

北京新机场线列车气动声学特征仿真分析

采用大涡模拟和FW-H方法,对1:8缩比8车编组北京轨道交通新机场线列车气动声学特征进行模拟研究。列车模型按照实际列车缩比而成,包含转向架、风挡和受电弓等复杂结构。列车运行速度分别为140,160,220和250km/h。研究分析速度场、涡量场、压力脉动场和辐射声场等。研究结果表明:偶极子声源强度主要分布在尾车、头车流线型车底、第1个转向架、空调机组和受电弓区域;不同测点声压级随着频率的增加,总体呈现为先上升后下降的趋势,在400～700Hz频率左右时测点声压级达到峰值;监测点的总声压级在头车流线型附近较大,在尾车及其下游,总声压级逐渐减小。     

基于边界层减阻理论的高速列车抽吸气减阻特性数值研究

采用计算流体力学方法,研究高速列车表面边界层演变特性以及气动阻力分布规律;通过在列车头车和尾车边界层分离点区域设置抽吸气孔,提出表面抽吸气边界层控制减阻方案,并评估其减阻效果。结果表明:头车和尾车边界层分离点区域分别设置抽吸气孔后,整车气动阻力系数均减小,最大减阻率可达6%。此项研究为高速列车气动减阻提供了新思路,对克服由于空气动力效应带来的提速瓶颈、节约能源具有重要意义。     

高速列车通过隧道时气动阻力特性的CFD仿真分析

基于可压缩流体的纳维—斯托克斯方程和RNG k-ε模型,以由头车、中间车和尾车3辆车编组的某高速列车1∶8风洞试验模型为研究对象,采用计算流体动力学软件(CFD),建立包括车体和走行部的三维非结构化列车表面离散网格模型和列车与隧道、列车与明线空间的组合计算网格模型,研究高速列车通过隧道时气动阻力的时变特性和规律.结果表明:高速列车在车尾刚进入隧道人口时其气动阻力达到最大值,为同样工况下明线运行时的2.5倍;高速列车完全进入隧道后,其气动阻力在一段时间内处于相对平稳期,为明线运行时的1.8倍;之后在隧道压力波的作用下,高速列车的气动阻力会发生准周期变化,变化幅度接近明线运行时的60％;在隧道长度大于高速列车长度的前提下,高速列车通过不同长度隧道时,其进入隧道时的气动阻力最大值均比较接近,而且在隧道内运行时的气动阻力变化特征和幅值也基本相同.     

风洞地面效应对高速列车空气动力学特性的影响

本文采用数值模拟方法对高速列车模型风洞试验中存在的地面效应问题进行研究。通过风洞试验验证了数值模拟方法的有效性,利用数值模拟比较了移动地面、静止地面和不同离地间隙工况下,1∶8缩比3节编组高速列车模型的气动力以及模型周围流场的变化规律。研究表明:移动地面较之于静止地面使模型气动阻力增加6.3%,升力减小130%;随着离地间隙的增大,高速列车模型阻力逐渐增大,升力也逐渐增大;不同地面工况下,3节车对气动力变化量的贡献有很大差别。鉴于地面效应会严重影响高速列车模型的气动特性,对风洞试验测量结果带来不可忽视的误差,有必要采用合理的试验手段对其进行消除。其中,采用移动地面法可以很好消除地面效应,而采用抬高模型法不能完全消除地面效应的影响。     

基于DE S的高速列车气动阻力分布特性研究

基于Realizable k-ε方程的DES数值模拟方法,研究某高速列车头、中和尾车不同区域对整车气动阻力系数的贡献值,并结合风洞试验结果,验证本文所采用的计算方法,计算与风洞试验结果两者偏差在2％以内;各车辆的瞬态气动阻力系数时程曲线在均方根值上下波动,其中头车的脉动幅度最小,尾车最大;头车、尾车的头部曲面区域及各个车辆转向架区域的气动阻力占整车气动阻力的77．8％;前端转向架区域气动阻力系数从头车、到中间车、到尾车大幅度减少,后端转向架区域气动阻力系数逐渐增加;从流场结构来看,列车的头部、风挡、车底结构以及车尾处产生了大量的漩涡;沿车长方向,头车车体附近的漩涡情况好于中车和尾车。     

基于射流的高速列车受电弓空腔气动噪声降噪方法

随着列车速度的提升,气动噪声问题愈发突出,而受电弓引发的气动噪声占有较高比例,因此提出一种射流主动降噪方法。通过建立3节车编组的整车模型,采取定常SSTk-w湍流模型和宽频带噪声模型进行仿真,分析高速列车受电弓气动噪声声源及流场特性;基于LES和FW-H声学比拟理论分析研究气动噪声特性。数值计算结果表明,顺向射流降噪效果显著,逆向射流降噪效果不明显。在列车速度350km/h下,施加顺向射流的标准监测点平均总声压级降幅达6.04d B,数值算例结果验证了本文提出的射流主动降噪的有效性。     

受电弓下沉对高速列车气动阻力的影响

采用计算流体力学方法对受电弓下沉的安装方式进行数值模拟,分析受电弓安装平台不同高度下沉和不同轮廓外形对高速列车气动阻力特性的影响。研究结果表明:受电弓适当下沉后,受电弓下部底座、绝缘子迎风面正压降低,背风面负压减小,使得受电弓前后压力差减小,受电弓的气动阻力降低;当下沉高度为450 mm时,受电弓气动阻力减小52.92%,整车阻力也下降6.19%;受电弓安装平台的轮廓外形细微地改变了受电弓下部的压力分布,进而影响受电弓的气动阻力;不同轮廓外形下,受电弓的气动阻力最大相差为20.78%,整车阻力相差1.68%,综合来看,矩形安装平台的减阻效果最为显著。