高速列车气动噪声仿真与试验对比分析

通过Actran建立某高速列车1∶8缩尺比例的三辆编组的列车气动噪声CFD/CAA混合数值分析模型,模拟列车在250 km/h运行速度下外气动湍流噪声,分析结果表明,车外气动噪声在车头、受电弓、转向架处较大,且主要集中在500~2 000 Hz频率范围内.并将仿真分析结果与相应1∶8缩尺比例的列车模型在声学风洞中的气动噪声试验结果数据进行对比分析,仿真数据与试验数据基本吻合,仿真分析结果可以为新车型设计与改进提供可靠的数据.     

高速列车气动噪声数值仿真

建立了高速列车组包括头车、中间车、尾车及外部空间在内的气动噪声计算物理模型,从声学理论出发,结合列车实际运行的边界条件,运用以稳态结果作为初始值进行瞬态计算,预测了高速列车气动噪声,并对采用直接瞬态法计算气动噪声的可行性进行了分析计算.研究结果表明气动噪声分布于很宽的频带内,无明显的主频,属于宽频噪声.在低频中气动噪声...     

高速列车受电弓气动噪声特性分析

为研究高速列车受电弓气动噪声源分布及频谱特性,利用计算流体力学原理对高速列车受电弓流场进行计算,获得了受电弓表面脉动压力;在此基础上,利用FW-H方程计算高速列车受电弓远场气动噪声.计算结果表明:高速列车受电弓远场气动噪声具有较为明显的指向性,其指向性基本上不受列车速度的影响;远场监测点总声压及在10~20附近达到最大.受电弓气动噪声的总声压级随着列车速度的增加而显著增大;受电弓远场气动噪声具有明显的主频,且随着列车速度的增加,远场气动噪声的主频也增大;受电弓顶部横梁是引起受电弓气动噪声的主要因素.      

高速列车气动噪声研究综述

根据近年来高速列车气动噪声相关研究,从试验研究、理论分析和数值模拟方面介绍了当前高速列车气动噪声研究现状和研究成果, 分析了高速列车气动噪声源分布和产生机理,探讨了高速列车关键区域气动噪声降噪措施,展望了未来研究方向。研究结果表明：高速列车运行产生的气动噪声主要声源为几何体表面偶极子声源,分布在转向架、受电弓、车厢连接处、头车与尾车等区域;转向架区域存在着车体表面结构不连续性,气流流经时产生流动分离和流体相互作用,形成较强气动噪声源,可以采用转向架舱外设置裙板和舱内壁与周围铺设吸声板等措施进行降噪;受电弓各部件受到流动冲击作用,产生周期性涡旋脱落诱发的单音噪声,可通过减少受电弓结构部件、改变受电弓杆件截面形状、安装受电弓导流罩、受电弓两侧设置隔声板和射流控制等措施进行气动噪声有效控制;无封闭式车厢风挡形成开放式环形空腔,气流流经时产生较强的气动噪声和气动声学耦合,采用全封闭风挡可有效降低气动噪声产生;头车部位气流流动分离以及尾车部位由于尾涡脱落和非定常流动结构形成与发展,诱发气动噪声产生,头车、车身与尾车减少突出部件,保持几何体表面光滑和连续性,有利于取得较好的降噪效果;随着未来更高速度级高速列车研发,有必要进一步深入研究高速列车气动噪声理论与数值模拟方法,提升气动噪声降噪技术水平,有效控制气动噪声。     

高速列车气动噪声贡献量分析

建立了3节编组的CRH380B高速列车气动噪声计算模型, 包括6个转向架、2个风挡、3个空调机组和1个DSA380型受电弓等细微结构, 采用基于Lighthill声学理论的宽频带噪声源模型对高速列车气动噪声源进行识别, 基于高阶有限差分法的大涡模拟对高速列车近场非定常流动进行分析, 并采用Ffowcs Williams-Hawkings声学比拟理论对高速列车气动噪声进行预测。计算结果表明: 远场噪声计算结果与风洞试验结果的最大差值为1.45dBA, 因此, 高速列车气动噪声计算模型是准确的; 对气动噪声贡献量由大到小依次为转向架系统(6个转向架)、车端连接处(2个风挡)、受电弓与空调机组, 数值分别为83.58、79.31、74.08、59.71dBA; 以受电弓开口方式运行的整车气动噪声贡献量小于闭口方式, 最大声压级和平均声压级分别小于0.40、0.31dBA; 头车一位端转向架对转向架系统气动噪声贡献量最大, 为79.73dBA; 对受电弓气动噪声贡献量由大到小依次为: 碳滑板、平衡臂、弓头支架、底架、绝缘子、下臂杆、铰接结构、上臂杆、拉杆与平衡杆, 数值分别为97.95、93.02、86.63、82.07、79.46、76.85、72.43、66.63、62.02、54.22dBA; 在速度为350km·h^-1时, 受电弓气动噪声存在主频为305、608、913 Hz, 且此3阶单频噪声频率是由弓头部位涡流脱落所导致的气动噪声贡献。     

高速列车动车转向架气动噪声数值分析

为研究高速列车动车转向架气动噪声特性,建立了动车转向架空气动力学模型,采用定常RNGk-湍流模型与宽频带噪声源模型对其气动噪声声源进行初步探讨,并结合非定常LES大涡模拟与Lighthill声学比拟理论进行了远场气动噪声分析。研究结果表明:动车转向架气动噪声源为轮对、构架、牵引电机1、枕梁、垂向减振器、抗侧滚扭杆等结构的迎风侧凸起部位,且构架对动车转向架远场气动噪声的贡献最大,其次为轮对和抗侧滚扭杆,然后为垂向减振器和枕梁,牵引电机1、牵引电机2、空气弹簧和横向减振器对远场气动噪声的贡献较小。动车转向架远场气动噪声是宽频噪声,具有衰减特性、幅值特性和气动噪声指向性。在低频部分能量较大,中心频率为25、50Hz,且分布规律不随运行速度的改变而变化。      

高速列车司机室内气动噪声预测

为了降低司机室内的噪声, 采用大涡模拟法计算了高速列车车头曲面的脉动压力, 将脉动压力作为头车司机室有限元分析的激励载荷, 通过谐响应分析求得司机室壁板的振动速度, 将振动速度作为司机室声场边界元模型的激励条件, 求出了司机室内的气动噪声在不同频率点的声压分布。计算结果表明: 司机室内的声压级在52.3~58.8dB (A) 之间变化, 声压级较大点位于司机室前窗玻璃向车顶过渡处及纵向中截面型线附近, 且在50~315Hz之间, 声压幅值较大; 司机室内的气动噪声主要是低频噪声, 对纵向中截面型线采取更平滑的过渡形式, 可降低司机室内的气动噪声。     

全尺寸高速列车头型气动噪声分析方法

建立高速列车头型气动噪声分析方法有利于了解头型与空气相互作用产生的气动噪声特性及其对车内外的影响.为此,先后建立了两个头型的1∶8缩比三节编组气动噪声仿真模型,并开展气动噪声仿真计算,得到外场测点平均总声压级.通过与风洞试验结果相比较,两者量值相差小于3 d BA,且头型1均小于头型2,验证数值仿真结果.为了实现全尺寸高速列车头型气动噪声数值仿真,提出在三节编组的计算域中截取一部分—子域法.子域法和整车得到头型部位的气动特性一致性间接表明子域法的合理性.利用子域法开展了全尺寸头型1和头型2气动噪声仿真计算,得到头型表面声功率、表面和外场总声压级,可为头型选型和优化提供依据,从而建立了基于数值仿真的全尺寸高速列车头型气动噪声分析方法,解决了以往无法通过风洞试验和数值仿真进行全尺寸高速列车头型气动噪声分析.     

高速列车受电弓气动噪声研究综述

为更深入全面了解高速列车受电弓气动噪声研究现状,阐明高速列车受电弓气动噪声机理与规律,总结了近年来国内外高速列车受电弓气动噪声的研究,概括了中国、日本、德国与法国高速列车受电弓的发展历程,分析了受电弓气动噪声源、辐射气动噪声特性以及高速列车受电弓气动噪声研究方法,探讨了高速列车受电弓气动噪声生成机理与抑制方法,总结了当前研究的主要成果。分析结果表明：受电弓作为列车顶部的重要受流装置,由多个杆件组成,在高速气流中会产生显著的有调噪声,是高速列车环境噪声污染主要来源之一;高速列车受电弓主要气动噪声源分布在弓头、铰链机构、绝缘子、底架等部件的迎风侧位置,研究受电弓气动噪声的手段有实车试验、风洞试验以及数值模拟;增加附属装置可以有效控制气动噪声,如增加导流罩、喷射气流、等离子体驱动器等,但这些方法增加了系统的复杂度;基于仿生学原理改变杆件表面微结构,可以显著抑制受电弓湍流旋涡的生成,从而大幅降低气动噪声;优化杆件截面形状以及空间结构设计,可以减少阻力及湍流旋涡的生成,进而有效控制气动噪声。可见,多种途径可以降低受电弓气动噪声,但工程落地的可行性、气动噪声与气动阻力及弓网接触稳定性的耦合关系,仍需进一步深入研究。     

高速列车流线型受电弓气动特性仿真分析

为研究高速列车受电弓流线型结构对受电弓气动特性的影响,基于计算流体力学理论,构建某型号高速列车4车编组模型.采用k-ωSST湍流模型进行数值模拟,分析得到流线型结构对受电弓的气动特性及流场的影响.计算结果表明:流线型受电弓减小了滞止区面积和迎风面积,并减缓了受电弓尾部涡流,从而有效降低了受电弓受到的压差阻力,相较于现役...     

高速列车表面气动噪声偶极子声源分布数值分析

以Lighthill方程为基础,采用边界元法并与计算流体动力学相结合,对高速列车表面气动噪声偶极子声源进行数值分析,以获得高速列车表面气动噪声偶极子声源分布.探讨了不同车速工况下列车车身表面气动偶极子声源的强弱及其分布特征,在此基础上对基于表面气动偶极子声源的列车外部气动声场进行了数值分析.研究表明:列车运行速度为270 km/h、频率为2.5 kHz时,声压级在90 dB以上的气动偶极子声源主要分布在车底转向架附近,其最大声源声压级约97 dB,是高速列车主要的气动噪声源区.     

准高速列车气动性能试验研究

介绍了以东风１１型内燃机车牵引的准高速列车风洞模型试验，包括以韶山型电力机车作牵引的对比试验。分别对４种列车牵引编组方案进行了气动阻力，列车表面压力及列车会车时的空气压力测量，于不同工况下共测得数据１８０组。在对测试结果进行分析研究的基础上，对其空气动力性能作了客观评价并对存在问题提出了建议。     

高速列车车内中高频气动噪声计算方法

利用SST k-w湍流模型计算了高速列车的外部非定常流场,提取了车身表面的脉动压力；基于统计能量分析理论,建立了高速列车车内中高频气动噪声分析模型,确定了模型中各个子系统的参数,计算了由车外脉动压力诱发产生的车内气动噪声.计算结果表明:高速列车车头的脉动压力变化最剧烈；在中高频范围内,司机室和乘客室的声压级随着频率的增...     

高速列车头部气动性能的模拟计算与试验

为了研究高速列车的头形对列车整车的气动性能有着重要的影响,对一节半车编组列车分别进行了空气动力学仿真分析和风洞试验.采用有限体积法对列车头部周围流场进行区域离散,进行气动性能仿真分析,得到高速列车头车的气动特性参数.在满足几何相似的基础上,对一节半编组的列车模型进行风洞试验,获取头部的气动参数,并从模拟仿真分析结果与风洞试验结果对比分析中验证,两种方法能够相互补充,相互印证,为高速列车头形的研究总结出有效的研究途径.     

高速列车头部气动性能的模拟计算与试验

为了研究高速列车的头形对列车整车的气动性能有着重要的影响,对一节半车编组列车分别进行了空气动力学仿真分析和风洞试验．采用有限体积法对列车头部周围流场进行区域离散,进行气动性能仿真分析,得到高速列车头车的气动特性参数．在满足几何相似的基础上,对一节半编组的列车模型进行风洞试验,获取头部的气动参数,并从模拟仿真分析结果与风洞试验结果对比分析中验证,两种方法能够相互补充,相互印证,为高速列车头形的研究总结出有效的研究途径．     

高速列车轮轨噪声分析与控制

对高速列车轮轨噪声产生机理进行了理论分析，论证了钢轨振动产生的辐射噪声是轮轨噪声的主要成分；通过对模拟运行的高速列车轮轨噪声源的测试与分析，表明列车运行速度是影响轮轨噪声大小的主要因素之一，由此提出高速列车轮轨噪声控制的有效方法。     

高速列车底部结构参数对气动噪声影响规律

为更好地开展高速列车气动降噪设计,建立了高速列车头车第一组转向架区域的6参数模型,采用计算气动声学和拉丁超立方抽样实验所设计的方法,得到了13个参数化模型的远场气动噪声、转向架舱内湍流脉动功率级和声功率级,并分析了底部结构参数对远场和近场气动噪声的影响规律.结果表明：底部结构参数对远场噪声影响范围为75.4～78.9 dB(A),裙板高度、排障器厚度、转向架舱后缘倒角和舱长度与远场噪声为负相关,舱前缘倒角、排障器前缘夹角与远场噪声为正相关,底部结构参数的变化主要影响中心频带315～1 250 Hz间的噪声能量;排障器厚度和前缘夹角与远场噪声、舱内湍流脉动功率、声功率均为负相关;裙板高度和远场噪声、舱内湍流脉动功率级为负相关,与舱内声功率为正相关.     

基于CAA的高速动车组气动噪声仿真研究

随着列车运行速度的提高,气动噪声在总噪声中所占的比重越来越大,降低气动噪声已成为影响高速铁路可持续发展的关键问题。在理论研究基础上,采用了混合法来研究高速动车组受电弓周围的气动噪声特性。首先,对高速列车在RANS(雷诺平均模拟)方法计算下的统计结果进行分析,研究高速列车受电弓区域的流场特征。然后,应用非线性声学求解方法(NLAS)研究近场噪声,分析了不同部位对气动噪声的贡献。最后,采用FW-H声学比拟方法来分析远场气动噪声,通过不同测试点研究了远场噪声分布特性。     

凸包非光滑表面高速列车气动阻力及噪声研究

为减少高速列车在运行中的气动阻力及噪声,提高列车运行效率、节约能耗,提升旅客乘坐舒适度,提出凸包非光滑表面减阻技术应用于高速列车领域。以CRH3型高速列车为研究对象,通过在车体的头部和尾部加设凸包来控制湍流特性,以达到减阻、降噪效果。首先,利用PRO/Engineer建立非光滑表面CRH3高速列车简化模型,采用ICEM CFD软件对模型划分非结构网格;其次,应用Fluent流体仿真软件基于标准模型对稳态运行速度为300 km/h时的列车进行仿真计算空气阻力;最后,利用宽频带噪声模拟气动性能良好的列车外表面噪声。结果显示:将间距为460 mm、半径为40 mm、高度为10 mm的凸包阵列结构布设在前挡风玻璃周围对减小气动阻力有积极作用,阻力值为3 715 N,减阻率为1.77%,而此参数凸包非光滑对列车裙板上缘有普遍降噪效果,最大降噪率为1.72%,而对车鼻处及车顶部则会增加噪声。研究表明,通过在头车加设凸包可以改变边界层湍流特性达到减小列车气动阻力及降低部分位置气动噪声的效果。     

基于半模型的高速列车远场气动噪声计算方法

随着高速列车运行速度的提高,其气动噪声问题逐渐凸显,如何准确快速预测高速列车的远场气动噪声成为关键.利用半自由空间的Green函数求解FW-H方程,推导了考虑半模型时的远场声学积分公式,提出通过半模型的数值计算结果预测全模型高速列车远场气动噪声的方法;建立了全模型和半模型高速列车的气动噪声数值计算模型,应用改进延迟的分离涡模拟方法对不同模型高速列车表面的气动噪声源进行求解;通过风洞试验进行了全模型高速列车的数值仿真计算方法验证;对比分析了全模型和半模型高速列车周围的流场结构、气动噪声源和远场气动噪声特性.结果表明：半模型高速列车数值计算得到的列车周围流场结构、气动噪声源以及远场气动噪声特性与全模型的一致;采用半模型计算会过高估计列车尾车流线型区域表面压力的波动程度和噪声源的辐射强度,但通过半模型预测整车模型的远场噪声平均声压级误差小于1 dBA;相比于全模型高速列车,半模型计算时的网格总量减少一半.