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头部控制线形状 对高速列车气动噪声的影响 文 U 加币 U 田爱琴 杜健 张继业 南车青岛四方机车车辆股份有限公司技术 中心， 南车青岛四方机车车辆股份有限公司技术 中心， 南车青岛四方机车车辆股份有限公司技术中心， 西南交通大学牵引动力国家重点实验室，教授 ， 摘 要 为研 究头部控制 线形状对高速列车 气动 噪声的影响 ，建立5 种纵向剖 面线和5 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G r e e n 函数求解I W - 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。 关键词 高速列车；气动噪声 ；大涡模拟 ；脉 动 压 力 ；纵 向剖 面线 ；水平剖 面线 中图分类号 U 2 7 0 ． 2 文献标识码A 文章编号 1 0 0 1 6 8 3 X 2 0 1 4 1 1 0 0 5 8 0 5 0 引言 高 速 列 车 与普 通 列 车 的显 著差 异 在 于 列 车速 度 的 提高 ，随着车速 的提高 ，列车与地 表大气层 内的空气 间 的作用变得显著 ，进而引发许多列车空气动力学问题 ， 如气动 阻力 问题 、尾车气 动升力 问题 、隧道通 过压缩波 工程师，山东 青岛，2 6 6 1 1 1 高级工程师，山东 青 岛，2 6 6 1 1 1 高级工程师，山东 青 岛，2 6 6 1 1 1 四川 成都，6 1 0 0 3 1 及微 气压波 问题 、会 车压力波 问题 、横风运行安全 性及 气 动噪声等 】 。沈志云指 出对于在地表大气层 中运行 的 高速交通工具 ，其动态环境以气动作用为主，高速运行 所产生的气动噪声常成为限制车速提高的主要因素 J 。 T a l o t t e 指 出 当车速超 过3 0 0 k m／ h 时 ，列车高速运行 所产 生的气动噪声将大于轮轨 噪声 ，成为列车的主要噪声 。 高速列车气动噪声的研究方法包括理论研究 、试验研 究和数 值研究方 法 。在理论 研究方 面 ，由L i g h t h i l l 提 出，并经c u r l e H o ] 1] F f o w c s Wi l l i a m s I 1 1 ]等发展的L i g h t h i 1 1 声 学 比拟理论 取得 了广 泛 的工程应用 ，包括用 于高速列 车 气 动 噪声 的预测 问题 l 1 。在试验研 究方面 ，主要的试验 方 法包括基 于缩 比模 型的风洞试验 方法和基 于全尺寸模 型 的线路试 验 方法 。N o g e r 等 利用风 洞试 验方 法对 法 国T G V 高速受 电 弓系统 的气动噪声 进行测试 ，发现受 电 弓背部垂 直面是受 电 弓系统 中最 为重要 的气 动噪声源之 一 ；F r e d m i o n 等 分别采用 风洞试验 方法和线路试 验方 法对法国T G V高速列车的气动噪声进行测试 ，获得T G V 基金项 目国家高技术研究发展计划项 目 2 O 1 1 A A 1 1 A 1 0 1 ，2 O 1 2 A A 1 1 2 0 0 1 ； 十二五 国家科技支撑计划项 目 2 0 1 3 B A G 2 4 B 0 2 。 一 5 8 ． 高速 列 车 内部 和转 向架 区域 的气 动 噪声 特 性 ；Me l l e t a 等” 采用线路试验方法对高速列车车外气动噪声进行测 试 ，研究 了高速列 车 的远场气 动噪声 与列车运行 速度 的 关 系 ，发现 其远场 气动 噪声 的A 计权声 压级 与列 车速度 的对数近似成线性关系 ；N a g a k u r a 等 噪 用风洞试验方 法对新干线高速列车的气动噪声源进行测试 ，并进一步 研究各气动噪声源的贡献量 ；张曙光l 1 采用线路试验方 法对 京津城 际铁路 高速列车 的噪声进行测 试 ，获 得列车 运 行速度 为3 5 0 k m／ h ／高速列车 的车外 噪声水平 和主要 噪声源分布特征。在数值研究方面 ，对于列车表面偶极 子噪声源的计算主要是基于大涡模拟方法和紧致G r e e n 函数 ，也有学 者采用 大涡模 拟和边界 元方法 。对 于列 车远场气 动噪声 的计 算主要 是基于大 涡模拟方法 和 L i g h t h i l l 声学 比拟理论 。目前 的研究工作 主要 是针对 特定 的车型或 噪声源部位 ，尚未 有相关文 献研究高速 列 车流线型头 型控 制线形 状对高速列车气动噪声 的影 响。 1 高速列车远场气动噪声计算模型 随着计算流体动力学技术的发展，流致发声的数值 仿真计算成为可能。气动噪声的数值仿真计算主要有两 个任务 确定气动噪声源和模拟气动噪声的传播过程。 当气动 噪声源确 定后 ，有 很多方法 可 以模拟气 动 噪声 的 传播过程 。如果将计算区域扩展到气动噪声测点所在位 置 ，通过 求解N a v i e r S t o k e s 方程 ，可 以直接 获得测点处 的气动 噪声 ，这 种仿真计 算方法在 理论上是 最准确 的 ， 但这种方法对计算网格的要求非常高，由此导致极大的 计算内存需求及极长的计算时问，在 目前的计算条件下 难以实现 ，不适用于工程气动噪声问题的仿真计算。对 于工程气动噪声问题的仿真计算 ，较为合适的方法是将 计 算 区域 划分成 近场 区域 和远场 区域两部分 ，近场 区域 主要进行气动噪声源的计算 ，远场区域主要进行气动噪 声的传播计算。这种仿真计算方法灵活性大，近场气动 噪声源的计算可以采用不同的计算流体动力学方法 如 大 涡模 拟方 法 、分离 涡 模 拟方 法 、直接 数 值模 拟 方法 等 ，远场气动噪声计算也可以采用不 同的计算方法 H L i g h t h i l l 声学 比拟理 论 、K i r c h h o ff 方 法 、边 界元法 等 。本次研究中，近场计算采用大涡模拟方法，远场 计算采用基于半 自由空间的G r e e n 函数推导得到的远场声 学积 分公式 。 1 ． 1 近场声源计算模型 为研究高速列车流线型头部纵向剖面线和水平剖 面线 对高速列车气动噪声 的影 响 ，考虑3 种纵 向剖面线 即为 ①、② 、③ 和3 种水平剖面线 即为A、B 、C 见图 1 ，分别建立车身截面完全相同仅改变其流线型头部外 形的9 种车型。由于大涡模拟方法计算量巨大，在 目前的 计算条件下 ，实现多车编组的高速列车大涡模拟数值计算 非常困难 。需要对高速列车进行简化 ，为保证高速列车流 线型头部 流场尽可能接近实际情况 ，本次研究的高速列车 由车头模型、车身模型和车尾模型组成。车尾模型与车头 模型具有完全相同的形状。根据文献[ 2 2 1 ，当中间车身长 度 ≥1 3 m时 ，车尾流场对车头流场的影响可以忽略，将车 身模型长度取为2 1 m，整车长度为4 0 i n 。 图1 头部纵向剖面线和水平剖面线 计算 区域 见 图2 ，其 中列车 与轨道 所处 地面 问 的距 离 为0 ． 3 7 6 m。计算 区域左侧 为速度 人 口，右侧为压力 出 口，两侧及 顶端为对称 边界 ，底端 及列车表 面为壁面 。 网格划分 时 ，空 间网格 采用 四面体 单元 ，物 面网格采用 三角形单元 ，高速列车表面的最大网格尺寸为3 0 mm， 空间网格的最大尺寸为4 0 0 0 mm，各计算模型下的总网 格 数为1 2 0 0 万左右 。 图2 计算区域 一 5 9 研究的列车速度为3 5 0 k m ／ h ，数值计算时 ，首先采 用R e y n o l d s 时均方法计 算稳态 流场 ，并作 为大 涡模 拟计 算的初始流场。然后采用大涡模拟方法计算瞬态流场。 稳态流场计算时，湍流模型采用标准七 一s 模型，压力速度 耦合算法采用S I MP L E 算法 ，连续方程的离散格式为标准 格式 ，动量方程 、湍动能方程 、湍流耗散率方程 的离散格 式均为二 阶迎风格式 。瞬态流场计算 时 ，湍流模 型采用大 涡模拟模型，亚格子模型采用S ma g o r i n s k y L i l l y 模型，压 力速度耦合算法采用P I S O 算法 ，时间差分格式采用二阶 隐式 ，连续方程的离散格式为P R E S T O格式，动量方程 的离散格式为B o u n d e d C e n t r a l D i f f e r e n c i n g 格式 。 此外 ，需要注意的是 ，瞬态流场计算的时间步长应 与远场气动噪声计算 的时 间步长一致 。对 时间步长为 △f 的噪声时间序列 ，其频域的最高频率为1 ／ 2 △f Hz 。 本次高速列车气动噪声计算的最高频率为5 k H z ，计算可 知，相应的时间步长为1 1 0 ～S 。因此 ，高速列车瞬态 流场计算的时间步长为1 1 0 ～S ，远小于一般流场计算 的时间步长。当瞬态流场计算趋于平稳后 ，进入气动噪 声源计算。初始的1 5 0 0 个时间步用以保证瞬态流场充分 发展 ，随后再计算 1 0 2 4 个 时间步 ，并存 储每个时 间步 的 气动噪声源数据，作为远场声场计算的输入。 1 ． 2 远场声场计算方法 高速列车远场气动噪声的计算 主要是利用L i g h t h i l l 声学 比拟理论 。F f o w c s Wi l l i a m s 和H a w k i n g s 推导 出物 体 在 静 止 流场 中的运 动 发声 问题 ，即为 F w H方 程 ” ， F W H 方程适用于高速列车气动噪声的预测。F w H方 程为典型的波动方程，可以采用G r e e n 函数进行求解。注 意到高速列车贴近地面运行 ，而地面可近似看作声反射 良好的界 面 ，因此高速列 车声场是典 型的半 自由空间声 场 ，需要 采用半 自由空间的G r e e n 函数求解 ，进而可 以得 到适用于高速列车远场气动噪声计算的声学积分公式 ，f M ，f 。 X ，f ’ ， ， ’ ，， ， 式 中 ，f表 示 远 场 测 点 x 在 t 时 刻 的声 压 ； ，， 、 。 ，， 表示真实的封闭积分面产生的声 场 ； ’ ，f 、 ’ 。 ，f 表示镜像 的封闭积分面产 生的声场 。 由于地面效应的存在 ，原来 的自由声场变成相当 于真实的封闭积分面声场与镜像的封闭积分面声场的叠 ． 6 0． 加 ，且 作用在镜像 的封闭积分 面上的力源 和法 向运动 速 度与真实 的封 闭积分面上 的相 同。 2 头部控制线形状对气动噪声的影响 远场测点的气动噪声特性是评价高速列车气动噪声 性能 的主要指标 ，通过分析远场测点的A 计权声压级 ，可 以评价高速列车流线型头部控制线形状对高速列车气动噪 声 的影响 。根据I S O 3 0 9 5 i2 0 0 5 及 国内相关标准要求 ，高 速列车流线型头部的远场标准测点布置见图3 。在距轨面 3 ． 5 m 高 、距离 轨道 中心线2 5 m 远处 ，沿列 车纵 向均匀布 置1 1 个测点，相邻2 个纵向测点间的距离为1 m。 图3 流线型头部远场测点分布 图4 给出水平控制线形状一定时纵向控制线对高速 列车远场辐射气动噪声的影响。可以看出，对于相同水 平剖面线形状的头型，鼓形纵向剖面线③所对应的远场 辐射气动噪声最大 ，平直纵向剖面线①所对应的远场辐 射气 动噪声最 小。 图5 给出纵向控制线形状一定时水平控制线对高速 列车远场辐射气动噪声的影响。可以看 出，对于相同的 纵 向剖 面线形状 的头 型 ，尖 锐的锥形 水平 剖面线A 所 对 应的远场辐射气动噪声最大，而较宽的方形水平剖面线 c 对应 的远场辐射气动噪声最小 。 此外 ，对于所研究 的9 种头 型 ，远场测点 8 所对应 的 远场气动噪声最大 。 图6 给 出 了9 种 头 型 的 最 大连 续 A 计 权 声 压 级 的直 方图。可以看出，头型c ①的远场辐射气动噪声最小 ， 头型A ③ 的远场辐射气动噪声最大 。9 种头型 的最大连 续A计权声压级 由小到大的排序为 c ① 、B ① 、c ② 、 A ①、B ②、A ②、c ③、B ③ 、A ③。 3 结论 随着列车运行速度的提高，高速列车气动噪声变得 a A 型水平剖面线 a ①型纵向剖面线 b B 型水平剖面线 图4 纵向控制线形状对远场气动噪声的影响 C C 型水平剖面线 b ②型纵向剖面线 。 ③型纵向剖面线 图5 水平控制线形状对远场气动噪声的影响 图6 不 同头型的最大连续A 计权声压级 越来越 明显 ，高速列车流线型车头是高速列车 的主要气动 噪声源之一 ，流线型头部的水平剖面线和纵 向剖面线会影 响高速 列车 车头远场辐 射气动 噪声 。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，采用大涡模 拟技术计算高速列车车头表面脉动压力 ，并 由F w H方程 出发 ，利用半 自由空 间的G r e e n 函数推导 出适用于 高速列 车远场气 动 噪声计 算 的声 学积分公 式 ，对9 种头型 的远场 辐射气动噪声进行数值计算。研究发现，当水平剖面线相 同时 ，平直纵 向剖 面线所产生 的远场气动噪声最小 ，而鼓 形 纵 向剖面线所产生 的远场气 动噪声 最大。当纵 向剖面线 相同时，方形水平剖面线所产生的远场气动噪声最小，而 锥形水平剖面线产生的远场气动噪声最大。通过改变高速 列车流线型车头的水平剖面线和纵向剖面线 ，可以有效降 低高速列车车头的远场辐射气动噪声。本次研究工作可以 为 高速列 车流线型车头 的降噪设计提供参考 。 一 61 参考文献 【 1 ]S c h e t z J A ．A e r o d y n a m i c s o f h i g h s p e e d t r a i n s [ J ] ．A n n u a l R e v ie w F l u i d M e c h a n i c s ，2 0 0 1 5 3 3 7 1 4 1 4 ． 【 1 5 ]N o g e r C ，P a t r a t J C ，P e u b e J ，e t a I ．A e r o a c o u s t i c a ] s t u d y o f t h e T G V p a n t o g r a p h r e c e s s [ J ] ．J o u r n a l o f S o u n d a n d V ib r a t io n ，2 0 0 0 ，2 ；5 1 j 5 6 ；5 --5 7 5 ． 【 2 】g a g h u n a t h a n R s ，K i m H D ，S e t o g u c h i T ．A e r o d y n a m ic s [ 1 4 ] o f h i g h -s p e e d r a i l w a y t r a i n [ J 】 ．P r o g r e s s i n A e r o s p a c e S c ie n c e s ，2 0 0 2 ，；5 8 6 - 7 4 6 9 - 5 1 4 ． [ j ]Y u M G，Z h a n g J Y ，Z h a n g W H ．M u l t i o b j e c t i v e 【 1 5 ] o p t i mi z a t i o n d e s i g n m e t h o d o f t h e h i g h -s p e e d t r a i n h e a d [ J 】 ．J o u r n a l o f Z h e j i a n g U n i v e r s i t y S c i e n c e A A p p l i e d P h y s i c s＆ E n g i n e e r in g ，2 0 1 5 ，1 4 9 6 5 1 - 6 4 1 ． 【 4 】于梦阁，张继业 ，张卫华．随机风速下高速列车的 [ 1 6 】 运行安 全可靠性[ J 】 ．力学 学报 ，2 0 1 5 ，4 5 4 4 8 3 4 9 2． [ 5 ]沈志云．高速列车的动态环境及其技术的根本特点 [ 1 7 】 [ J 】 ．铁道 学报 ，2 0 0 6 ，2 8 4 1 5 ． [ 6 】沈 志 云 ．关 于我 国 发展 真 空管 道 高速 交通 的 思 考 [ 1 8 】 【 J ] ．西 南交通 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e d in g s o f t h e R o y a l S o c ie t y o f L o n d o n ， S e r i e s A， Ma t h e m a t ic a l a n d P h y s i c a l S c i e n c e s ， 1 9 5 5， 2 ；5 1 1 1 8 7 5 0 6 --5 1 4 ． [ 1 1 】F f o w c s W i ll i a m s J E H a w k i n g s D L ．S o u n d g e n e r a t i o n b y t u r b u l e n c e a n d s u r f a c e s i n a r b i t r a r y m o t i o n [ J 】 ． P h i lo s o p h i c a l T r a n s a c t io n s f o r t h e E o y a ]S o c ie t y o f L o n d o n ， S e r i e s A，Ma t h e m a t i c a l a n d P h y s i c a l S c i e n c e s ， 1 9 6 9， 2 6 4 1 1 5 1 3 2 1 一 ；5 4 2 ． 【 1 2 】K in g W F ．A p r e c is o f d e v e lo p m e n t in t h e a e r o a c o u s t i c s o f f a s t t r a i n s [ J ] ．J o u r n a l o f S o u n d a n d V i b r a t i o n ，1 9 9 6 ， 1 9 3 1 ；5 4 9 3 5 8 ． 一 6 2． Kit a g a w a T， N a g a k u r a k K． A e r o d y n a m i c N o is e G e n e r a t e d b y S h in k a n s e n C a r s [ J 】 ．J o u r n a l o f S o u n d a n d v i b r a t io n ， 2 0 0 0 ，2 ；5 1 3 9 1 ；5 -9 2 4 ． Me l le t C，L e t o u r n e a u x F， P o is s o n F， e t a i ．H ig h s p e e d t r a in n o i s e e m i s s i o n la t e s t in v e s t i g a t io n o f t h e a e r o d y n a m i c ／ r o i l i n g n o i s e c o n t r i b u t i o n [ J ] ．J o u r n a l o f S o u n d a n d V i b r a t i o n ，2 0 0 6 ，2 9 3 ；5 - 5 5 ；5 5 - 5 4 6 ． N a g a k u r a K．L o c a li z a t i o n o f a e r o d y n a mic n o i s e s o u r c e s o f S h i n k a n s e n t r a i n s [ J ] ．J o u r n a l o f S o u n d a n d V i b r a t i o n ， 2 0 0 6 ，2 9 ；5 ；5 - 5 5 4 7 - 5 5 6 ． 张曙光．；5 5 0 k m ／ h 高速列车噪声机理、声源识别及 控制[ J 】 ．中国铁道科学，2 0 0 9 ，；5 0 1 8 6 9 O ． T a k a i s h i T， Ik e d a M．Me t h o d o f e v a l u a t in g d i p o l e s o u n d s o u r c e i n a f i n i t e c o m p u t a t i o n a l d o m a i n [ J ] ．R a i l w a y T e c h n i c a l P e s e a r c h In s t it u t e ，2 0 0 4 ，1 1 6 3 1 4 2 7 --1 4 ；5 5 ． Ta k a i s h i T，S a g a wa A， Na g a ku r a， e t a 1 ． N u me r i c a l a n a l y s i s o f d i p o l e 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