1、第42卷第12期 中南大学学报(自然科学版)Vol.42 No.122011年12月JournalofCentralSouthUniversity(ScienceandTechnology)Dec.2011高速列车转向架部位气动噪声数值模拟及降噪研究 黄莎，杨明智，李志伟，徐刚(中南大学 交通运输工程学院，轨道交通安全教育部重点实验室，湖南 长沙，410075)摘要：基于 Lighthill 声学理论，采用三维、LES 大涡模拟和 FWH 声学模型对高速列车转向架部位气动噪声进行 数值模拟，并提出降噪改进意见。研究结果表明：转向架部位气动噪声在很宽的频带内存在，无明显的主频率，是一种宽频噪声；
2、各监测点气动噪声频谱在低频时幅值较大，随着频率的升高，幅值下降，1/3倍频程A声压级 主要集中在 3151 250 Hz 频率范围内；当来流速度一定时，距离气动噪声源越远，声压级幅值和总声压级越小；在列车转向架部位设置裙板后，运行速度为300 km/h时，车外声压级幅值较无裙板时有所减小，平均降幅约为8%，总声压级平均降幅 1.3 dBA；适当增加裙板面积后，声压级幅值平均降幅达到 12%，总声压级平均降幅 2.08dBA，降噪效果较明显。关键词：气动噪声；数值模拟；声压级幅值；总声压级；降噪 中图分类号：U260.331；U491.9+1文献标志码：A文章编号：16727207(2011)1
3、2389906AerodynamicnoisenumericalsimulationandnoisereductionofhighspeedtrainbogiesectionHUANGSha,YANGMingzhi,LIZhiwei,XUGang(1.KeyLaboratory ofTrafficSafetyonTrack,MinistryofEducation,SchoolofTraffic&TransportationEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410075,China)Abstract:Inordertodecreasetheae
4、rodynamicnoiseoftrainbogiesection,threedimensional,largeeddysimulationandFWHacousticmodelwereadoptedtosimulatetheaerodynamicnoiseoutsidehighspeedtrainbogiesectionbasedonLighthillacoustictheory,andnoisereductionadvicewas proposed.Theresultsshowthattheaerodynamicnoiseisakindofwidefrequencynoisewhichex
5、itsinwidefrequencybandwithoutobviousmainfrequency.Theacousticpressureamplitudeofeverytestpointisgreatatlowfrequency,decreasingwiththeincreaseoffrequency,andtheacousticpressurelevelwithin1/3octavebandfrequencyrangesfrom315Hzto1250Hz.Givenacertainincomingwindspeed,thetotalacousticpressurelevelislowerw
6、henthetestpointisfartherfromthenoisesource.Onceapronsaresetinbogiesections,acousticpressureamplitudeandtotalacousticpressurelevelofeachpointreducecomparedwiththatwithoutapron,respectivelywithanaveragereductionofabout8%and1.3dBAatthespeedof300km/h.Besides,theaveragereductionwillcometo12%and2.08dBAwhe
7、ntheapronareaincreasesproperly,makingnoisereductionmoreeffectiveapparently.Keywords:aerodynamicnoisenumericalsimulationacousticpressureamplitudetotalacousticpressurelevelnoisereduction随着列车运行速度的提高，铁路噪声污染也急剧 增加，过大的噪声将严重影响乘客和轨道沿线人们的 生理、心理和正常生活，还可能引起周围有关设备和 周边建筑物的疲劳损坏，缩短使用寿命，因此高速列 收稿日期：20101216；修回日期：201
8、10410基金项目：空气动力学国家重点实验室开放基金(SKLA20110202)；中南大学前沿研究计划(2010QZZD020)通信作者：黄莎(1985)，女，新疆阿勒泰人，博士研究生，从事列车空气动力学研究；电话：13975800456；Email：joanna_中南大学学报(自然科学版)第42卷3900车的噪声问题成为高速铁路发展过程中亟待解决研究 的重要课题之一12。目前，随着列车运行速度的提高，机械噪声退居次要地位，气动噪声逐渐趋于主导地位。根据铁路噪声理论研究和实验测试，检定出了高速列 车气动噪声源的主要产生部位36。国内外很多学者对 高速列车不同位置处的气动噪声做了研究，Ikeda
9、等79介绍了高速列车低气动噪声受电弓的设计理论 和方法，并提出了改善受电弓气动噪声的设计方案；Sassa 等10通过实验和数值计算对车门处产生的气动 噪声进行了研究。而转向架部位是气流的喷射和回流 区域，由于结构复杂，气流流经时底部产生严重的分 离现象,形成漩涡，产生复杂的气动噪声，尤其是头 车转向架部位，而对于高速列车转向架部位气动噪声 的研究相对甚少。因此，本文作者基于Lighthill声学 理论，应用 LES 大涡模拟和 FWH 声学类比模型对高 速列车头车转向架部位车外气动噪声进行数值模拟研 究，并提出了降噪改进意见。1 高速列车气动噪声数值分析理论1.1 气动噪声声学方程1952 年
10、，英国科学家 Lighthill 根据 NS 方程和连 续性方程导出了气动声学基本方程11：222202ijijTcy y =(1)式 中：Ti j为 Lighthill张 量，ijijijTu ue =+20()()ijijpc ；eij为黏性应力张量，ijjex =23jxkijjxkuuuxxx +；ij为单位张量；0为未受扰 动的流体密度；为流体密度的波动量，=0；p0为未受扰动的流场压力；p为流场中压力的脉动量p=pp0；c0为声速。FWH 声学类比方程将声学方程扩展到考虑运动 固体边界的影响，其方程为12：()0201d41rniavStxcRM =()22()01d41ris t
11、ijafSx xcRM +()()d1rijv taTRM (2)式中：R=|xy|，x为接受点位置，y为声源点位置；fi为静止固体边界的单元法向量；raM为运动马赫数在 观察方向的投影。1.2 湍流模型的选择 湍流模型中的直接数值模拟对瞬时 NS 方程进行 计算，可以分辨出气流的空间结构及变化剧烈的时间 特性，但内存空间及计算速度要求极高，目前还不可 能用于工程计算；雷诺时间平均模拟将非稳态的控制 方程对时间作平均，在所得到的关于时均物理量的控 制方程中包含了脉动量乘积的时间均值等未知量，但 平均的结果都将脉动运动时空变化的细节抹平，丧失 了包含在脉动运动中的全部信息1314；大涡模拟(LE
12、S)对尺度大的湍流运动通过 NS 方程直接计算，小尺度 涡采用亚格子模型进行模拟，是目前计算湍流脉动较 理想的方法1516。经过空间过滤可得到大涡模拟(LES)的控制方程：()0iiutx +=(3)()()()ijiiijjijjjupuu utxxxxx +=+(4)式中：为流体密度，t为时间；iu，ju分别为过滤 后的速度分量；为湍流黏性系数；ij为亚格子尺度 应力(SGS 应力)，ijijiju uu u =，它体现了小尺 度涡对运动方程的影响。同时，为了使方程封闭，必 须用亚格子尺度(SGS)模型来构造 ij的数学表达式。根据 Smagorinsky的基本 SGS 模型，ij可利用
13、SGS 的 湍流黏度 t进行模化：123ijkkijtijS =(5)式中：ijS是变形速率张量，12jiijjiuuSxx =+。亚格子尺度湍流黏度 t公式为：2()tsCS =(6)式 中：1/2(2)ijijSS S=；1/3()xyz =；Cs为Smagrinsky常数，根据 VanDriest 模型来确定。第12期 黄莎，等：高速列车转向架部位气动噪声数值模拟及降噪研究39012 数值计算模型 在数值模拟计算中，一般采取有限计算区域来代 替无限计算域，区域长度方向尺寸的选取则是使计算 区域下游边界尽可能远离列车尾部，以避免出口截面 受到动车组尾流的影响，便于出口边界条件的给定，计算区
14、域及坐标定义如图1所示。由于用于计算的高 速列车表面形状不规则，带有转向架等复杂结构，使 得对其进行结构网格划分比较困难，因此本文采用非 结构化四面体网格，模型最小网格线尺度为 1 mm，网格总数约为 450 万。图 1 计算区域及坐标定义Fig.1 Computationaldomainandcoordinatedefination3 数值计算结果及分析3.1 高速列车转向架部位气动噪声监测点布置 由于转向架结构复杂，在保证其主要外形气动特 征不变的情况下，对其模型做相应的简化。高速列车 转向架位于列车底部，因此气动噪声监测点选择距离 地面 1.2m，距离转向架分别为 2m，4m，6m 的测
15、 点 16 的布置如图 2 所示。(a)主视图；(b)俯视图 图 2 转向架部位监测点布置Fig.2 Arrangementofmonitoringpointsinbogiesection3.2 高速列车转向架部位气动噪声频谱分析 选择头车无裙板转向架部位作为噪声源，对列车 以 300 km/h 速度运行时转向架部位气动噪声进行数 值模拟，得到了各监测点的声压频谱图。1 号，3 号和6号测点的声压频谱如图3所示。在对铁路噪声进行 测量和评价时，通常采用 A 声级，因此对上述模型各 监测点在 1/3 倍频程中心频率处的 A 声级进行分析，1号，3号和6号测点的1/3 倍频程A声压级如图4所示。从
16、图3可知：转向架部位气动噪声在很宽的频带 内存在，无明显的主频率，是一宽频噪声；转向架部 位各监测点气动噪声频谱在低频时幅值较大，随着频(a)1 号监测点；(b)3 号监测点；(c)6 号监测点 图 3 无裙板转向架部位监测点声压频谱图Fig.3 Soundpressurespectraofpoints inbogiesectionwithoutapron中南大学学报(自然科学版)第42卷3902(a)1 号监测点；(b)3 号监测点；(c)6 号监测点 图 4 无裙板转向架部位监测点 1/3 倍频程频谱Fig.4 1/3octaveband spectrum of points inbogi
17、esectionwithoutapron率的升高，幅值下降；各监测点气动噪声的频谱变化 规律相似，只是幅值不同。距离轨道中心线越远，各 监测点的声压级幅值和声压级波动幅度越小；沿列车 长度方向，距离噪声源转向架越远，监测点的声压级 幅值和声压级波动幅度越小。从图4可以看出：当列车以300km/h速度运行时，转向架部位气动噪声 A声压级主要集中在3151 250Hz 频率范围内；各监测点的 1/3 倍频程频谱分布规律 相似，只是 A 声压级不同；距离轨道中心线越远的监 测点，其 A 声压级幅值较小，且在高频区域的衰减程 度较小；沿列车长度方向，距离噪声源转向架越远的 监测点，其 A 声压级幅值越
18、小。4高速列车转向架部位降噪改进 模拟 对转向架进行整流的主要措施通常是设置裙板。裙板一般在转向架外侧适当高度处设置在沿列车两侧 下部，外型面与车体竖向和纵向的型面协调一致。为了降低高速列车转向架部位气动噪声，在转向 架处考虑设置了2 种裙板方案，原方案为既有裙板，改进裙板方案适当的增加了裙板面积，如图 5所示。设置裙板后监测点 1，3，6 的声压频谱和 1/3 倍频程A 声压级图分别如图 6 和图 7 所示。图 5 转向架部位裙板方案Fig.5 Apronprojectsinbogiesection从图6 和图 7可知：设置裙板后转向架部位各监 测点声压级级幅值较无裙板时有所减小，运行速度为
19、300 km/h时，平均降幅约为8%。适当增加裙板面积 后的改进方案平均降幅约为 12%；设置裙板后各监测 点的 A 声压级幅值较小，且在低频区域的减幅较大，高频区域较小。通过总声压级计算公式可得各监测点的总声压 级：10110lg10piLnpZiL=其中：p0=2105Pa；Lpi为第i个声源的声压级，i=1n。表1所示为转向架部位不同时各监测点总声压级 比较。从表1可以看出：设置裙板后转向架部位各监 测点总声压级小于无裙板时各监测点总声压级；运行 速度为 300 km/h时，原始裙板方案总声压级平均降幅第12期 黄莎，等：高速列车转向架部位气动噪声数值模拟及降噪研究3903(a)，(b)
20、，(c)原裙板方案 1 号、3 号、6 号监测点；(d)，(e)，(f)改进裙板方案 1 号、3 号、6 号监测点 图 6 带裙板转向架部位监测点声压频谱图Fig.6 Soundpressurespectraofpoints inbogiesectionwithapron(a)1 号监测点；(b)3 号监测点；(c)6 号监测点 图 7 带裙板转向架部位监测点 1/3 倍频程频谱Fig.7 1/3octaveband spectra of points inbogiesectionwithapron表 1 转向架部位不同方案时监测点总声压级比较Table1 Totalacousticpress
21、urelevel comparisonofdifferent projects in bogie sectiondBA方案 测点 1 测点 2 测点 3 测点 4 测点 5 测点 6无裙板 100.5398.5196.6396.4795.0993.80原裙板99.4396.8494.9195.6893.7792.67改进裙板 98.9995.9193.9794.7193.1791.85约为1.3 dBA；适当增加裙板面积后各监测点总声压 级平均降幅达 2.08dBA，降噪效果明显。5 结论(1)转向架部位气动噪声在很宽的频带内存在，中南大学学报(自然科学版)第42卷3904无明显的主频率，是一
22、宽频噪声；各监测点气动噪声 频谱在低频时幅值较大，随着频率的升高，幅值下降。(2)当列车以 300km/h速度运行时，转向架部位 气动噪声A声压级主要集中在3151 250 Hz频率范围 内；距离噪声源转向架越远的监测点，其声压级幅值、A 声压级幅值及总声压级均越小。(3)设置裙板后转向架部位各监测点声压级幅值 较无裙板时有所减小，原始方案裙板声压级幅值平均 降幅约为 8%，总声压级平均降幅约为 1.3dBA；适当 增加裙板面积后的裙板方案平均降幅约为 12%，总声 压级平均降幅达 2.08 dBA，降噪效果明显。参考文献：1张曙光.350km/h 高速列车噪声机理、声源识别及控制J.中 国铁
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