潘　忠，陸森林

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江　212013)

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高速列車外流場(chǎng)氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬研究

潘忠，陸森林

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江212013)

摘要：基于Reynolds平均數(shù)值模擬方法、運(yùn)用FLUENT軟件對(duì)高速列車外流場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，結(jié)合FLUENT軟件中的寬頻噪聲模型分析了高速列車表面噪聲源分布。基于大渦模擬對(duì)高速列車外流場(chǎng)進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算，得出高速列車表面的脈動(dòng)壓力。通過快速傅里葉變換將脈動(dòng)壓力從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域，分析脈動(dòng)壓力級(jí)頻譜圖，得到高速列車氣動(dòng)噪聲的一些特性。

關(guān)鍵詞：氣動(dòng)噪聲；大渦模擬；脈動(dòng)壓力

高速列車在給人們帶來便捷、快速、安全服務(wù)的同時(shí)，隨之而來的噪聲問題也變得日益突出。高速列車噪聲不僅影響司乘人員的舒適性，還會(huì)影響沿線居民的生活和設(shè)備的使用壽命。列車行駛所產(chǎn)生的噪聲根據(jù)其產(chǎn)生機(jī)理的不同主要分為設(shè)備(牽引和輔助)噪聲、滾動(dòng)(輪軌接觸)噪聲與空氣動(dòng)力噪聲等[1]。隨著高速列車的不斷提速，氣動(dòng)噪聲在噪聲中所占的比例越來越大。有試驗(yàn)表明：當(dāng)列車運(yùn)行速度高于300 km/h時(shí)，氣動(dòng)噪聲將開始成為主要的噪聲源[2]。高速列車氣動(dòng)噪聲的大小大約正比于速度的6次方到8次方。

列車高速行駛時(shí)，空氣和列車車廂發(fā)生相互作用，由于列車外形存在較大的曲率變化，致使車身附近氣體流動(dòng)不平順，氣流易發(fā)生分離流動(dòng)，進(jìn)而形成復(fù)雜的渦流流動(dòng)。受渦流流動(dòng)的影響，車身表面形成變化劇烈的脈動(dòng)壓力，并誘發(fā)氣動(dòng)噪聲[3]。根據(jù)Lighthill聲學(xué)理論可知：氣動(dòng)噪聲由3種典型聲源組成，分別為單極子聲源、偶極子聲源和四極子聲源。在模擬計(jì)算中，把高速列車的車身看做剛性結(jié)構(gòu)，則單極子聲源噪聲為0。高速列車的速度屬于低馬赫數(shù)，四極子聲源產(chǎn)生的噪聲要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于偶極子聲源產(chǎn)生的噪聲，幾乎可以忽略不計(jì)[4]。因此，高速列車氣動(dòng)噪聲的主要噪聲源為偶極子聲源。而偶極子聲源主要是由于列車表面脈動(dòng)壓力的變化產(chǎn)生的，所以車身表面脈動(dòng)壓力是影響氣動(dòng)噪聲的主要因素。國(guó)內(nèi)外氣動(dòng)噪聲的研究方法主要有3種：理論研究、試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究[5]。流體力學(xué)的數(shù)值模擬也被稱為計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)。本文采用數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)高速列車外部流場(chǎng)和表面脈動(dòng)壓力進(jìn)行模擬計(jì)算。

數(shù)值模擬方法一般包含3種：Reynolds平均數(shù)值模擬方法(Reynolds averaged navier-stokes,RANS)、大渦模擬(large eddy simulation,LES)方法以及直接數(shù)值模擬(direct numerical simulation,DNS)方法[6]。本文首先通過FLEUNT軟件，采用Reynolds平均數(shù)值模擬與大渦模擬方法求解列車外流場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)信息，然后運(yùn)用FLUENT中的寬頻噪聲模型預(yù)估列車表面噪聲源分布，最后根據(jù)瞬態(tài)計(jì)算得到的脈動(dòng)壓力對(duì)高速列車氣動(dòng)噪聲進(jìn)行分析。

1LES的基本理論

湍流由許多不同尺度的旋渦組成。湍動(dòng)能傳輸鏈中大尺度脈動(dòng)幾乎是所有的湍動(dòng)能，小尺度脈動(dòng)主要是耗散湍動(dòng)能。大渦模擬方法放棄小尺度脈動(dòng)的計(jì)算，從而減小了計(jì)算量。大渦模擬的基本思想[7]：采用濾波的方法把包括脈動(dòng)運(yùn)動(dòng)在內(nèi)的湍流運(yùn)動(dòng)分解成大尺度渦和小尺度渦兩部分，大尺度渦通過數(shù)值求解運(yùn)動(dòng)微方程進(jìn)行直接計(jì)算，而對(duì)小尺度渦采用亞格子模型，建立與大尺度渦的關(guān)系對(duì)其進(jìn)行模擬。

2CFD模型與邊界條件的設(shè)定

對(duì)列車車身表面進(jìn)行分析時(shí)，重點(diǎn)探討列車車頭尾曲面、轉(zhuǎn)向架區(qū)域、空調(diào)導(dǎo)流罩以及車廂連接處縫隙對(duì)高速列車車外空氣動(dòng)力噪聲的影響。對(duì)于不影響列車車身流場(chǎng)分析的受電弓、車門、車窗等，在本次計(jì)算中不予考慮。

真實(shí)的高速列車由8節(jié)或者16節(jié)車廂組成。在列車明線運(yùn)行時(shí)，中間車廂的流場(chǎng)情況基本相同。受計(jì)算條件限制，本研究只選取3節(jié)車廂模型進(jìn)行數(shù)值模擬，整個(gè)模型由1節(jié)頭車廂、1節(jié)中間車廂、1節(jié)尾車廂組成，頭、尾車廂具有相同的外形。列車模型及計(jì)算域如圖1所示。列車的長(zhǎng)度約為95 m，寬度約為4.2 m，高度約為4.5 m。計(jì)算域總長(zhǎng)度為350 m，總寬度為40 m，總高度為30 m。列車頭部距離入口約為85 m，尾部距離出口約為170 m。

圖1　列車模型及計(jì)算域

考慮到幾何模型比較復(fù)雜，計(jì)算時(shí)采用混合網(wǎng)格劃分。列車表面采用三角形網(wǎng)格，在車頭、鼻錐等處局部加密，如圖2所示。在車身表面采用三角棱柱劃分3層邊界層，近場(chǎng)區(qū)域采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，中間用金字塔網(wǎng)格過渡，如圖3所示。網(wǎng)格數(shù)共計(jì)約700萬。

圖2　車頭表面網(wǎng)格

圖3　體網(wǎng)格橫截面

本文采用流體力學(xué)軟件FLUENT對(duì)高速列車外流場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算和瞬態(tài)計(jì)算。流場(chǎng)入口為速度入口，大小為83.33 m/s。流場(chǎng)出口為壓力出口，設(shè)置為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(101.325 kPa)。利用Reynolds平均數(shù)值模擬方法進(jìn)行流場(chǎng)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算，選擇基于壓力的隱式求解器，湍流計(jì)算時(shí)模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，壓力與速度耦合的方式選擇SIMPLE算法，動(dòng)量、湍動(dòng)能與湍流耗散率的空間離散格式選擇精度較高的2階迎風(fēng)格式。在穩(wěn)態(tài)計(jì)算的基礎(chǔ)上，采用大渦模擬方法對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算。為使脈動(dòng)壓力最高分析頻率達(dá)到5 kHz，根據(jù)奈奎斯特采樣定律，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.1 ms，采樣時(shí)間設(shè)置為0.2 s。

3列車外流場(chǎng)穩(wěn)態(tài)分析

穩(wěn)態(tài)計(jì)算模擬方法得到的流場(chǎng)信息是平均意義上的流場(chǎng)情況，可以在總體上分析列車外流場(chǎng)的分布情況。通過開啟Fluent噪聲模塊中的寬頻噪聲模型功能可以獲得列車表面聲功率級(jí)分布云圖，初步估計(jì)列車表面噪聲源。

3.1列車頭部流場(chǎng)分析及噪聲預(yù)估

列車在明線高速行駛時(shí)，車頭將原本靜止的空氣向四周排擠，使得空氣被壓縮。如圖4、5所示：氣流最先與鼻錐處接觸，并受到壓縮，氣流速度近乎為0，形成駐點(diǎn)；車頭區(qū)域形成正壓區(qū)，且因?yàn)檐囶^表面曲率變化較大，壓力和速度變化梯度也較大；氣流經(jīng)過鼻錐后被劃分為3個(gè)部分，分別流向車頂、車底和車身兩側(cè)，隨著列車速度越來越快，壓力也隨之越來越小；在車頭與車身過渡區(qū)域，氣流速度變化很快，造成該區(qū)域壓力迅速下降，出現(xiàn)高負(fù)壓區(qū)；氣流流過車頭后，因車身表面較為平坦，速度變化平緩，在車身頂面和側(cè)面形成較小的負(fù)壓區(qū)。

圖4　列車頭部靜壓力云圖

圖5　列車頭部縱剖面速度矢量圖

由圖4、5還可以看出：頂部氣流流過鼻錐后向車頂流動(dòng)，遇到司機(jī)室前窗雨刮器位置的凸起后又被壓縮，速度降低，表面壓力變大，形成高壓區(qū)，當(dāng)氣流流過凸起后發(fā)生分離并產(chǎn)生漩渦；底部氣流流過鼻錐后向車底流動(dòng)，遇到導(dǎo)流板阻礙，氣流速度近乎為0，壓力增加到最大，形成駐點(diǎn)；氣流流過導(dǎo)流板后，速度增加，壓力變小。

對(duì)比圖6、7可以發(fā)現(xiàn)：聲功率級(jí)分布大小和湍動(dòng)能分布大小基本一致。這是因?yàn)榱熊嚫咚龠\(yùn)行時(shí)，由于列車外形曲率的變化，列車表面會(huì)和空氣發(fā)生明顯的相互作用，致使車身附近的氣流流動(dòng)不平穩(wěn)，氣流發(fā)生分離，從而形成復(fù)雜的渦流流動(dòng)。受此渦流的影響，車身表面的脈動(dòng)壓力會(huì)出現(xiàn)劇烈的變化，最終形成刺耳的氣動(dòng)噪聲。列車頭部聲功率級(jí)最大處在導(dǎo)流板前端、鼻錐、雨刮器凸起后端，初步估計(jì)這幾個(gè)部位為車頭的主要噪聲源。

圖6　列車頭部湍動(dòng)能云圖

圖7　列車頭部表面聲功率級(jí)云圖

3.2列車尾部流場(chǎng)分析

由圖8、9可以看出：列車尾部變截面處負(fù)壓較大，和車頭部靜壓力相似，但由于尾部漩渦的影響，伴隨著能量的耗散，使得尾部最大負(fù)壓值的絕對(duì)值遠(yuǎn)小于列車頭部的最大負(fù)壓值。由于列車尾部的鼻端曲率變化也較大，由圖8可看到它的壓力變化較為劇烈，壓力梯度變化也較大。氣流流過雨刮器和導(dǎo)流板，由于表面曲率過大，氣流只有很少一部分沿著列車表面流動(dòng)，速度近乎為0，形成小片的正壓區(qū)。

圖8　列車尾部靜壓力云圖

圖9　列車尾部縱剖面速度矢量圖

3.3車廂連接處流場(chǎng)分析

如圖10、11所示：氣流在流經(jīng)車廂連接處時(shí)，一部分氣流流向下游車身表面，另一部分氣流下沉遇到壁面的阻擋，導(dǎo)致表面壓力增大。流進(jìn)空腔內(nèi)部的氣流在車廂連接的下游遇到一個(gè)上升的臺(tái)階。由于上升臺(tái)階對(duì)氣流的阻擋作用而使氣流發(fā)生回流，這種現(xiàn)象稱為氣流的反饋現(xiàn)象。反饋?zhàn)饔脮?huì)引起氣流在矩形空腔內(nèi)自激振蕩。

圖10　車廂連接處?kù)o壓力云圖

圖11　車廂連接處縱剖面速度矢量圖

4列車表面脈動(dòng)壓力分析

車身表面脈動(dòng)壓力的分布狀況是影響高速列車氣動(dòng)噪聲的決定因素[8]。脈動(dòng)壓力向外輻射形成遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲，向內(nèi)通過縫隙或壁面?zhèn)鬟f形成車內(nèi)噪聲。通過大渦模擬對(duì)高速列車外流場(chǎng)進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算，可以得到車身表面脈動(dòng)壓力的時(shí)域圖，從而分析脈動(dòng)壓力的變化。

為清楚地表現(xiàn)瞬態(tài)流場(chǎng)脈動(dòng)壓力的變化特性，在列車車頭部、列車車尾、列車車廂連接處等位置布置測(cè)點(diǎn)并測(cè)量這些點(diǎn)的脈動(dòng)壓力值，測(cè)點(diǎn)布置情況如圖12所示。測(cè)點(diǎn)均布置在列車中軸線上。

圖12　列車縱向截面下脈動(dòng)壓力測(cè)點(diǎn)布置情況

本文選取幾個(gè)具有代表性的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)壓力時(shí)域圖進(jìn)行分析，如圖13～15所示。

通過觀察脈動(dòng)壓力時(shí)域圖可以看出：高速列車表面壓力是隨時(shí)間不斷變化的。由圖13可以看出：列車頭部的脈動(dòng)壓力變化梯度較大，表明脈動(dòng)壓力的分布與列車的結(jié)構(gòu)有關(guān)，即表面曲率變化大的部位脈動(dòng)壓力的絕對(duì)值也較大，表面曲率變化小的部位脈動(dòng)壓力的絕對(duì)值也較小。對(duì)比圖13～15可以發(fā)現(xiàn)：相對(duì)于中間車廂和尾部車廂，列車頭部車廂的脈動(dòng)壓力較大，表明脈動(dòng)壓力的分布不僅與列車的結(jié)構(gòu)有關(guān)，還受列車表面流態(tài)的影響。列車的頭部和尾部曲率變化大，容易產(chǎn)生氣流分離形成渦流，因此列車頭部和尾部車廂的脈動(dòng)壓力變化明顯大于中間車廂；列車車頭和尾部車廂外形相同，曲率變化一致，由于尾部漩渦影響和能量的耗散，尾部車廂的脈動(dòng)壓力變化要明顯小于車頭的脈動(dòng)壓力變化。

圖13　車頭監(jiān)測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓力時(shí)域圖

圖14　中間車監(jiān)測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓力時(shí)域圖

圖15　尾車監(jiān)測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓力時(shí)域圖

5列車氣動(dòng)噪聲頻譜分析

通過脈動(dòng)壓力時(shí)域圖只能看出脈動(dòng)壓力隨時(shí)間的變化，在FLUENT中通過快速傅里葉變換可以將時(shí)域圖轉(zhuǎn)化為脈動(dòng)壓力級(jí)頻譜圖，以觀察列車頻譜的結(jié)構(gòu)特性。圖16為選出的3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)壓力級(jí)頻譜圖。

圖16　監(jiān)測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓力級(jí)頻譜圖

從圖16可以看出：各監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣動(dòng)噪聲的頻帶很寬,沒有明顯的主頻率,在低頻段時(shí)脈動(dòng)壓力級(jí)幅值均較大；隨著頻率的升高,各點(diǎn)的幅值都持續(xù)下降，在高頻段時(shí)脈動(dòng)壓力級(jí)幅值較小。脈動(dòng)壓力的能量主要集中在2 000 Hz頻率范圍以內(nèi)。3點(diǎn)的脈動(dòng)壓力級(jí)頻譜圖很相似，只是在數(shù)值上稍有差別。車頭和車尾的脈動(dòng)壓力級(jí)要高于中間車廂的脈動(dòng)壓力級(jí)，這是由氣流被壓縮或者分離形成的渦流引起的。

6結(jié)論

1) 列車在高速運(yùn)行時(shí)，來流被車頭所阻，產(chǎn)生強(qiáng)烈的空間擾流，形成復(fù)雜的渦流，車頭處脈動(dòng)壓力最大。

2) 穩(wěn)態(tài)瞬態(tài)計(jì)算表明：表面聲功率級(jí)和脈動(dòng)壓力級(jí)最大值都出現(xiàn)在鼻錐、雨刷器等表面曲率變化較大的部位。如果使車體各部位平滑過渡則可以有效減小氣動(dòng)噪聲。

3) 當(dāng)氣流流經(jīng)車身連接處時(shí)，氣流下沉后被后部車廂所阻，在空腔內(nèi)形成渦流，引起噪聲。加裝導(dǎo)流罩可以減小氣動(dòng)噪聲。

4) 總體上，脈動(dòng)壓力級(jí)是隨著頻率的升高呈降低趨勢(shì)。能量在低頻段較大，隨著頻率的升高，各點(diǎn)的幅值都持續(xù)下降：車頭的脈動(dòng)壓力級(jí)低頻時(shí)幅值最大，大約在95 dB；車尾脈動(dòng)壓力級(jí)幅值在80 dB左右；中間車脈動(dòng)壓力級(jí)幅值在75 dB左右。車頭的突起位置對(duì)氣動(dòng)噪聲的貢獻(xiàn)最大。

參考文獻(xiàn)：

[1]THOMPSON D J.Railway Noise and Vibrations:Mechanisms,Modeling and Means of Control[M].Oxford：Elsevier Science,2009：6-9.

[2]ALOTTE C.Wind turbulence effects on aerodynamic noise[J].Journal of Sound and Vibration，2000，231(3)：549-562.

[3]馮宜彬，過學(xué)迅.FLUENT在汽車空氣動(dòng)力學(xué)研究中的應(yīng)用[J].北京汽車.2008(2)：38-42.

[4]徐俊偉,吳亞鋒,陳耿.氣動(dòng)噪聲數(shù)值計(jì)算方法的比較與應(yīng)用[J].噪聲與振動(dòng)控制,2012(4):6-8.

[5]FELTEN F,FAUTRELLE Y,DU TERRAIL Y,et al.Numerical modeling of electromagnetically-driven turbulent flows using LES methods [J].Applied Mathematical Modeling,2004,28(1):15-27.

[6]傅德薰,馬延文,李新亮，等.可壓縮湍流直接數(shù)值模擬[M].北京:科學(xué)出版社，2010：3-6.

[7]TOSHIO K,KOZO K.A Review of CFD Method and Their Application to Automobile Aerodynamics [J].SAE,1992(5)：337-388.

[8]ALBERT R G.Automobile Aerodynamic Noise[J].Noise,1990(10):900315.

(責(zé)任編輯劉舸)

Numerical Simulation of Aerodynamic Noise forHigh-Speed Train in Exterior Flow Field

PAN Zhong，LU Sen-lin

(School of Automotive and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

Abstract:Based on Reynolds averaged numerical simulation, we had the steady exterior flow field of high-speed train with FLUENT software and analyzed the surfaces’ noise source of high-speed train in Broad Noise Source Model with FLUENT software. Secondly, the fluctuating pressure on the surface of high-speed train was calculated and obtained by analyzing the external flow field using large eddy simulation. And we transformed the time domain into the frequency domain through the fast Fourier transforming. Some aerodynamic noise characteristics for high-speed train were received by the analysis of pulsating pressure level power spectrum.

Key words:aerodynamic noise; LES; fluctuating pressure

收稿日期：2015-03-09

基金項(xiàng)目：教育部博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(20103227110009)

作者簡(jiǎn)介：潘忠(1990—)，男，江蘇淮安人，碩士研究生，主要從事振動(dòng)與噪聲控制方面的工作。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.05.002

中圖分類號(hào)：U260；U270

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-8425(2016)05-0008-07

引用格式：潘忠，陸森林.高速列車外流場(chǎng)氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2016(5):8-14.

Citation format：PAN Zhong，LU Sen-lin.Numerical Simulation of Aerodynamic Noise for High-Speed Train in Exterior Flow Field[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(5):8-14.