徐志龍，劉海濤，王超文，陳永華

（1.華東交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，江西 南昌330013；2.杭州地鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司運(yùn)營(yíng)分公司，浙江 杭州310017）

近年來(lái)隨著高速列車的快速發(fā)展以及都市化進(jìn)程的加快，人們對(duì)高速列車速度的追求也越來(lái)越高。 在列車速度達(dá)到250 km/h 時(shí)，列車與空氣相互作用引起的氣動(dòng)噪聲將首次超過(guò)輪軌振動(dòng)噪聲，是制約列車速度的重要因素之一[1]。 蔡國(guó)華等[2]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)列車速度達(dá)到200 km/h 時(shí),大約有70%的功率用于克服空氣阻力，并且隨著車速的進(jìn)一步提高，不僅空氣阻力急劇增加，受電弓還會(huì)與輸電導(dǎo)線之間產(chǎn)生極為嚴(yán)重的氣動(dòng)接觸壓力和氣動(dòng)噪聲，影響受電弓質(zhì)量。 列車的氣動(dòng)噪聲主要包括列車車頭，車體轉(zhuǎn)向架，受電弓等與空氣相互作用所產(chǎn)生的脈動(dòng)壓力變化引起的噪聲。 受電弓作為列車頂部的重要受流裝置，其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式對(duì)高速列車的空氣動(dòng)力學(xué)性能影響很大，因此對(duì)高速列車受電弓桿件的優(yōu)化具有重要意義。

Nishimura 等[3]在圓柱桿件表面粘貼絨毛織物，結(jié)果發(fā)現(xiàn)絨毛織物雖然能略微增加氣流湍流流動(dòng)的阻力，但能有效地降低圓柱桿件的氣動(dòng)噪聲以及降低桿件表面的脈動(dòng)壓力。King 等[4]對(duì)受電弓桿件的不同截面形狀（包括圓形，正方形，矩形和橢圓形）進(jìn)行了氣動(dòng)噪聲測(cè)試，得出橢圓截面桿件的氣動(dòng)噪聲較其它截面桿件的氣動(dòng)噪聲更低。近年來(lái)，仿生學(xué)的發(fā)展為機(jī)械結(jié)構(gòu)的減阻降噪研究帶來(lái)了新的契機(jī)，提出一種非光滑結(jié)構(gòu)的減阻降噪新思路，就是把自然界中具備低阻力，低噪聲的典型生物的體表形態(tài)特征應(yīng)用到實(shí)際工程中來(lái)[5]。 Hersh[6]，李典[7]，呂建民[8]和葛長(zhǎng)江[9]等受到鸮翼前緣鋸齒結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，均驗(yàn)證了基于仿生的鸮翼鋸齒結(jié)構(gòu)能有效地達(dá)到減阻降噪的目的。石磊等[10]利用仿生學(xué)原理設(shè)計(jì)出了鋸齒形，V 型凹環(huán)型和波浪形這三種結(jié)構(gòu)，與光滑的圓柱桿件相比，這三種非光滑結(jié)構(gòu)的桿件表面的脈動(dòng)壓力均有明顯的減弱。 汪久根[11]提出一種雪花表面織構(gòu)的非光滑結(jié)構(gòu)，通過(guò)在雪花織構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生二次渦，大大降低了與空氣相互作用產(chǎn)生的摩擦噪聲，而且進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)不同尺度的表面織構(gòu)與圓坑交叉耦合還要優(yōu)于單一表面織構(gòu)。 NASA 蘭利研究中心的Walsh 等[12-14]受到鯊魚(yú)表面微溝槽的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了多種溝槽結(jié)構(gòu)，通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)V 型溝槽具有良好的減阻效果，最高減阻率達(dá)到25%。

海螺，貝殼等海洋生物為了抵御海水的沖蝕以保持自身的穩(wěn)定，其外殼表面進(jìn)化出凸陷螺紋線。 基于其外殼表面微結(jié)構(gòu)啟示，設(shè)計(jì)出凹槽螺紋型和凸陷螺紋型兩種不同結(jié)構(gòu)的桿件。 在速度為350 km/h 的空氣域中，通過(guò)定量比較螺距和螺紋參數(shù)下非光滑結(jié)構(gòu)桿件的氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)噪聲，來(lái)探求非光滑桿件的減阻降噪機(jī)理，為新型受電弓的減阻降噪提供借鑒和指導(dǎo)。

1 計(jì)算理論及方法

1.1 空氣動(dòng)力學(xué)理論基礎(chǔ)

空氣動(dòng)力學(xué)為流體力學(xué)的一個(gè)分支，所以在對(duì)高速列車受電弓桿件周圍流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真時(shí)，數(shù)值模擬的控制方程采用三維的N-S 方程，笛卡爾坐標(biāo)系(x1，x2，x3)，定義速度分量(u1，u2，u3)，完整的三維N-S 方程守恒形式如下

式（1）中U，F(xiàn)， fv的表達(dá)式如下

1.2 氣動(dòng)聲學(xué)基礎(chǔ)

氣動(dòng)噪聲是由于氣體與固體或者氣體與氣體介質(zhì)之間的沖擊、碰撞等相互作用而產(chǎn)生的氣流壓力波動(dòng)所導(dǎo)致的。 根據(jù)聲學(xué)相似理論以及氣動(dòng)聲學(xué)產(chǎn)生的機(jī)制，流場(chǎng)中的聲源可以分為：?jiǎn)螛O子聲源、偶極子聲源以及四極子聲源。其中偶極子聲源也稱為流體動(dòng)力聲，因?yàn)榕紭O子聲源沒(méi)有質(zhì)量和熱量的變化（兩邊相互抵消），但需要外加振動(dòng)力。 偶極子聲源是流體中存在障礙物時(shí)，流體與流體之間出現(xiàn)不穩(wěn)定的反作用力而形成的。

高速列車受電弓產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲屬于偶極子聲源的范疇，在對(duì)高速列車受電弓桿件進(jìn)行氣動(dòng)噪聲計(jì)算時(shí)， 采用基于Proudman 理論的寬頻帶噪聲模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。 Proudman 方程由Proudman 于1952 年導(dǎo)出，用于求解高雷諾數(shù)、低馬赫數(shù)及各項(xiàng)同性湍流流動(dòng)中的氣動(dòng)噪聲。 本研究的計(jì)算對(duì)象滿足該模型的假定條件，模型中聲功率計(jì)算公式如下

式中：u 為湍流速度；l 為湍流特征尺度；c0為聲速；α 為模型常數(shù)。ρ0對(duì)于紊流脈動(dòng)動(dòng)能K 和紊流脈動(dòng)動(dòng)能的耗散率ε，式（3）可以改寫(xiě)為下式

氣動(dòng)噪聲聲功率級(jí)如下

式中：Pref為10－12W/m3。

2 仿真模型的建立

對(duì)受電弓桿件進(jìn)行仿真分析時(shí)，考慮計(jì)算機(jī)仿真所消耗內(nèi)存資源較大，故選取受電弓的一段桿件進(jìn)行三維流體仿真分析，桿件的尺寸與受電弓桿件的常規(guī)尺寸相近，直徑為60 mm，高度為240 mm。為了使仿真結(jié)果更加接近實(shí)際情況，需建立一個(gè)與受電弓桿件模型不產(chǎn)生干涉的空氣域模型，所建立的空氣域?yàn)?00 mm×500 mm×240 mm，如圖1 所示。

計(jì)算域模型建立完成并且網(wǎng)格劃分質(zhì)量符合要求之后，在Fluent 軟件中進(jìn)行三維流體仿真。 本研究是基于穩(wěn)態(tài)仿真計(jì)算，且流體介質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn)氣壓下的空氣介質(zhì)，采用Reynold 平均模擬的標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算。 在實(shí)際的環(huán)境中，真實(shí)的流體都具有不同程度的壓縮性，而空氣的壓縮性更為明顯。 在不可壓縮流體介質(zhì)流動(dòng)中，流動(dòng)的參數(shù)通常只是速度和壓強(qiáng)，但是在可壓縮流體介質(zhì)中，另外還增加了密度和溫度兩個(gè)變量，導(dǎo)致流場(chǎng)控制方程的數(shù)量增多以及解方程的復(fù)雜程度也加大。但是當(dāng)馬赫數(shù)比較小的時(shí)候，就可以忽略流體密度變化的影響，就可劃分到不可壓縮流動(dòng)的范疇。

仿真流體運(yùn)動(dòng)中流動(dòng)速度350 km/h，其馬赫數(shù)約為0.286（小于0.3），因此不屬于可壓縮的范疇。而流場(chǎng)中邊界條件的設(shè)置決定了流場(chǎng)仿真控制方程解的唯一性，又叫做流場(chǎng)的定解條件。 對(duì)于邊界條件設(shè)置是假設(shè)受電弓模型不動(dòng)，空氣以一定的速度在空氣域模型中水平流動(dòng)，利用這種方法來(lái)模擬高速列車所處的實(shí)際環(huán)境，邊界條件設(shè)置如表1 所示。

圖1 仿真幾何模型Fig.1 Simulation geometry model

3 桿件的仿生設(shè)計(jì)

受到自然界中海螺，貝殼等海洋生物類似螺紋線外殼啟發(fā)，通過(guò)仿生學(xué)思想,對(duì)高速列車受電弓桿件提出一種非光滑表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 本設(shè)計(jì)將高速列車受電弓桿件處理成一種螺紋型非光滑表面結(jié)構(gòu)，即凹槽螺紋型和凸槽螺紋型兩種不同類型的桿件，如圖2 所示。

圖2 仿生桿件模型Fig.2 Bionic bar model

其中model1 帶有凹槽螺紋型非光滑表面，model2 帶有凸陷螺紋型非光滑表面。為了更深層次地探求螺紋型非光滑表面結(jié)構(gòu)氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)噪聲的影響， 分別對(duì)這兩種類型桿件的螺距PPD 與螺紋直徑D 進(jìn)行不同規(guī)格參數(shù)化分析，具體參數(shù)如表2。

4 仿真結(jié)果分析

采用ANSYS Fluent 進(jìn)行三維流體仿真，基于標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型和寬頻帶噪聲模型，在速度為350 km/h 的環(huán)境下， 所得到的螺紋型各類型桿件不同參數(shù)下的氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)噪聲值如圖3所示。

表2 螺紋型桿件各參數(shù)Tab.2 Parameters of threaded bar

圖3 非光滑桿件阻力和噪聲值Fig.3 Drag and noise of non-smooth bars

其中M1_PPD=10 表示螺距PPD=10 mm 不同螺紋直徑的凹槽螺紋型桿件，M2_PPD=10 表示螺距PPD=10 mm 不同螺紋直徑的凸陷螺紋型桿件。從圖中可以看出，螺距PPD=60 mm，螺紋直徑d=1 mm 的凹槽螺紋型桿件（M1_PPD=60）所產(chǎn)生的氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)噪聲均最小，而且凸陷螺紋型桿件普遍要比凹槽螺紋型桿件的氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)噪聲要明顯小很多。 為了研究其內(nèi)部機(jī)理，將PPD=10 mm，d=1 mm 的凹槽螺紋型桿件與同尺寸的傳統(tǒng)光滑受電弓桿件所仿真的速度流場(chǎng)云圖和聲功率云圖繪制出來(lái)進(jìn)行比較如圖4 和圖5 所示。

圖4 速度流場(chǎng)分布Fig.4 Velocity flow distributions

圖5 聲動(dòng)噪聲云圖Fig.5 Sound-power contour

從圖4 中可以看出，傳統(tǒng)的光滑桿件A 相對(duì)于螺距PPD=60 mm，螺紋直徑d=1 mm 的凹槽螺紋型桿件尾部區(qū)域具有更大的渦流區(qū)，并且渦流在圓柱桿件的邊界層上發(fā)生分離，分離時(shí)形成的漩渦被主流帶走，在物體后部形成尾流區(qū)，邊界層分離后的流動(dòng)很復(fù)雜，由于尾渦中含有大量紊亂的漩渦，消耗大量的動(dòng)能，這對(duì)流動(dòng)來(lái)說(shuō)是一種阻力作用，這也是模型B 中的螺紋型非光滑表面結(jié)構(gòu)破壞了尾流漩渦的發(fā)展導(dǎo)致阻力減小的關(guān)鍵原因之一。結(jié)合圖5 所示，模型B 中的凹槽螺紋型非光滑表面使得邊界層的分離點(diǎn)更延后，根據(jù)渦聲理論，渦流是氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生的直接原因，模型B 中尾流區(qū)域的減小使得氣動(dòng)噪聲的范圍和幅值都要顯著低于傳統(tǒng)的光滑桿件模型A，這也是仿生結(jié)構(gòu)減阻降噪的關(guān)鍵機(jī)理所在。

5 結(jié)論

本研究通過(guò)建立受電弓桿件的三維流場(chǎng)仿真分析模型， 來(lái)計(jì)算高速列車受電弓桿件在350 km/h 的速度下流場(chǎng)分布以及氣動(dòng)性能參數(shù)。 設(shè)計(jì)出的兩類螺紋型非光滑桿件與傳統(tǒng)光滑桿件模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析,從而獲得了以下結(jié)論：

1） 相對(duì)于傳統(tǒng)光滑圓柱桿件，螺紋型非光滑表面可以有效地控制尾流區(qū)域的大小，且和螺紋直徑與圓柱尺寸d/D 的比值有關(guān)，比值d/D 在0.017 時(shí)，凹槽螺紋型桿件具有最優(yōu)的減阻降噪效果；

2） 在螺距和螺紋直徑參數(shù)相同時(shí)，凸陷螺紋型桿件的減阻降噪效果要優(yōu)于凹槽螺紋型結(jié)構(gòu)；

3） 對(duì)于凹槽螺紋型桿件類型，螺距PPD 一定時(shí)， d/D 的比值在0.017～0.067 范圍內(nèi)，氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)噪聲隨著螺紋直徑d 的增加而增加，當(dāng)超過(guò)數(shù)值0.067 之后有顯著降低氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)噪聲的趨勢(shì)；

4） 對(duì)于凸陷螺紋型桿件類型，在螺距PPD 一定時(shí)，隨著螺紋直徑d 的增加，氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)噪聲也均增加。

本次研究只是選取了螺紋型的兩種不同類型非光滑桿件進(jìn)行部分參數(shù)優(yōu)化分析，要想獲得更優(yōu)的氣動(dòng)性能結(jié)構(gòu)，還需開(kāi)展多參數(shù)優(yōu)化以及多元耦合的非光滑表面研究。