作者簡介：屈建民（1980.10-），男，湖南，四川航空股份有限公司機務工程部，工程師，系統(tǒng)工程師本科，專業(yè)：流體力學。

摘要：采用k-ε兩方程湍流模型模擬了高速列車在有隔音屏和無隔音屏狀態(tài)下的粘性流動，將壓力變化通過傅立葉變換轉(zhuǎn)化成噪音值，通過相同點的噪音值（dB）比較，表明隔音屏能有效的降低高速列車產(chǎn)生的氣動噪音。

關(guān)鍵詞：高速列車；氣動噪聲；fluent；隔音屏

1.引言

隨著國家經(jīng)濟的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的交通運輸業(yè)體現(xiàn)出了越來越大的局限性，為了緩解交通運輸?shù)钠款i，國家開始大力建設(shè)高速鐵路，越來越多的高速列車馳騁在祖國大地。高速列車一般指時速在200公里以上的火車，目前動車組的平均時速已經(jīng)超過200公里，而剛剛興起的大部分高速列車（俗稱：高鐵）的時速已經(jīng)可達到350公里每小時。

雖然高速列車能極大的提高運輸效率，但同時也帶來了一些環(huán)境危害，比如說電磁輻射，振動，噪音等等。據(jù)2002～2003年對某些小區(qū)的調(diào)查顯示，普通列車運行時產(chǎn)生的噪音達80dB左右[1]。列車產(chǎn)生的噪音源有很多，一部分是機械噪聲，比如說列車與鐵軌的碰撞，還有一部分是氣動噪聲，這主要是列車高速運行的時候造成附近壓力場的變化而產(chǎn)生的噪聲。隨著列車時速的提高，氣動噪音會大幅增加。據(jù)模擬顯示，這一部分噪聲主要是低頻噪聲，而低頻噪音會對人體健康產(chǎn)生長遠的影響[2]，因此需要采取有效措施降低高速列車產(chǎn)生的低頻噪音。

計算流體力學（Computational fluid dynamic）是最近幾十年興起的一門新興學科，該方法是通過建立計算域網(wǎng)格，離散控制方程，利用計算機強大的運算能力迭代求解控制方程，進而得到流場的各種物理量。目前成熟的計算流體力學商業(yè)軟件已經(jīng)非常成熟，業(yè)界采用比較多的主要有fluent、star-cd、cfx等軟件，其中fluent以其強大的適應性和良好的計算精度得到了廣泛的應用，對于噪音的模擬，已經(jīng)有相關(guān)文獻證明了fluent在這方面的適用性[3][4]。

本文主要利用fluent對高速列車周圍的流場進行了模擬，并通過壓力場的變化計算出噪音分布，通過比較相同點在有隔音屏和無隔音屏時噪音大小的比較，證明了fluent在計算高速列車氣動噪音的適用性和隔音屏降低噪音的有效性。

2.控制方程與邊界條件

2.1控制方程

在直角坐標系中，三維守恒型NS方程可以寫為：

Ut+Ex+Fy+Gz=1Re（Evx+Fvy+Gvz）（1）

式中U=（ρ，ρu，ρv，ρw，e）T，E，F(xiàn)，G為對流項，Ev，F(xiàn)v，Gv為粘性項，其中ρ，u，v，w，e分別表示氣體的密度、x方向的速度分量、y方向的速度分量、z方向的速度分量和單位體積的總內(nèi)能。對于理想氣體p=（γ-1）[e-ρ2（u2+v2+w2）]，對于空氣，比熱比γ取1.4。

對于粘性系數(shù)，本文采用工業(yè)上常用的k-ε湍流模型進行計算，其控制方程如下：

紊動能k方程：

ρDkDt=xi（μ+μtσk）kxi+Gk+Gb-ρε（2）

紊動能耗散率ε方程：

ρDεDt=xi（μ+μtσε）εxi+C1εεk（Gk+C3εGb）-C2ερε2k（3）

2.2邊界條件

物面邊界條件：

對于粘性流動，物面上應該滿足無滑移條件，即u=v=w=0 。此外，假設(shè)物面為絕熱壁條件，即Tn=0，這里n為物面外法線方向。

遠場邊界條件：

在實際數(shù)值計算中，計算區(qū)域的大小是有限的，因而在計算區(qū)域的遠場邊界處需要引入無反射邊界條件，以保證物體產(chǎn)生的擾動波不被反射回內(nèi)場這一流動的物理特征，在fluent中的壓力遠場邊界條件采用Riemann不變量關(guān)系來處理遠場無反射邊界條件，其遠場邊界處的Riemann不變量定義如下：

R-=qn-2aγ-1；R+=qn+2aγ-1（4）

其中qn表示邊界上的外法向速度分量，a表示當?shù)氐囊羲?，?為氣體比熱比。

3.算例分析

本文采用商業(yè)軟件fluent模擬了高速列車在無隔音屏和有隔音屏情況下的流場及其產(chǎn)生的氣動噪音。

算例一：高速列車在無隔音屏情況下流場和氣動噪音的模擬模擬。計算狀態(tài)為來流速度u=100m/s。本文采用fluent的前處理器gambit生成計算網(wǎng)格，圖1為表面網(wǎng)格分布圖?？紤]到速度100m/s已經(jīng)可以認為是可壓縮流動，因此求解器選擇耦合求解器，空氣密度設(shè)置為理想氣體。圖2為壓力等值線分布圖，從圖中可以看出列車頭部壓力變化非常劇烈。為了比較隔音屏對噪音傳播的影響，設(shè)置了兩個監(jiān)測點，點A位于隔音屏外，距離列車中心10米，高度4米，點B位于隔音屏內(nèi)，距離列車中心5米，高度4米。根據(jù)相對性，計算時將列車設(shè)為固定，那么監(jiān)測點相對于列車就是運動的，運動軌跡為一條直線。圖3為該直線上的壓力分布。通過將該直線距離與壓力的關(guān)系除以列車的速度，就得到了監(jiān)測點時間與壓力的關(guān)系，將其通過fluent的傅里葉變換，就得到了監(jiān)測點的噪音值（dB）。

算例二：高速列車在有隔音屏情況下流場和氣動噪音的模擬。計算狀態(tài)與無隔音屏一致。圖4為表面網(wǎng)格分布圖（為了顯示方便，將一側(cè)的隔音屏隱藏）。圖5為壓力等值線分布圖。

圖6為監(jiān)測點壓力分布圖。通過與圖3比較，可以看出有隔音屏的情況下，監(jiān)測點A和B的壓力差更加明顯，證明隔音屏能有效的降低壓力的傳播。圖7為監(jiān)測點噪音值分布圖，從圖中可以看出，對于頻率20HZ左右的低頻噪音，加了隔音屏之后，監(jiān)測點A處的噪音值從80dB降低到了60dB左右，而監(jiān)測點B處的噪音值始終在90dB左右。由此可見，隔音屏對于降低低頻噪音還是有相當效率的。

4.結(jié)論

本文利用fluent軟件模擬了高速列車在有隔音屏和無隔音屏狀態(tài)下的氣動噪音，通過相同點噪音值（dB）的比較，表明隔音屏能有效的降低列車通過時產(chǎn)生的氣動噪音，同時也證明了fluent對于氣動噪音計算的適應性。出于簡化的目的，本文的計算模型采用的是簡化后的列車車頭，因此未能捕捉到小的壓力脈動，而這一部分壓力脈動是產(chǎn)生高頻氣動噪音的噪音源，因而采用實際列車模型，利用非定常計算捕捉小的壓力脈動，計算高頻段的氣動噪音將是下一步工作的重點。（作者單位：四川航空股份有限公司機務工程部）

參考文獻：

[1]魏保祥，耿小娟，唐鳳琴. 火車噪聲、振動對8個小區(qū)環(huán)境影響調(diào)查，中國環(huán)境衛(wèi)生，2004年第7卷第2期：8～10

[2]孟蘇北. 城市住宅區(qū)低頻噪聲對人類健康的危害，中國醫(yī)學導報，2007年第4卷第35期：17～19

[3]齊海政，劉獻棟. 汽車排氣消聲器仿真方法探究，噪聲與振動控制，2006，6：73～76

[4]楊宇. 汽車氣動噪聲的數(shù)值模擬分析，天津汽車，2008年第3期：36～37