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(上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院，上海 201620)

0 引言

軌道交通發(fā)展的同時(shí)，人們對(duì)列車速度要求越來(lái)越高，加快了列車運(yùn)行速度的提高，由于氣動(dòng)噪聲的聲壓級(jí)增長(zhǎng)速度是運(yùn)行速度的6～8次方成正比[1-2]，噪聲問題日益突出。高速列車流線體外突出的部位與氣流相撞，嚴(yán)重干擾氣流，同時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)大的遠(yuǎn)場(chǎng)空氣脈動(dòng)壓力場(chǎng)，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為氣動(dòng)噪聲。因此對(duì)高速列車氣動(dòng)噪聲特性研究有著重要意義，促進(jìn)對(duì)后續(xù)氣動(dòng)噪聲降噪的研究。

從近場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)噪聲看，受電弓是高速列車主要?dú)鈩?dòng)噪聲源之一[3-5]；張亞東[6]等對(duì)氣動(dòng)噪聲貢獻(xiàn)量進(jìn)行預(yù)測(cè)，得出受電弓氣動(dòng)噪聲貢獻(xiàn)量最大的是碳滑板、平衡臂、弓頭支架、底架、絕緣子等；SUEKI[7]等在受電弓處采用多孔材料，在360 km/h風(fēng)洞試驗(yàn)運(yùn)行下噪聲減小1.9 dB；張亞東等[8]對(duì)受電弓開/閉口方式、導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)、導(dǎo)流罩安裝位置進(jìn)行低噪聲設(shè)計(jì)，得到遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓級(jí)最多降低3.1 dB的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案；在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中，列車最顯著的噪聲源是轉(zhuǎn)向架和受電弓[9]; T.Mitsumoji等[10]在弓頭表面施加等離子激勵(lì)器，得到該方法可降低弓頭產(chǎn)生的窄頻帶氣動(dòng)噪聲，Takehisa等[11]研究受電弓弓角表面的偶極子噪聲源，并分析了在弓角表面穿孔來(lái)降低氣動(dòng)噪聲的原理。因此研究高速列車受電弓的氣動(dòng)噪聲特性，對(duì)氣動(dòng)噪聲的降噪研究有著重要意義。

目前，高速列車受電弓的氣動(dòng)噪聲的數(shù)值仿真研究較少，對(duì)受電弓氣動(dòng)噪聲的聲壓級(jí)特性、聲壓級(jí)頻譜特性以及在不同車速下氣動(dòng)噪聲規(guī)律等特性了解甚少。為受電弓氣動(dòng)噪聲降噪研究提供參考依據(jù)，本文利用大渦模擬與FW-H聲學(xué)模型對(duì)不同車速下受電弓氣動(dòng)噪聲特性進(jìn)行研究分析。

1 計(jì)算模型

1.1 幾何模型

本文以CRH380B型高速列車為研究對(duì)象，建立列車幾何模型，模型由一節(jié)頭車、一節(jié)中間車和一節(jié)尾車組成，頭車和尾車外形相同，頭車車頂有2個(gè)空調(diào)導(dǎo)流罩，中間車車頂有1個(gè)單臂受電弓和1個(gè)受電弓空腔，且受電弓底座安裝在空腔內(nèi)。本文主要研究對(duì)象為車頂受電弓，對(duì)列車模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，在仿真中簡(jiǎn)化下半部分車身、車底轉(zhuǎn)向架等結(jié)構(gòu)，采用完全封閉的外風(fēng)擋。單臂受電弓模型是以CX-NG型受電弓為原型，保留主要部件，忽略緊固件等細(xì)小零部件。列車模型總長(zhǎng)度L=76.5 m，寬度W=3.26 m，高度H=3.89 m。高速列車簡(jiǎn)化模型如圖1所示。

圖1 高速列車幾何模型

1.2 計(jì)算域與邊界條件

高速列車流場(chǎng)計(jì)算域長(zhǎng)寬高分別為306 m、78.24 m、38.9 m，列車位于計(jì)算域中下方，列車頭車距離計(jì)算域進(jìn)口處1倍列車長(zhǎng)(即76.5 m)，尾車距離計(jì)算域出口處2倍列車長(zhǎng)(即153 m)，且列車與地面間的距離忽略不計(jì)。

計(jì)算域的進(jìn)口設(shè)置為速度進(jìn)口條件。計(jì)算域出口設(shè)置為零壓力出口條件。高速列車下方邊界設(shè)置為無(wú)滑移條件。高速列車表面設(shè)置為無(wú)滑移的固定邊界。

1.3 網(wǎng)格劃分

本文采用ICEM CFD軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。計(jì)算域采用混合網(wǎng)格劃分，列車車身附近采用四面體網(wǎng)格劃分，外域采用六面體網(wǎng)格劃分，四面體域與六面體域之間的數(shù)據(jù)傳遞通過建立interface交界面。考慮到受電弓部位的壓力變化，對(duì)受電弓進(jìn)行局部加密，設(shè)置最大網(wǎng)格尺寸為20 mm；車身附近采用加密形式；外場(chǎng)最大尺寸1000 mm。網(wǎng)格劃分單元總數(shù)約為4 412萬(wàn)。如圖2中(a)(b)所示。

圖2 網(wǎng)格

1.4 計(jì)算方法

本文先基于SST k-w模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，再采用寬頻噪聲模型對(duì)受電弓氣動(dòng)噪聲源進(jìn)行識(shí)別；瞬態(tài)計(jì)算是以穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果作為初始值，再進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算，瞬態(tài)計(jì)算采用大渦模擬，得到流場(chǎng)中邊界脈動(dòng)壓力，再利用傅里葉變換將流場(chǎng)中時(shí)域脈動(dòng)信號(hào)變換成頻域信號(hào)。在穩(wěn)態(tài)計(jì)算中，采用SIMPIC算法；在瞬態(tài)計(jì)算中，采用PISO算法，且本文氣動(dòng)噪聲最高頻率為5 kHz，設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)1×10-4s，計(jì)算2 000個(gè)時(shí)間步，總計(jì)0.2 s，具體的參數(shù)設(shè)置如表1所示。本文計(jì)算過程在Fluent軟件中完成。

為了計(jì)算在高速行駛下受電弓的氣動(dòng)噪聲情況，選取受電弓為噪聲源，在列車遠(yuǎn)場(chǎng)附近，分別確定A、B、C、D、E列作為氣動(dòng)噪聲的19個(gè)噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)，見圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置圖

表1 流場(chǎng)計(jì)算參數(shù)

2 數(shù)學(xué)模型

本文研究中采用大渦模擬方法來(lái)預(yù)測(cè)聲源相關(guān)信息。大渦模擬(LES)控制方程為：

(1)

(2)

(3)

其中:μt為亞格子湍流粘性系數(shù)，表示如下：

(4)

(5)

式中,Δ代表網(wǎng)格尺寸，Cs是Smagorinsky常數(shù)，對(duì)于大多數(shù)流動(dòng)問題Cs=0.1具有較好的模擬結(jié)果。

由于LES只能進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算，且對(duì)初始流場(chǎng)的要求比較高，從而需要進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，穩(wěn)態(tài)計(jì)算采用SST k-w湍流模型，其控制方程為：

(6)

(7)

(8)

式中，Ω為渦量，y為近壁面的距離，k為湍流動(dòng)能，ω為湍流比耗散率，μt為湍流黏性系數(shù)，σk、σω、σω2、β為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，ρ為密度，xj為方向坐標(biāo)，μi為氣流速度分量。

3 受電弓氣動(dòng)噪聲特性分析

3.1 受電弓流場(chǎng)特性

圖4為列車以350 km/h速度運(yùn)行時(shí)，受電弓表面壓力云圖。有圖4可知，碳滑板、弓頭支架等表面的迎風(fēng)面是正壓，其中最大正壓值為8 070 Pa，絕緣子背風(fēng)面有最大負(fù)壓，值為6 040 Pa。由于受電弓安裝在車頂空腔內(nèi)，底架及絕緣子迎風(fēng)面受到的壓力較小，在1 000 Pa左右。以軌道中心線為對(duì)稱線，受電弓表面靜壓力表現(xiàn)出較大的對(duì)稱性。

圖4 受電弓表面壓力云圖

3.2 受電弓聲場(chǎng)特性

在穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算，并建立噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行瞬態(tài)研究，將經(jīng)過瞬態(tài)計(jì)算得到的噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)的聲壓數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換，可得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)相應(yīng)的聲壓級(jí)頻譜曲線及1/3倍頻程圖。本文在受電弓附近設(shè)置5列噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)(共19個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn))，高度與地面的垂直距離為3.5 m，每列從上到下依次為1、2、3等，如A列噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)A-1、A-2、A-3，其中E列為遠(yuǎn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置位置如圖3所示。

3.2.1 氣動(dòng)噪聲聲壓級(jí)分布

圖5為高速列車以速度為350 km/h運(yùn)行時(shí)車頂表面聲功率分布云圖及受電弓部位的聲功率級(jí)分布云圖。由圖可看出，在列車車頂部位，較大表面聲功率級(jí)的部位為受電弓，表面聲功率級(jí)值為111 dB。以軌道中心線為對(duì)稱線，受電弓表面聲壓級(jí)有較強(qiáng)的對(duì)稱性。受電弓碳滑板、弓頭聲功率級(jí)峰值達(dá)到100 dB以上，最大聲壓級(jí)為111 dB。當(dāng)列車時(shí)速為200 km、250 km、300 km時(shí)，受電弓處最大聲功率級(jí)分別為93.5 dB、102 dB、109 dB。由于受電弓表面聲功率較大的地方其脈動(dòng)壓力值較大，產(chǎn)生較強(qiáng)的氣動(dòng)噪聲，因此，受電弓碳滑板、弓頭部位是受電弓產(chǎn)生的主要噪聲源。

圖5 車頂表面聲功率及受電弓聲功率分布云圖

圖6是E列7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氣動(dòng)噪聲總聲壓級(jí)，由圖可知，列車速度的增加，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣動(dòng)噪聲總聲壓級(jí)也隨之增加，200 km/h、250 km/h、300 km/h、350 km/h列車速度下平均總聲壓級(jí)分別為61.61 dB、65.16 dB、74.15 dB、78.02 dB，平均總聲壓級(jí)增加幅值為3.55 dB、8.99 dB、3.87 dB。當(dāng)列車時(shí)速?gòu)?00 km提高到350 km時(shí)，受電弓氣動(dòng)噪聲傳到遠(yuǎn)場(chǎng)各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，總聲壓級(jí)值最大相差分別為0.83 dB、1.46 dB、0.45 dB、0.15 dB。

圖6 E列監(jiān)測(cè)點(diǎn)總聲壓級(jí)圖

3.2.2 氣動(dòng)噪聲頻域分布特征

圖7為仿真得到的以軌道中心線對(duì)稱的A、B、C、D四列監(jiān)測(cè)點(diǎn)在高速列車在300 km/h下的聲壓級(jí)頻譜圖，從圖中可得出如下結(jié)論：

(1)所有噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)隨頻率的變化規(guī)律基本相同，聲壓級(jí)分布的頻帶較寬，聲壓級(jí)幅值在低頻段時(shí)較高，各個(gè)噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)隨著頻率的增加呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。由此可知該型高速列車受電弓產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲是一種寬頻噪聲。

(2)由圖10以及表3總聲壓級(jí)值可知，列車左右兩邊對(duì)稱的監(jiān)測(cè)點(diǎn)頻譜曲線圖有較強(qiáng)的重合，以軌道中心線為對(duì)稱線，表現(xiàn)出較強(qiáng)的對(duì)稱性。

圖7 對(duì)稱監(jiān)測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)頻譜圖

圖8為列車在不同速度下運(yùn)行時(shí)，距離地面高3.5米處，y=49米截面上，距離軌道中心線不同距離的A-2、B-2、E-4監(jiān)測(cè)點(diǎn)總聲壓級(jí)圖。由圖可看出，在同一車速下，離軌道中心線的距離逐漸增大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氣動(dòng)噪聲總聲壓級(jí)逐漸減小。各車速下總聲壓級(jí)減小的幅值在6.07～11.56 dB，且在不同車速下相鄰兩監(jiān)測(cè)點(diǎn)的總聲壓級(jí)減小的幅值在0.01～0.93 dB。

圖8 列車橫向監(jiān)測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)圖

由表2可知，在列車速度為250 km/h下，距離軌道中心線從3.5 m增加到25 m，其氣動(dòng)噪聲聲壓級(jí)減小的幅值為7.76 dB(A)、11.65 dB(A)，在不同列車速度下氣動(dòng)噪聲聲壓級(jí)最大減小的幅值分別為11.56 dB(A)、11.65 dB(A)、11.47 dB(A)、10.80 dB(A)。

表2 列車橫向監(jiān)測(cè)點(diǎn)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí) dB(A)

3.2.3 A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)1/3倍頻程分析

A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)是模擬人耳對(duì)55 dB以下低強(qiáng)度噪聲的頻率特性，和人耳的聽感特性最為相似貼切，圖9為列車在不同速度下運(yùn)行時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)1/3倍頻程圖。由圖可看出：

圖9 不同速度下監(jiān)測(cè)點(diǎn)A-2的1/3倍頻程頻譜圖

(1)隨著列車運(yùn)行速度的增加，A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)也隨之增加，且主要能量集中在500～5 000 Hz頻域內(nèi)，最高A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)值也逐漸增大。

(2)隨著1/3倍頻程的增加，監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣動(dòng)噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)也隨之迅速增加，在0～500 Hz頻率范圍內(nèi)，氣動(dòng)噪聲的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)隨著1/3倍頻程的增加而迅速增加。

(3)列車速度為200 km/h、250 km/h、300 km/h、350 km/h時(shí)，主要能量分布在4 500～5 000 Hz，4 200～5 000 Hz，1 400～1 800 Hz，1 600～2 000 Hz，存在明顯的主頻，隨著列車速度的增加，主頻有著從高頻向低頻移動(dòng)的趨勢(shì)。

表3所示為各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在不同速度下的總聲壓級(jí)值。

4 受電弓降噪研究

4.1 氣動(dòng)噪聲降噪方法

高速列車氣動(dòng)噪聲的產(chǎn)生及傳播屬于流體動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域，受電弓部位氣動(dòng)噪聲降噪主要分為兩大類，分別為被動(dòng)降噪和主動(dòng)降噪。其中，被動(dòng)降噪是沒有外部能量輸入，目前主要靠?jī)?yōu)化幾何結(jié)構(gòu)、材料屬性、安裝導(dǎo)流罩、仿生改形設(shè)計(jì)、受電弓開/閉口方式等來(lái)改變流場(chǎng)，這些被動(dòng)降噪對(duì)氣動(dòng)噪聲只能達(dá)到有限的降噪效果；主動(dòng)降噪是由外部能量輸入，直接作用在局部流場(chǎng)中，來(lái)改變局部流場(chǎng)，從而達(dá)到降低氣動(dòng)噪聲的目的，其中T.Mitsumoji等在弓頭表面施加等離子激勵(lì)器，得到該方法可降低弓頭產(chǎn)生的窄頻帶氣動(dòng)噪聲。

表3 不同列車速度下監(jiān)測(cè)點(diǎn)總聲壓級(jí)對(duì)比表 dB

對(duì)大型客機(jī)起落架氣動(dòng)噪聲進(jìn)行主動(dòng)降噪的，有如下幾種方法，高哲采用空氣膜降噪法，在原本形成湍流的區(qū)域增加額外層流(空氣膜)，層流代替原來(lái)不規(guī)則的流動(dòng)，使湍流區(qū)域明顯減小；任旺在起落架背風(fēng)面邊緣施加垂直射流，使射流、扭力臂與支柱構(gòu)成一近似封閉空間。

4.2 受電弓降噪分析

空腔噪聲產(chǎn)生的機(jī)理是由于，氣流流經(jīng)空腔前緣產(chǎn)生分離，在空腔上方形成剪切層，轉(zhuǎn)化為漩渦運(yùn)動(dòng)，漩渦以一定的速度流向空腔下游，到達(dá)空腔后緣處與空腔后壁產(chǎn)生碰撞，從而誘發(fā)向前傳播的壓力波。

為改變空腔內(nèi)的湍流，在高速列車受電弓空腔背風(fēng)面設(shè)置射流降噪裝置，射流面是寬為400 mm,長(zhǎng)為2200 mm的矩形。射流溫度與來(lái)流溫度保持一致，射流在整個(gè)面上保持速度均勻分布，速度設(shè)置為30 m/s，列車速度為97.2 m/s。射流方向位置如圖10所示。

圖10 射流位置圖

在建立的受電弓模型附近設(shè)置1個(gè)噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)，位于空腔的中部，高度與車頂保持一致。圖11給出了該噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)的A計(jì)權(quán)1/3倍頻程圖，從圖11中可得出如下結(jié)論：

該監(jiān)測(cè)點(diǎn)在降噪前脈動(dòng)壓力的能量較為穩(wěn)定，主要分布于105～111dB(A)之間，在800 Hz時(shí)脈動(dòng)壓力級(jí)出現(xiàn)較高峰值，800 Hz之后的高頻段變化幅值較小，趨于穩(wěn)定。而在射流降噪后，噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)在低頻時(shí)迅速增加，然后趨于穩(wěn)定，在800 Hz時(shí)脈動(dòng)壓力級(jí)出現(xiàn)最大幅值，900 Hz之后的高頻段變化峰值較小，施加射流后，監(jiān)測(cè)點(diǎn)計(jì)算得到的總聲壓級(jí)值從133.17 dB降到117.97 dB，該射流方法具有一定的降噪效果，為后面的降噪研究提供一定的基礎(chǔ)。

圖11 監(jiān)測(cè)點(diǎn)1/3倍頻程圖

5 結(jié)論

本文基于Lighthill聲學(xué)理論，采用SST K-W模型、LES等模型對(duì)高速列車受電弓進(jìn)行仿真模擬，并考慮不同列車運(yùn)行速度，分析了受電弓的主要?dú)鈩?dòng)噪聲源和遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)噪聲特性，并對(duì)受電弓進(jìn)行降噪研究?；诜抡娼Y(jié)果分析，可以得出以下結(jié)論。

(1)CRH380B高速列車車頂?shù)闹饕獨(dú)鈩?dòng)噪聲源是受電弓，受電弓部位的碳滑板、弓頭等為受電弓的主要噪聲源。

(2)高速列車以不同速度運(yùn)行時(shí)，同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨著列車運(yùn)行速度的增加其聲壓級(jí)增加，以軌道中心線為對(duì)稱的，監(jiān)測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)及頻譜特性表現(xiàn)出較高的對(duì)稱性。

(3)高速列車以一定速度行駛時(shí)，隨著離軌道中心線距離的增大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)逐漸減小，且在不同運(yùn)行速度下，聲壓級(jí)降低的幅值相差較小。高速列車遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)噪聲是一種寬頻噪聲，其主要的能量集中在500～5000 Hz，存在明顯的主頻。

(4)在受電弓空腔處加射流主動(dòng)降噪，監(jiān)測(cè)點(diǎn)降低了15.2 dB，具有明顯的降噪效果，為后續(xù)射流降噪研究提供基礎(chǔ)。