姜世杰， 楊 松， 聞邦椿， 戰(zhàn) 明

(1.東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院， 遼寧 沈陽 110819; 2.東北大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110819)

近年來，我國高速鐵路全面發(fā)展，對物質(zhì)資源流動、人民生活便捷以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了極大的促進(jìn)作用.然而，列車氣動噪聲隨著運(yùn)行速度的提高會急劇增大，造成車內(nèi)舒適性和沿線民眾身心健康的惡化，甚至導(dǎo)致周圍環(huán)境(建筑物和設(shè)施等)的疲勞破壞，嚴(yán)重阻礙了高鐵技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展.根據(jù)聲壓級與車速的對應(yīng)關(guān)系[1-2]，在低速時(shí)(<250 km/h)，輪軌是最主要的聲源；而當(dāng)高速運(yùn)行時(shí)(≥250 km/h)，氣動噪聲將最為突出[3-5].因此，研究高速列車氣動噪聲的精確仿真模擬，從根本上提出切實(shí)可行的控制方法，意義重大，影響深遠(yuǎn).

當(dāng)前，針對高速鐵路氣動噪聲的實(shí)驗(yàn)測試主要依托于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，即基于運(yùn)動相對性和流動相似性原理，通過分析風(fēng)洞中列車模型與人為控制產(chǎn)生的氣流間的相互作用，完成實(shí)際列車的空氣動力學(xué)特性的模擬研究.但風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)受到嚴(yán)格的尺度限制，還存在成本高昂、干擾因素多等明顯的局限性[6]；在數(shù)值研究方面，劉鳳華等[7-8]基于Lighthill聲類比理論預(yù)測了高速列車氣動噪聲，發(fā)現(xiàn)該噪聲的能量分布在很寬的頻帶內(nèi)，無明顯的主頻，屬于寬頻噪聲；在低頻時(shí)能量較大，在高頻時(shí)能量較小.流體力學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，雖然為相關(guān)研究提供了更多的依據(jù)，但是普遍缺少可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證.本文將Lighthill-Curle理論應(yīng)用于仿真計(jì)算[9-11]，完成了列車遠(yuǎn)場氣動噪聲的預(yù)測研究；同時(shí)，與在線實(shí)驗(yàn)(在高速鐵路沿線進(jìn)行列車氣動噪聲的實(shí)地實(shí)驗(yàn))研究相結(jié)合，確定了數(shù)值分析方法的正確性以及列車表面氣動噪聲的分布規(guī)律和特點(diǎn)，為評估列車噪聲水平、優(yōu)化列車結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)和支持.

1 實(shí)驗(yàn)研究

本文利用自主設(shè)計(jì)搭建的噪聲測試平臺(如圖1所示)，克服諸多困難(如環(huán)境復(fù)雜、識別難度大等)，完成了列車外流場氣動噪聲的在線實(shí)驗(yàn)研究.測試平臺主要包括支架、BNC線纜、傳聲器(BSWA-MP201)、NI USB-4431采集卡、測速儀(Bushnell 101921)以及計(jì)算機(jī)等設(shè)備.其中，激光測距儀主要用于確定監(jiān)測點(diǎn)的位置，測速儀用于獲取列車的行駛速度.本實(shí)驗(yàn)方法簡單便捷且節(jié)約成本，測試結(jié)果真實(shí)、準(zhǔn)確，可重復(fù)性強(qiáng).

根據(jù)ISO 3095:2005，兩個(gè)傳聲器與鐵路中心線的距離為7.5 m，高度分別為1.5和3.5 m，如圖2所示.在進(jìn)行氣動噪聲分析時(shí)，需考慮環(huán)境背景噪聲的影響，因此在無列車經(jīng)過時(shí)，采集了多組環(huán)境背景噪聲信號；當(dāng)列車經(jīng)過測試平臺時(shí)，采集氣動噪聲和速度實(shí)時(shí)信號，完成高速列車外流場氣動噪聲的在線實(shí)驗(yàn)測試.為了保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文共完成了5組背景噪聲和16組列車氣動噪聲信號的采集.

列車氣動噪聲與環(huán)境背景噪聲的時(shí)域信號圖譜如圖3所示.可見，氣動噪聲要明顯高于背景噪聲，兩者聲壓級相差10 dB以上，根據(jù)噪聲疊加原理[1]，環(huán)境背景噪聲對列車氣動噪聲的影響可忽略不計(jì)，因此本文高速列車的實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確、可靠.此外，氣動噪聲的峰值集中在頭車和尾車位置，而由于車身表面平整，曲率幾乎無變化，產(chǎn)生的氣動噪聲對總體噪聲的影響很小.因此，適當(dāng)縮短平整的車身或中間車廂的長度，不會影響車身表面聲功率級的分布狀況.

2 仿真研究

2.1 模型準(zhǔn)備

通過在線實(shí)驗(yàn)研究可知，車身長度對整體氣動噪聲影響較小，利用頭車和尾車建立全尺寸三維簡化模型代替整車進(jìn)行分析不會影響列車聲功率分布的基本規(guī)律，且能夠簡化計(jì)算，提高仿真速度.因此，本文針對CRH380B型高速列車的物理模型進(jìn)行了簡化，如圖4所示，其長、寬、高尺寸分別為51.4，3.4和3.7 m.

為保證列車周圍流場域的真實(shí)性，模擬域范圍較大，其入口邊界與車頭的距離為20 m，出口邊界距離車尾40 m，側(cè)面邊界與車身中線的距離為20 m.為進(jìn)一步提高計(jì)算效率，基于列車模型的對稱性，僅針對對稱模型的一半進(jìn)行分析.網(wǎng)格劃分策略為混合網(wǎng)格法，即以面單元?jiǎng)澐周嚿肀砻?，而以體單元?jiǎng)澐挚臻g流場域.列車外表面共3層三棱柱形邊界層，厚度分別為1.25，1.5和1.8 mm，為更準(zhǔn)確地模擬車身表面復(fù)雜的氣體流動狀態(tài)，網(wǎng)格數(shù)總計(jì)約為600萬個(gè)(8 000個(gè)/m2)，如圖5所示.

2.2 仿真計(jì)算

本文利用FLUENT完成了高速列車外流場氣動噪聲的仿真計(jì)算[12].首先，應(yīng)用Realizable-湍流模型模擬列車外部的穩(wěn)態(tài)流場情況[13]，其輸送方程為

(1)

(2)

其次，提取穩(wěn)態(tài)流場中各節(jié)點(diǎn)的湍流動能和湍流耗散率，確定各節(jié)點(diǎn)處的聲功率[14-15]，其表達(dá)式為

(3)

式中：α為常數(shù)；l為湍流尺度；u為湍流速度；c0為聲速.

然后，利用大渦模擬方法(LES)結(jié)合穩(wěn)態(tài)流場的計(jì)算結(jié)果完成瞬態(tài)流場的模擬，獲取列車外表面的壓力分布情況[2]；最后，利用Lighthill-Curle聲類比理論[10-11]完成列車外流場氣動噪聲的預(yù)測，表達(dá)式為

(4)

(5)

式中：x為測聲點(diǎn)矢量；t為時(shí)間；y為聲源點(diǎn)矢量；nj為垂直列車外壁向外(指向外流場)的方向余弦；Pij為空氣對車身外表面的脈動壓力；R=x-yj;P和P0是聲壓和參考聲壓(P0=2×10-5Pa).

為定量分析仿真結(jié)果的正確性，需與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，因此，在流場域布置了2個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，用以采集氣動噪聲的仿真結(jié)果.監(jiān)測點(diǎn)位置與前文實(shí)驗(yàn)中選取的測點(diǎn)位置一致.

3 結(jié)果分析

列車表面渦流的運(yùn)動會產(chǎn)生脈動壓力，進(jìn)而輻射聲壓，但渦流難以直觀顯示，需通過分析外表面速度和壓力分布情況間接地確定列車表面的空氣流動狀態(tài).圖6a為車頭表面氣流速度矢量圖，可以看出在轉(zhuǎn)向架、車頭向車身過渡等形狀突變較大處，氣流分離明顯，迫使氣流速度加大；而由于車頭鼻錐處正面接觸氣流，阻礙其繼續(xù)流動，氣流流速相對較低.

在圖6b所示的列車尾部，氣流重新合并，合并時(shí)上下兩部分氣流相互影響，速度降低，方向有所變化.由于受到地面的影響，列車尾部下半部分速度較小.

圖7a所示為車頭表面靜壓力云圖.車頭轉(zhuǎn)向架形狀極不規(guī)則，該處的流體流動最為劇烈復(fù)雜，正壓力也最大，達(dá)到4 940 Pa；氣流因受到列車頭部的壓縮，在其附近形成正壓區(qū)，且壓力梯度大、變化劇烈，車頭鼻錐處正壓力較大，達(dá)到4 060 Pa；前車窗與車頭的連接區(qū)域?yàn)榉橇骶€型結(jié)構(gòu)，因而出現(xiàn)了較大的正壓力(2 310 Pa)；由于頭車車頭向車身過渡處曲率變化明顯，空氣繞流速度加快且指向斜上方，該區(qū)域呈現(xiàn)真空狀態(tài)，表面承受負(fù)壓力的作用，最高達(dá)到-1 200 Pa.而兩車廂車身表面平整，曲率幾乎無變化，致使承受的壓力較小，說明了縮短車身長度(簡化模型)進(jìn)行分析的合理性.由于空氣黏性的作用和尾部旋渦的影響，尾車車身到車尾的變截面處出現(xiàn)較大負(fù)壓，車尾處壓力變化劇烈，壓力梯度較大，如圖7b所示.

本文采用等效連續(xù)A計(jì)權(quán)聲級對高速列車氣動噪聲進(jìn)行評價(jià).圖8對比分析了高速列車氣動噪聲信號的1/3倍頻程A計(jì)權(quán)聲壓級的仿真和測試結(jié)果.可以看出，高速列車氣動噪聲的頻率范圍較大，屬于寬頻帶噪聲[7-8]，驗(yàn)證了數(shù)值分析的結(jié)果.

在整個(gè)頻率范圍內(nèi)(0～5 kHz)，仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度都較好，最大誤差僅為5%，如圖8a中2 kHz處所示.這是由于仿真模型在車門、車窗處做了簡化處理，而實(shí)際結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致更為劇烈的湍流流動，增大氣動噪聲，因此仿真結(jié)果低于實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

通過對比分析確定了應(yīng)用整車簡化模型進(jìn)行仿真研究的合理性和正確性，即縮短列車車身，不會改變列車表面聲功率分布的基本規(guī)律.綜上分析可知，高速列車氣動噪聲的模擬仿真結(jié)果與在線實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，仿真模型正確、可靠.

4 結(jié) 論

1) 車身產(chǎn)生的氣動噪聲對總體噪聲的影響小，合理地縮短列車模型不會改變列車車身表面聲功率分布的基本規(guī)律.

2) 列車轉(zhuǎn)向架處湍流最為劇烈，其次為車頭鼻錐處；車身表面的氣流最為平緩，進(jìn)一步說明縮短列車模型的合理性.

3) 高速列車氣動噪聲沒有明顯的頻率段，而是在較寬的頻率范圍內(nèi)分布，屬于寬頻帶噪聲.

4) 在整個(gè)頻率范圍內(nèi)(0～5 000 Hz)，氣動噪聲的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，仿真模型正確、可靠.

5) 本文提出的仿真方法能夠?yàn)楦咚倭熊嚨慕Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)，并能驗(yàn)證高速列車氣動噪聲控制方法的有效性.