張潔，吳雨薇，高建勇，高廣軍，楊志剛

(1.中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙，410075；2.軌道交通安全關(guān)鍵技術(shù)國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙，410075；3.軌道交通列車安全保障技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，湖南 長(zhǎng)沙，410075)

磁浮列車運(yùn)行時(shí)懸浮于軌道之上，避免了輪軌系統(tǒng)的復(fù)雜接觸，相較于高速列車能獲得更高的速度，在安全、環(huán)保及能耗等方面優(yōu)勢(shì)明顯[1-2]。600 km/h速度級(jí)高速磁浮列車被視為高鐵和飛機(jī)之間的空白速度區(qū)的有效補(bǔ)充，具有廣闊的發(fā)展前景，對(duì)完善高速交通運(yùn)輸體系具有重要意義[3]。但磁浮列車高速運(yùn)行時(shí)，氣動(dòng)噪聲強(qiáng)度劇增，不僅影響乘客的舒適性，而且對(duì)周邊居民的正常生活會(huì)產(chǎn)生極大的影響[4]，因此，有必要對(duì)磁浮列車氣動(dòng)噪聲進(jìn)行研究。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)高速列車氣動(dòng)噪聲的研究相對(duì)成熟。研究表明，高速列車氣動(dòng)噪聲主要由車身外形不平整引起氣流擾動(dòng)所致，受電弓、風(fēng)擋空腔、轉(zhuǎn)向架是主要?dú)鈩?dòng)噪聲源。ZHANG等[5]利用LES(大渦模擬)及FW-H聲類比方法對(duì)受電弓氣動(dòng)噪聲特性進(jìn)行了數(shù)值仿真，發(fā)現(xiàn)弓頭、底架及臂桿鉸接處為主要聲源，渦結(jié)構(gòu)脫落及受電弓周圍的流動(dòng)分離是該區(qū)域氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生的關(guān)鍵因素。黃莎等[6]采用大渦模擬與聲類比相結(jié)合的方法，對(duì)高速列車連接部位氣動(dòng)噪聲展開(kāi)研究，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域噪聲呈寬頻特性，聲能量主要集中在低頻。LIANG 等[7]基于大渦模擬及Ffowcs Williams-Hawkins 聲學(xué)模擬方法對(duì)頭車1 位轉(zhuǎn)向架氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)空腔噪聲為該區(qū)域主要發(fā)聲源。何嬌等[8]對(duì)3 車動(dòng)車組模型在200，250，300及350 km/h速度級(jí)下氣動(dòng)噪聲特性進(jìn)行仿真模擬，發(fā)現(xiàn)列車偶極子聲源強(qiáng)度主要分布在轉(zhuǎn)向架及其周圍的車體表面位置，頭車流線型附近輻射聲壓級(jí)較大。譚曉明等[9]對(duì)CIT500 高速列車在200～350 km/h 區(qū)間內(nèi)列車輻射噪聲聲源特征進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架、受電弓、車頭、風(fēng)擋均為列車噪聲源區(qū)，其中，轉(zhuǎn)向架及受電弓為最主要的噪聲源，這與ZHANG等[10]利用聲陣列技術(shù)對(duì)310 km/h 速度級(jí)下高速列車車外輻射噪聲源位置的研究結(jié)果一致。THOMPSON 等[11]認(rèn)為在300～350 km/h 速度區(qū)間內(nèi)，列車氣動(dòng)噪聲主要由氣流流經(jīng)受電弓、車頭、轉(zhuǎn)向架等不平順區(qū)域產(chǎn)生。相較于高速列車其他噪聲源，車體表面湍流邊界層產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲不占主導(dǎo)地位，但在更高速度級(jí)下，其影響將更為顯著。

與高速列車相比，磁浮列車車體表面光順，無(wú)轉(zhuǎn)向架、受電弓等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，車體表面邊界層內(nèi)氣流擾動(dòng)發(fā)展及尾部誘導(dǎo)分離現(xiàn)象不容忽視，且磁浮列車最高運(yùn)行速度可達(dá)到600 km/h，四極子噪聲貢獻(xiàn)凸顯。目前，人們對(duì)高速磁浮列車氣動(dòng)噪聲的研究很少，僅開(kāi)展了上海TR08磁浮列車400 km/h及以下速度級(jí)的試驗(yàn)研究[12-14]，因此，有必要對(duì)適用于高速磁浮列車氣動(dòng)噪聲仿真方法進(jìn)行研究。本文基于K-FWH 方程及大渦模擬方法[5,7-8,15]，通過(guò)對(duì)比400 km/h速度級(jí)下高速列車與磁浮列車氣動(dòng)激擾特征及聲場(chǎng)特性，分析磁浮列車發(fā)聲機(jī)理；從頭、中、尾三部分?jǐn)_動(dòng)源特征出發(fā)，討論不同區(qū)域積分面設(shè)置，對(duì)600 km/h 速度級(jí)下高速磁浮列車偶極子、四極子氣動(dòng)輻射噪聲進(jìn)行仿真研究。

1 數(shù)學(xué)物理模型

1.1 大渦模擬

大渦模擬控制方程為空間隱式濾波N-S 方程[15]，其中，空間濾波器由特征寬度決定(Δi(i=1,2,3)分別為x，y和z這3個(gè)方向的計(jì)算網(wǎng)格邊長(zhǎng))。

濾波后的動(dòng)量方程及連續(xù)性方程為：

式中：t為時(shí)間；ρ為氣體密度；μ為黏性系數(shù)；xi為直角坐標(biāo)系分量；和為濾波后的速度分量；為濾波后的壓力；τij為亞格子應(yīng)力，為求解其中的未知量，需對(duì)亞格子應(yīng)力進(jìn)行建模，本文采用Smagorinsky 亞格子模型[16]，其應(yīng)力表達(dá)式為

式中：δij為克羅內(nèi)克函數(shù)；τkk為亞格子應(yīng)力各向同性部分；為流體微團(tuán)的應(yīng)變率；vsgs為亞格子尺度的黏度，Cs為Smarorinsky 常數(shù)，Cs=0.1；f為Van Driest 阻尼函數(shù)。

1.2 可穿透積分面聲輻射方法

FRANCESCANTONIO[18]在傳統(tǒng)FW-H 方程基礎(chǔ)上利用KIRCHHOFF[19]提出的方法，推導(dǎo)得到了應(yīng)用范圍更廣的 K-FWH(Kirchhoff-Ffowcs Williams-Hawkings)方程[20]：

2 數(shù)值計(jì)算模型

采用1∶8縮比的磁浮列車模型及高速列車模型進(jìn)行仿真計(jì)算。磁浮列車省去頭、尾車頂部的無(wú)線電終端，以車高H=0.5 m 為特征長(zhǎng)度，車長(zhǎng)為20H，寬為0.9H，從上游至下游將車體劃分為頭車(流線型區(qū)域)、頭車車身、中車車身、尾車車身和尾車(流線型區(qū)域)幾部分，如圖1(a)所示；高速列車保留轉(zhuǎn)向架、風(fēng)擋等重要部件，以車高h(yuǎn)=0.5 m為特征長(zhǎng)度，車長(zhǎng)為20h，車寬為0.83h，如圖1(b)所示。

圖1 列車模型Fig.1 Train models

圖2(a)所示為磁浮列車計(jì)算域示意圖，用于模擬磁懸浮列車在高架上的運(yùn)營(yíng)情況。列車及軌道位于計(jì)算域正中間，其中計(jì)算域入口ABCD和出口A1B1C1D1均采用壓力遠(yuǎn)場(chǎng)邊界條件，流域4個(gè)側(cè)面均給定對(duì)稱邊界條件，使該面法向速度為0 m/s，保證流場(chǎng)發(fā)展的同時(shí)能消除壁面對(duì)流場(chǎng)的影響。磁浮列車模型表面設(shè)定為無(wú)滑移邊界，軌道為滑移固壁邊界條件，滑移速度與來(lái)流速度一致。圖2(b)所示為高速列車計(jì)算域示意圖，高速列車位于距離地面0.05h處。計(jì)算域入口、出口同樣采用壓力遠(yuǎn)場(chǎng)邊界條件，地面DCC1D1設(shè)置為滑移固壁邊界，滑移速度與來(lái)流速度一致。其余側(cè)面均設(shè)置為對(duì)稱邊界，高速列車模型表面給定無(wú)滑移邊界條件。

圖2 計(jì)算域Fig.2 Computational domains

圖3所示為磁浮列車及高速列車模型網(wǎng)格示意圖。磁浮列車和高速列車流線型車頭均采用邊長(zhǎng)為3.75 mm 的網(wǎng)格，頭車尾車采用邊長(zhǎng)為5 mm 的網(wǎng)格，中車采用邊長(zhǎng)為6.25 mm網(wǎng)格，其中，高速列車風(fēng)擋網(wǎng)格邊長(zhǎng)為6.25 mm，轉(zhuǎn)向架網(wǎng)格尺寸為5 mm。為精確描述表面偶極子氣動(dòng)噪聲源，在磁浮列車及高速列車車體表面增設(shè)15 層附面層，采用三棱柱網(wǎng)格覆蓋，第一層網(wǎng)格厚度為0.012 5 mm，增長(zhǎng)系數(shù)為1.2。磁浮列車網(wǎng)格數(shù)為1.3 億個(gè)左右，高速列車網(wǎng)格數(shù)為1.1億個(gè)左右。劃分600 km/h速度級(jí)下磁浮列車網(wǎng)格時(shí)，在磁浮列車尾部建立積分面，積分面內(nèi)最大網(wǎng)格邊長(zhǎng)設(shè)置為12.5 mm，其余網(wǎng)格邊長(zhǎng)設(shè)置保持不變，網(wǎng)格數(shù)為2.1 億個(gè)左右。各個(gè)工況列車表面第一層網(wǎng)格所對(duì)應(yīng)的y+值均在1以下，表明網(wǎng)格邊長(zhǎng)能夠滿足大渦模擬基本要求。

圖3 計(jì)算網(wǎng)格Fig.3 Computational grids

采用商業(yè)CFD 軟件ANSYS Fluent 進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算?？紤]到來(lái)流馬赫數(shù)大于0.3，空氣可壓效應(yīng)明顯，因此，穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)計(jì)算選取基于密度基的隱式求解方法，采用SSTk-ω湍流模型開(kāi)展數(shù)值仿真，對(duì)流項(xiàng)和耗散項(xiàng)均采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散。隨后，開(kāi)展大渦模擬(LES)計(jì)算，采用基于Smagorinsky-Lilly的LES模型，壓力和速度場(chǎng)耦合采用Coupled算法進(jìn)行計(jì)算；采用有界二階隱式格式對(duì)時(shí)間導(dǎo)數(shù)進(jìn)行離散，有界中心差分用于求解動(dòng)量方程。非定常計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為5×10-5s，每時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)迭代30 次，共計(jì)算10 000 個(gè)時(shí)間步，確保氣流有足夠的時(shí)間通過(guò)整個(gè)計(jì)算域，并通過(guò)監(jiān)測(cè)車輛氣動(dòng)力以及距離車尾1個(gè)車長(zhǎng)位置處的速度變化，判斷流場(chǎng)是否達(dá)到充分發(fā)展程度。

3 聲學(xué)風(fēng)洞驗(yàn)證

在中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心的聲學(xué)風(fēng)洞中進(jìn)行磁浮列車氣動(dòng)噪聲測(cè)試。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑槟承透咚俅鸥×熊?車編組1∶8縮比模型(見(jiàn)圖4)，模型高為H1，寬為0.94H1，長(zhǎng)為19.7H1，試驗(yàn)來(lái)流速度為300 km/h。為研究試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪h(yuǎn)場(chǎng)噪聲輻射特性，在模型側(cè)面布置16 個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)傳聲器。遠(yuǎn)場(chǎng)傳聲器布置如圖5所示。沿垂向共布置2排，第一排傳聲器距離地板0.8H1，第二排距離地面1.6H1；每排沿軸向(X向)布置8個(gè)，軸向間距為1.6H1，上游第一個(gè)傳聲器距車頭3.2H1。試驗(yàn)中，所有傳聲器通道進(jìn)行同步采集，采樣頻率為51.2 kHz，采樣時(shí)間為90 s。

圖4 風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.4 Wind tunnel test model

圖5 傳聲器布置圖Fig.5 Arrangement of microphones

按照風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?duì)應(yīng)數(shù)值仿真模型，并在相應(yīng)位置建立聲壓級(jí)測(cè)點(diǎn)。表1所示為風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值仿真結(jié)果。

表1 300 km/h時(shí)仿真和試驗(yàn)輻射噪聲對(duì)比Table 1 Comparison of radiated noise between simulation and test at 300 km/h dB

在距離地面高度為0.8H1測(cè)點(diǎn)位置，磁浮列車輻射噪聲仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的誤差最大為1.7 dB；在距離地面高度為1.6H1測(cè)點(diǎn)位置，仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的誤差在0.9 dB以內(nèi)?？梢?jiàn)，本文采用的仿真模型具有較高精度。

4 氣動(dòng)激擾發(fā)聲研究

國(guó)內(nèi)外在高速輪軌列車氣動(dòng)噪聲特征方面已有較多研究成果，但高速磁浮列車在氣動(dòng)外形上與高速輪軌列車存在顯著差異。為明確新型磁浮列車與現(xiàn)有高速列車氣動(dòng)噪聲的差異性及磁浮列車氣動(dòng)激擾發(fā)聲機(jī)理，從氣動(dòng)激擾特征、噪聲源分布以及遠(yuǎn)場(chǎng)輻射噪聲這3個(gè)方面對(duì)400 km/h速度級(jí)的磁浮列車和高速列車氣動(dòng)聲學(xué)特征進(jìn)行對(duì)比分析，以便為高速磁浮列車氣動(dòng)噪聲研究方法提供支撐。

4.1 氣動(dòng)激擾特征

由于空氣的黏性作用，當(dāng)氣流流經(jīng)固體表面時(shí)，會(huì)形成具有較大速度梯度的附面層，其厚度定義為壁面法向方向上速度為0.99Uin時(shí)的垂直距離(其中，Uin為來(lái)流速度)。圖6所示為高速列車和磁浮列車周圍瞬時(shí)附面層云圖，利用式(6)對(duì)速度進(jìn)行無(wú)量綱化處理。

圖6 附面層云圖Fig.6 Boundary layer contours

由圖6(a)可知：氣流撞擊磁浮列車鼻尖點(diǎn)時(shí)，速度迅速下降，在該位置形成滯止區(qū)，隨后氣流沿車身向后運(yùn)動(dòng)，附面層穩(wěn)定發(fā)展，厚度沿車身不斷增加；在氣流流經(jīng)尾車流線型肩部后，由于車身曲面變化，氣流與車體分離，在該區(qū)域形成湍流度較高的回流區(qū)，在不同低速區(qū)呈嵌套式分布；在列車與軌道之間的腔體區(qū)域，氣流撞擊頭車鼻尖點(diǎn)后沿著鼻尖點(diǎn)兩側(cè)進(jìn)入底部空間，隨后氣流速度沿流向不斷減小。由圖6(b)可見(jiàn)：高速列車車體上方流場(chǎng)特征與磁浮列車的相似。在頭車流線型區(qū)域，高速列車氣流穩(wěn)定位置相對(duì)靠后，在尾車流線型區(qū)域，高速列車附面層分離點(diǎn)相對(duì)提前；在車體下方，氣流在流經(jīng)轉(zhuǎn)向架等復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí)，引起大尺度擾動(dòng)，并向車體兩側(cè)擴(kuò)散。

為展示列車周圍瞬態(tài)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，采用Q準(zhǔn)則來(lái)識(shí)別列車周圍的渦結(jié)構(gòu)。Q準(zhǔn)則表達(dá)式如下：

式中：B和A分別為速度梯度張量的反對(duì)稱項(xiàng)和對(duì)稱項(xiàng)，即旋轉(zhuǎn)渦量幅值和剪切應(yīng)變張量幅值。

圖7 所示為磁浮列車和高速列車Q等值面云圖。由圖7(a)可見(jiàn)磁浮列車渦結(jié)構(gòu)主要集中在頭車流線型及尾車流線型區(qū)域。在頭車流線型產(chǎn)生的渦結(jié)構(gòu)主要可分為3種類型：1) 在頭車流線型頂部形成周期性的小尺度渦結(jié)構(gòu)，此處渦結(jié)構(gòu)聚集呈條紋狀分布，直至肩部消失；2) 在頭車流線型兩側(cè)車身與抱軌之間的過(guò)渡區(qū)域，渦結(jié)構(gòu)呈條狀分布；3) 在頭車流線型抱軌底部，高速氣流沖擊抱軌后，部分氣流流向抱軌與軌道中間的狹窄縫隙，另一部分沿著抱軌底面發(fā)展，并在該區(qū)域形成周期性脫落的蠕狀渦結(jié)構(gòu)。尾車流線型上表面渦結(jié)構(gòu)分布特征與頭車流線型的分布特征類似，但其速度幅值遠(yuǎn)小于頭車流線型渦結(jié)構(gòu)的速度幅值。在尾車流線型兩側(cè)，氣流沿著車體表面向下游發(fā)展，形成一系列小尺度渦，渦團(tuán)聚集成帶狀結(jié)構(gòu)。列車尾流區(qū)受附面層內(nèi)氣流分離再附著的影響，表現(xiàn)出明顯的氣流摻混特征，在軌道兩側(cè)形成類似于卡門(mén)渦街的對(duì)稱渦結(jié)構(gòu)，繼續(xù)向下游發(fā)展。

圖7 Q=200 000時(shí)的列車周圍渦結(jié)構(gòu)Fig.7 Vortex structures around trains when Q=200 000

從圖7(b)可知：高速列車頭、尾車流線型區(qū)域出現(xiàn)與磁浮列車類似的條狀渦結(jié)構(gòu)分布，在頭車車窗位置產(chǎn)生小尺度渦，沿氣流向后發(fā)展成長(zhǎng)條狀；在尾車流線型區(qū)域，流體分離及氣流摻混效應(yīng)顯著，形成尺度豐富的渦結(jié)構(gòu)；在渦結(jié)構(gòu)向后運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，速度不斷增加；在列車底部排障器邊緣，氣流發(fā)生分離，形成渦包，在向下游發(fā)展過(guò)程中形成螺旋狀渦結(jié)構(gòu)。在轉(zhuǎn)向架區(qū)域，以頭車1位轉(zhuǎn)向架為例，轉(zhuǎn)向架艙前沿分離的剪切流與轉(zhuǎn)向架輪對(duì)及轉(zhuǎn)向架艙后壁相互作用，在地面與轉(zhuǎn)向架之間產(chǎn)生大尺度渦結(jié)構(gòu)，并從兩側(cè)溢出沿車體側(cè)壁向后發(fā)展，渦結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)一步增大；其余轉(zhuǎn)向架區(qū)域流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與1位轉(zhuǎn)向架區(qū)域的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)類似，但氣流脈動(dòng)程度較弱。

4.2 偶極子噪聲源

列車表面脈動(dòng)壓力時(shí)間梯度均方根歸一化可表征列車表面偶極子聲源強(qiáng)度，計(jì)算公式如下(其中，利用式(9)進(jìn)行量綱歸一化處理)：

式中：C'rms為歸一化的列車表面偶極子聲源強(qiáng)度。

圖8 所示分別為磁浮列車以及高速列車表面C′rms云圖。由圖8可見(jiàn)：在同一速度級(jí)下，高速列車車體表面偶極子聲源分布范圍明顯比磁浮列車的大。其中，磁浮列車偶極子聲源主要分布在頭車流線型鼻尖底部區(qū)域、頭車流線型抱軌底部、尾車流線型鼻尖及其底部區(qū)域范圍；高速列車偶極子聲源主要分布在頭車迎風(fēng)玻璃凹陷處、轉(zhuǎn)向架區(qū)域、轉(zhuǎn)向架艙導(dǎo)邊后方區(qū)域以及尾車流線型區(qū)域，頭車1 位轉(zhuǎn)向架(#1)區(qū)域的偶極子聲源強(qiáng)度最大。

圖8 列車表面C′rms云圖Fig.8 C′rms contours on train surface

為確定列車各部分對(duì)整車偶極子聲能量貢獻(xiàn)占比，利用式(10)計(jì)算得到各個(gè)部件等效聲源聲功率，進(jìn)而得到各部件偶極子聲源能量占比。

其中：Wsource為聲源等效聲功率；y為聲源空間坐標(biāo)矢量；為列車表面脈動(dòng)壓力時(shí)間梯度；S為噪聲源面積。各部件等效聲源聲功率占比計(jì)算結(jié)果如圖9所示。從圖9可見(jiàn)：磁浮列車各部件偶極子聲源能量占比呈兩頭大、中間小的分布特征，其中尾車(流線型區(qū)域)聲源能量最大，占比為34.9%，其次為頭車(流線型區(qū)域)；高速列車各部件偶極子聲源能量占比總體上呈沿車身減小的趨勢(shì)，頭車(流線型區(qū)域)占比最高，為29.8%，尾車(流線型區(qū)域)占比最低，中車由于車體面積較大，聲源能量占比比頭、尾車的高。

圖9 各部件等效聲源功率占比Fig.9 Proportion of sound power of equivalent sound source of each component

4.3 遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲輻射特性

A計(jì)權(quán)是一種常用的噪聲評(píng)價(jià)指標(biāo)，用于反映人耳的響應(yīng)特性，用dB(A)表示。為考察列車遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲輻射特征，在距離高速列車及磁浮列車縱向?qū)ΨQ面6.25H遠(yuǎn)至離地面0.875H高之處，每隔2.5H布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)1與頭車鼻尖點(diǎn)齊平。具體測(cè)點(diǎn)布置如圖10所示。

圖10 遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.10 Layout diagram of far-field measuring points

圖11 所示為磁浮列車和高速列車遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲聲壓級(jí)對(duì)比結(jié)果。由圖11 可見(jiàn)：在400 km/h 速度級(jí)下，磁浮列車遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲遠(yuǎn)比高速列車的小，其中，高速列車各測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)分布整體呈下降趨勢(shì)，聲壓級(jí)最大值分布在測(cè)點(diǎn)1，為102.4 dB(A)。測(cè)點(diǎn)5至測(cè)點(diǎn)7 的聲壓級(jí)有較小波動(dòng)；與高速列車不同，磁浮列車測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)呈先上升后略微下降趨勢(shì)，在測(cè)點(diǎn)6 達(dá)到最大值，為79.5 dB(A)。在同一速度級(jí)下，磁浮列車的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射聲能量集中分布于列車尾部，而高速列車頭部聲能量更明顯，可見(jiàn)磁浮列車與高速輪軌列車流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及氣動(dòng)發(fā)聲機(jī)理存在較大差異。高速輪軌列車車身不平順，氣流在流經(jīng)轉(zhuǎn)向架等復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí)，氣動(dòng)激擾強(qiáng)烈，產(chǎn)生較多聲源，而磁浮列車車身平順，尾車流線型區(qū)域曲面變化導(dǎo)致的附面層分離是磁浮列車發(fā)聲的主要原因。因此，在對(duì)磁浮列車氣動(dòng)噪聲開(kāi)展進(jìn)一步研究時(shí)，應(yīng)著重關(guān)注尾車流線型區(qū)域的附面層發(fā)展以及尾流區(qū)域的空間擾動(dòng)。

圖11 遠(yuǎn)場(chǎng)輻射聲壓級(jí)Fig.11 Sound pressure levels of radiated noise

5 600 km/h 速度級(jí)磁浮列車遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲研究

磁浮列車與高速列車氣動(dòng)激擾發(fā)聲對(duì)比分析結(jié)果明確了磁浮列車偶極子噪聲源特征。據(jù)文獻(xiàn)[23]，當(dāng)磁浮列車運(yùn)行速度提升至600 km/h 時(shí)，馬赫數(shù)接近0.5，氣動(dòng)激擾劇烈，四極子聲源能量不容忽視，這對(duì)更高速磁浮列車氣動(dòng)噪聲仿真方法提出了新的要求。因此，基于前面對(duì)磁浮列車氣動(dòng)噪聲的研究，針對(duì)磁浮列車發(fā)聲特性，考慮空間四極子噪聲影響，這里采用可穿透積分面并結(jié)合KFW-H 方程對(duì)600 km/h 速度級(jí)磁浮列車氣動(dòng)噪聲進(jìn)行仿真計(jì)算，同時(shí)對(duì)比不設(shè)積分面以車體作為聲源面進(jìn)行積分計(jì)算的結(jié)果，以驗(yàn)證空間四極子噪聲源對(duì)磁浮列車輻射和噪聲的影響。

原則上，建立包裹整個(gè)列車的穿透積分面且外推得夠遠(yuǎn)，就能完全捕捉列車周圍聲源擾動(dòng)，從物理上可避免聲源能量的缺失。但此方法會(huì)使得網(wǎng)格量急劇上升，影響計(jì)算效率，且網(wǎng)格濾波效應(yīng)可能導(dǎo)致計(jì)算車體表面偶極子源輻射時(shí)產(chǎn)生較大誤差[22]。為保證模型的計(jì)算精度，本文僅在可能形成四極子聲源區(qū)域建立穿透積分面。在四極子聲源產(chǎn)生區(qū)域，通常伴隨著較強(qiáng)的渦脫落現(xiàn)象[24]。對(duì)磁浮列車流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析可知，磁浮列車在頭車流線型區(qū)域存在少量渦結(jié)構(gòu)脫落，尾車流線型因附面層分離引起的空間擾動(dòng)強(qiáng)烈，因此，這里僅考慮在頭車流線型、尾車流線型區(qū)域建立可穿透積分面。構(gòu)建積分面時(shí)，盡可能使其包含列車主要聲源區(qū)域，同時(shí)確保積分面不產(chǎn)生“偽源”[25]。

圖12 所示為600 km/h 速度級(jí)磁浮列車尾流區(qū)流向渦量發(fā)展規(guī)律。由圖12 可見(jiàn)：尾流區(qū)渦量在160 m下游波動(dòng)趨于平穩(wěn)，且渦量幅值低于100 s-1。根據(jù)尾流區(qū)渦量發(fā)展規(guī)律建立穿透積分面，如圖13 所示。從圖13 可見(jiàn)：穿透積分面起于尾車流線型肩部位置，總長(zhǎng)為24H，尾端面A1B1C1D1對(duì)應(yīng)x坐標(biāo)為160 m；底面CDD1C1距離軌道底部約0.25H，頂面ABGH距離車頂約0.25H，總高約為2H。由于尾流區(qū)的渦結(jié)構(gòu)往后發(fā)展的過(guò)程中向兩側(cè)發(fā)散，因此，穿透積分面采用上游小、下游大的形式。積分面前端面ABCD寬度為2H，尾端面A1B1C1D1寬度為3.5H。由于積分面后端面A1B1C1D1位于尾流區(qū)，可能存在質(zhì)量穿透產(chǎn)生偽聲，且尾部積分面延伸得足夠遠(yuǎn)，四周積分面足以捕捉該區(qū)域聲源信息，因此，在計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)輻射噪聲時(shí)，不對(duì)后端面進(jìn)行積分。

圖12 尾流區(qū)渦量發(fā)展示意圖(y=1.6 m，z=1.2 m)Fig.12 Diagram of vorticity development in wake region(y=1.6 m,z=1.2 m)

圖13 尾車流線型積分面Fig.13 Integral surface around streamlined head of tail car

利用遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)對(duì)不同積分方案遠(yuǎn)場(chǎng)輻射噪聲進(jìn)行研究，測(cè)點(diǎn)位置與前面的一致，計(jì)算結(jié)果如圖14 所示(其中，方案1 不設(shè)積分面，以車體作為聲源面，進(jìn)行積分計(jì)算；方案2在尾車流線型區(qū)域建立積分面，積分計(jì)算時(shí)，有積分面包裹區(qū)域以積分面作為聲源面，無(wú)積分面包裹區(qū)域仍以車體作為聲源面)。由圖14可見(jiàn)：在建立積分面后，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)均增大，表明積分面有效捕捉到尾車流線型區(qū)域四極子聲源，測(cè)點(diǎn)越靠近尾流區(qū)，增大越明顯；測(cè)點(diǎn)9 聲壓級(jí)增長(zhǎng)幅值最大，為4.9 dB(A)。

圖14 輻射噪聲聲壓級(jí)Fig.14 Sound pressure levels of radiated noise

測(cè)點(diǎn)7為車體輻射噪聲峰值測(cè)點(diǎn)，取該測(cè)點(diǎn)的頻譜曲線對(duì)列車遠(yuǎn)場(chǎng)輻射噪聲頻譜特性進(jìn)行分析，結(jié)果如圖15所示。由圖15可見(jiàn)車體輻射聲能量呈寬頻特性，在尾車建立積分面后，測(cè)點(diǎn)低頻能量明顯增加，表明尾流區(qū)四極子噪聲能量主要分布于低頻段，測(cè)點(diǎn)高頻段能量有所損失，有可能是網(wǎng)格的濾波效應(yīng)所致。

圖15 測(cè)點(diǎn)7的輻射噪聲頻譜曲線Fig.15 Spectrum curves of radiated noise for point 7

在尾車流線型積分面基礎(chǔ)上，對(duì)頭車流線型區(qū)域積分面進(jìn)行研究。頭車流線型積分面如圖16所示，前端位于鼻尖點(diǎn)前1.25H處，在頭車流線型肩部位置截?cái)?，長(zhǎng)為5.2H，寬為2H，高為2H。

圖16 頭車流線型積分面Fig.16 Integral surface around the streamlined head of the head car

圖17 所示為建立積分面后遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲輻射結(jié)果與車體輻射結(jié)果的對(duì)比結(jié)果，其中方案1、方案2工況不變，方案3在方案2的基礎(chǔ)上設(shè)置頭車流線型積分面。由圖17可見(jiàn)：方案3和方案2的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射結(jié)果相近，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的差值在0.3 dB(A)以內(nèi)，表明頭車附近幾乎沒(méi)有四極子聲源，無(wú)需在頭車建立穿透積分面。

圖17 輻射噪聲聲壓級(jí)Fig.17 Sound pressure levels of radiated noise

綜上可知，當(dāng)磁浮列車高速運(yùn)行時(shí)，四極子聲源主要分布在尾車流線型及其尾流區(qū)域，在研究磁浮列車氣動(dòng)噪聲時(shí)，只需在該部分建立可穿透積分面。

式中：RQ為四極子輻射聲能量占比；I為輻射聲能量；SPL為測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)；Isur為建立積分后遠(yuǎn)場(chǎng)輻射聲能量；Itrain為無(wú)積分面時(shí)遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)輻射聲能量。

由式(11)和(12)可計(jì)算得到測(cè)點(diǎn)9 四極子輻射聲能量占比及測(cè)點(diǎn)1至測(cè)點(diǎn)9的四極子輻射聲能量占比平均值，分別為56.3%和60.9%?？梢?jiàn)，該速度級(jí)下四極子聲源輻射能量較強(qiáng)，對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)輻射噪聲的貢獻(xiàn)超過(guò)偶極子聲源的貢獻(xiàn)。

為研究列車遠(yuǎn)場(chǎng)輻射噪聲指向性，在xOy，yOz和xOz這3 個(gè)平面，以頭車鼻尖點(diǎn)為圓心，分別建立半徑為500 m的圓，在各個(gè)圓周上均勻布置36個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖18所示。圖19所示為各個(gè)測(cè)點(diǎn)輻射噪聲計(jì)算結(jié)果，其中，從最里面的圈到最外面的圈是從25 dB(A)到55 dB(A)等比例分配的。

圖18 指向性測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.18 Layout diagram of directivity measuring point

圖19 噪聲輻射指向性示意圖Fig.19 Diagrams of radiated noise directivity

由圖19 可見(jiàn)：列車車體噪聲在yOz平面，指向性呈圓形，表現(xiàn)出點(diǎn)聲源特征，各個(gè)方向的輻射噪聲差異較??；在xOy及xOz兩平面指向性特征相似，均在“8”字形基礎(chǔ)上產(chǎn)生少許變化，表現(xiàn)出偶極子聲源特性，噪聲主要輻射方向?yàn)樾鼻胺?，峰值均分?20°及240°方向；設(shè)置積分面后，在xOy面，各個(gè)方向的噪聲輻射均增大，指向性無(wú)明顯變化；在xOy及xOz兩平面，列車尾部輻射噪聲增長(zhǎng)明顯，峰值位置均向列車后方偏移；在xOy平面，峰值位置偏轉(zhuǎn)10°左右；在xOz平面，峰值位置偏轉(zhuǎn)約30°。

6 結(jié)論

1) 高速列車偶極子噪聲源主要分布于車窗、頭車排障器底部、轉(zhuǎn)向架、轉(zhuǎn)向架艙后沿等車體不平整區(qū)域，頭車流線型區(qū)域聲能量占比最大，為29.8%；磁浮列車偶極子聲源主要分布在頭、尾車流線型區(qū)域，其中尾車流線型能量占比最大，達(dá)34.9%。

2) 在對(duì)高速列車氣動(dòng)噪聲進(jìn)行仿真時(shí)，捕捉列車車體不平順區(qū)域的氣動(dòng)激擾特征是關(guān)鍵；在對(duì)磁浮列車進(jìn)行數(shù)值仿真時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注列車車身附面層擾動(dòng)發(fā)展及列車尾部的分離現(xiàn)象。

3) 高速磁浮列車四極子聲源主要分布在尾車流線型及其尾流區(qū)域，其輻射聲能量主要集中分布在低頻段。

4) 高速磁浮列車以600 km/h 速度運(yùn)行時(shí)，四極子聲源平均輻射聲能量占比比偶極子聲源的高，占主導(dǎo)地位，尾流區(qū)四極子聲源使得列車噪聲輻射方向向后偏移。