高速列车车体长度对气动噪声影响的数值研究

高速列车具有细长形状, 数值评估气动噪声往往需要巨大的计算量.目前对高速列车气动噪声的数值模拟大多基于对简化短编组列车的评估,而实际列车通常具有较长的8$\sim$16节编组.如何基于现有条件合理评价真实长度列车的气动噪声,是一个急需探讨的问题. 本文应用非线性声学求解器(NLAS)和FW--H声学比拟法的混合算法, 先求解噪声积分面上的声场脉动,再进行远场积分, 引入多噪声面积分技术,通过对三种不同长度(3节、4节、6节)列车模型的气动性能和噪声数值模拟,分析了车体长度对列车气动噪声的影响. 结果表明,同一列车模型的各节车厢具有相似的沿线噪声分布,其噪声曲线在量值上十分接近,只是主峰位置会随着车厢空间位置的不同而相应地发生偏移;不同长度编组列车对应部位之间的远场噪声特性具有较强的关联性,它们的远场噪声具有接近的总声压级和噪声频谱.通过利用短编组计算数据进行分解、平移和叠加,成功重构了4编组和6编组列车远场噪声特性,与直接计算结果相比误差在可接受范围内.由此发展了基于短编组列车噪声的数值结果,重构长编组列车沿线噪声的近似评估方法.      

高速列车车体长度对气动噪声影响的数值研究

高速列车具有细长形状,数值评估气动噪声往往需要巨大的计算量.目前对高速列车气动噪声的数值模拟大多基于对简化短编组列车的评估,而实际列车通常具有较长的8～16节编组.如何基于现有条件合理评价真实长度列车的气动噪声,是一个急需探讨的问题.本文应用非线性声学求解器(NLAS)和FW–H声学比拟法的混合算法,先求解噪声积分面上的声场脉动,再进行远场积分,引入多噪声面积分技术,通过对三种不同长度(3节、4节、6节)列车模型的气动性能和噪声数值模拟,分析了车体长度对列车气动噪声的影响.结果表明,同一列车模型的各节车厢具有相似的沿线噪声分布,其噪声曲线在量值上十分接近,只是主峰位置会随着车厢空间位置的不同而相应地发生偏移;不同长度编组列车对应部位之间的远场噪声特性具有较强的关联性,它们的远场噪声具有接近的总声压级和噪声频谱.通过利用短编组计算数据进行分解、平移和叠加,成功重构了4编组和6编组列车远场噪声特性,与直接计算结果相比误差在可接受范围内.由此发展了基于短编组列车噪声的数值结果,重构长编组列车沿线噪声的近似评估方法.     

高速磁浮列车近场气动特性及其诱导噪声的数值仿真研究

磁浮列车具有高速性和非接触性,其噪声水平主要依赖于近场气动特性.本文中针对某型号三编组高速磁浮列车,基于Lighthill声学理论,应用大涡模拟法(LES)和FW-H声学模型,仿真分析了1:10列车缩比模型在600 km/h明线工况下的稳态气动特性及瞬态气动噪声激励源特性.结果表明：高速磁浮列车车头与车尾鼻尖位置呈现等压线密集、压力梯度大现象,且车头鼻尖处压力值明显高于车尾鼻尖;列车表面声功率级最高可达155 dB,主要噪声源产生在车头鼻尖区域、表面曲率发生较大变化位置;低频段下列车车头与车尾表面对应位置监测点的声压级分布规律相同,且车头鼻尖位置监测点声压级高于车尾鼻尖,车头与车尾向车身过渡位置两监测点声压级在低频段有明显波动.文中所得研究成果,可为高速磁浮列车车内噪声计算以及为后续低频噪声优化提供一定的科学依据和指导,实现乘客对乘坐舒适性要求.     

可渗透壁对翼型声涡相互作用下流场及声场的影响

由仿生学原理构建的可渗透翼型对湍流气动噪声抑制作用已展现良好的应用前景。对NACA 0012可渗透翼型和实体翼型进行了数值计算,得到了声涡相互作用下气动噪声声场和流场,分析了可渗透壁对翼型流场和声场的影响。研究表明,相对实体翼型,可渗透壁通过减小声源强度降低了主纯音噪声声压级幅值和远场总声压级,消除了高阶离散纯音,但对噪声的指向性没有较大改变。进一步的流场分析表明,可渗透壁对翼型气动性能影响不大的情况下能够降低边界层扰动和翼型后缘大尺度涡旋强度,并推迟分离泡转捩和再附位置。     

高速列车头型长细比对气动噪声的影响

高速列车的头尾车外形对气动噪声具有重要的影响.工程实践中随着车速的增加,车辆头部越来越细长,日本高速磁悬浮列车实践中甚至出现了具有极端长细比的头部形状.本文以讨论头型长细比对列车气动噪声的影响规律为出发点,应用非线性声学求解器(NLAS)和FW-H声学比拟法的混合算法,在3种运行速度下对基于CRH380A高速列车头型概化的4种不同头型长细比的模型车的气动噪声进行了数值模拟.给出了不同头型长细比列车的流场特征、气动阻力和气动噪声.结果表明,列车的气动总阻力随头型长细比的增大而减小,且头型长细比对列车总气动阻力的影响随运行速度的增加而增强.而头型长细比对气动噪声的影响呈现出较为复杂的影响,并不存在单调的影响关系;综合考虑气动阻力和气动噪声,长细比最大的头型综合性能较优,但差异并不显著,因此在不考虑微气压波等因素的条件下,简单增加车头长细比并不一定能带来明显的气动噪声性能提升.     

高速磁浮列车气动噪声分布规律研究

本文基于上海线高速磁浮列车现场噪声测试，结合数值仿真分析了磁浮列车行驶时的噪声特性以及气动噪声分布规律．数值仿真采用延时分离涡结合声比拟的方法，并对比现场测试噪声数据，给出了高速列车气动噪声特性以及噪声源分布规律．研究结果表明：列车行驶时噪声时程呈现很强脉冲性，频率小于100 Hz噪声主要来源于与高架桥梁结构振动相关的二次辐射噪声，特别是次声频段内，桥梁自振会产生显著的噪声．磁浮列车表面气动噪声分布规律与噪声频率相关，低频噪声与列车的车尾涡脱相关，高频噪声由车头边界层分离以及再附着、车身边界层流动等引起，而中频噪声主要产生于列车底部、抱轨与轨道梁表面相对运动作用．因此，高速磁浮列车除了要重点考虑车头、车尾的气动外形对气动噪声的影响外，还应考虑轨道间隙处气动噪声及其分布规律．     

高速列车空气动力学研究技术综述

随着我国高速铁路的快速发展,高速列车运行速度越来越快,包括气动阻力、横风效应、会车效应、隧道效应和气动噪声等一系列空气动力学问题日益突出. 利用模型试验、实车测量和数值计算等不同的研究手段,开展全面的高速列车空气动力学研究显得十分重要. 本文比较全面和系统地介绍了国内外高速列车空气动力学研究在模型试验、实车测量、数值计算等方面的技术现状和进展情况,对今后的发展方向和内容进行了展望.     

仿生多孔翼型后缘自噪声数值研究

采用大涡模拟(LES)和声比拟(AA)结合的方法,在低马赫数条件下,对SD7003多孔翼型自噪声声场进行计算,研究多孔材料在不同来流迎角下对翼型自噪声远场声压的影响规律,并阐述噪声的影响机理。结果表明：LES与AA相结合的方法能够较为准确地计算多孔翼型的边界层特征以及远场声压,且数值模拟结果与实验结果非常吻合。来流迎角为0°时,多孔翼型整体声压级随着渗透率的减小先减小后增大,渗透率为5×10^-11 m²时多孔材料的降噪效果最佳。多孔翼型整体声压级随着迎角的增大而增大,但多孔材料的降噪效果随着迎角的增大而减小。多孔材料的存在能够有效地削弱翼型表面的大尺度相干结构,使得翼型表面的RMS压强脉动峰值减小,从而抑制翼型远场噪声。     

高亚声速湍流喷流气动噪声数值分析

为适应航空噪声管制规定要求,发动机喷流噪声控制成为目前气动声学研究中的重要课题,预测分析喷流噪声辐射并揭示其产生机理将为噪声控制奠定基础.采用高精度并行LES（large eddy simulation）方法计算分析马赫数0.9高亚声速喷流的湍流演化和气动噪声现象.首先,仔细验证喷流LES湍流场计算保真性,并分析流场中不同尺度涡结构的演化形态.其次,利用可穿透面FW-H（Ffowcs Williams and Hawkings）方法外推喷流近场声源数据获得精确声辐射远场,进而分析声场主导声模态特性.最后,通过分析声源机制、分离声模态等方法研究势流核末端大尺度拟序涡运动演化形成的低波数波包在噪声主导声模态产生中的重要作用.数值结果表明LES结合可穿透面FW-H方法可精确预测高亚声速喷流的流场及声场特征,且数值分析揭示涡环对并形成的大尺度拟序结构在喷流中心线上沿径向融合,产生了在远场低方位角占优的主导声模态,并构成强指向性声场,噪声峰值方位角约为30°.      

基于Fluent与Simpack的高速列车流固耦合联合仿真

基于列车系统动力学和高速列车空气动力学建立了高速列车流固耦合联合仿真计算方法。利用Fluent和Simpack分别计算高速列车气动特性和气动作用下的高速列车动力学性能,通过实时传递气动参数和姿态参数,实现高速列车流固耦合的联合仿真。利用建立的流固耦合方法研究了横风速度为10．7m／s时高速列车以350km／h速度运行时的流固耦合动力学行为。比较了离线仿真和联合仿真两种方法下列车气动力与姿态、安全性和舒适性指标的差异。研究表明,列车一气流的流固耦合效应对头车气动力和姿态的影响显著,头车安全性指标有所恶化。     

On aerodynamic noises radiated by the pantograph system of high-speed trains

Pantograph system of high-speed trains become significant source of aerodynamic noise when travelling speed exceeds 300 km/h. In this paper, a hybrid method of non-linear acoustic solver （NLAS） and Ffowcs Williams-Hawkings （FW-H） acoustic analogy is used to predict the aerodynamic noise of pantograph system in this speed range. When the simulation method is validated by a benchmark problem of flows around a cylinder of finite span, we calculate the near flow field and far acoustic field surrounding the pantograph system. And then, the frequency spectra and acoustic attenuation with distance are analyzed, showing that the pantograph system noise is a typical broadband one with most acoustic power restricted in the medium-high frequency range from 200 Hz to 5 kHz. The aerodynamic noise of pantograph systems radiates outwards in the form of spherical waves in the far field. Analysis of the overall sound pressure level （OASPL） at different speeds exhibits that the acoustic power grows approximately as the 4th power of train speed. The comparison of noise reduction effects for four types of pantograph covers demonstrates that only case 1 can lessen the total noise by about 3 dB as baffles on both sides can shield sound wave in the spanwise direction. The covers produce additional aerodynamic noise themselves in the other three cases and lead to the rise of OASPLs.     

高速列车致声屏障风压变化和分布特性研究

高速列车致声屏障在极短的时间内受到交变气动力作用,一旦声屏障因强度或疲劳破坏而失效,有可能危及行车安全,因此准确评估高速列车致声屏障的脉动风压分布是结构设计需考虑的关键要素．利用数值风洞技术,模拟了道路及桥梁两侧分别布置5m、3.5m高声屏障,350km/h的列车通过时致声屏障的极值风压分布特性．研究结果表明列车驶过声屏障会产生气流挤压的正压波及气流填充的负压波,正压数值较负压数值大;极值风压随声屏障高度的增加而减小,且列车中心与声屏障的距离、声屏障的高度都会明显减弱极值风压的数值;两列车的交会相比单列车的通过,会更明显地挤压声屏障区域内的气流,从而在声屏障上产生更大的极值风压,且随着列车与声屏障距离的靠近,挤压增大极值风压的特性表现更为明显．最终通过选取京沪高铁试验段,进行相关的现场高速列车致声屏障极值风压试验测试,试验结果验证了数值模拟结果的准确性．     

基于Navier-Stokes／Kirchhoff方程的悬停旋翼跨声速气动声学计算

研究了Kirchhoff积分面是否有盖有底,以及是否计及旋翼网格上的流场值,这两个因素对噪声预测结果的影响.发展了一种基于重叠网格的计算悬停旋翼远场噪声的数值方法.数值计算过程分为流场模拟和声场模拟两部分.悬停旋翼流场的数值模拟是在两个相互重叠的网格上进行的:在高质量的旋翼网格上求解Navier-Stokes方程,用于模拟旋翼附近的粘性流动和近场尾涡的捕捉;在远离粘性区域处布置符合悬停流场物理特征的圆柱形背景网格,控制方程为Euler方程,用于远场尾涡的捕捉.计算得到的流场信息插值到用于声场计算的Kirchhoff积分面上.观测点处的噪声可以认为是由这个完全包含桨叶的Kirchhoff积分面上的面元(声源)发声得到.远场声波的传播由Kirchhoff积分公式描述.计算结果表明:采用有盖有底的Kirchhoff积分面并且同时计及旋翼网格流场值时,计算得到的HSI噪声与实验值吻合最好.     

高速列车受电弓风洞试验研究

为了研究高速列车受电弓在较高速度下的整体气动特性、弓网接触压力以及受电弓对支持绝缘子的作用力等综合性能,在FD-09低速风洞中进行了测力试验。试验采用测力天平和力传感器进行测量。通过在FD-09风洞试验段内安装收缩地板的方式首次将受电弓试验风速提高到了380km/h,可以满足高速列车受电弓高速性能研究的需求。研究结果表明：受电弓相对列车运行方向对受电弓升力特性有显著的影响,对弓网接触压力也有较大的影响;通过调节导风板的角度可以有效控制弓网接触压力;受电弓对支持绝缘子的作用力表现为前面拉力后面压力。     

Mechanism of sound radiation by turbulence near a rigid body

The problem of aerodynamic sound generation by a transverse turbulent flow past a rigid cylinder is considered. An anomalous displacement of the equivalent dipole source to a region far downstream of the cylinder is found using the method of azimuthal decomposition of the sound field. The effect is explained on the basis of an analysis of the two-dimensional problem of multipole sources near a circle in the incompressible approximation. It is shown that the dipole displacement is a result of the interference of the original quadrupole source and its dipole reflection. It is concluded that in the weakly compressible case the mechanism of dipole noise generation consists in the uncompensated reflection of weak quadrupoles from a curvilinear surface.     

Numerical study of flow characteristics of the high speed train entering into a tunnel

When a high speed train enters into a tunnel, the aerodynamic forces severely change and, consequently, the stability and performance significantly deviate from the value of design point which is usually set at cruising speed on the plain ground. The compression wave is also generated ahead of the train due to the piston-like action of tunnel entry motion. The present work is to understand the flow field such as variation of aerodynamic forces and generation of compression wave during tunnel entry motion by applying three-dimensional unsteady Navier–Stokes equation solver. To account for the relative motion of stationary tunnel and moving train, the sliding multi-block method has been implemented.     

高速列车车轮踏面剥离引起的轮轨冲击力学响应有限元模拟

车轮踏面剥离是轨道车辆车轮非圆化损伤的常见形式之一。轮轨滚动接触过程中,车轮踏面剥离会循环冲击钢轨,诱发异常大的轮轨动态相互作用,严重影响高速列车运行平稳性和安全性。基于三维轮轨滚动接触有限元模型,模拟了高速列车车轮踏面剥离引起的轮轨冲击力学响应,分析了轮轨冲击过程中的轮轨接触力/压力、接触斑及黏/滑特性、钢轨表面节点速度分布和应力/应变状态等响应特征,讨论了列车速度、剥离长度和剥离深度等关键参数对轮轨冲击响应的影响。结果发现,车轮踏面剥离引起的轮轨动态垂向接触力随列车速度的提高呈现出先增大后减小的变化趋势,并在列车速度为300 km/h出现最大值,约为轮轨准静态垂向接触力的1.35倍;随着剥离长度的增大,轮轨动态接触力、轮/轨von Mises应力和等效塑性应变均显著增大;随着剥离深度的增大,仅车轮von Mises应力和等效塑性应变显著增大。     

射流对空腔噪声抑制效果研究

高速空腔流动的流场结构非常复杂,在一定条件下存在严重的压力、速度等脉动,诱发强烈的噪声,声压级可达到170dB,对腔内的导弹及其自身结构安全构成很大的威胁。应用基于两方程剪切应力(SST)的尺度自适应(SAS)分离流模型的CFD技术和气动声学频域理论(FW-H积分方程),模拟了射流对二维M219空腔(长深比L/D=5)内气动噪声变化情况,研究了空腔流动特性、流场结构及发声机理。在此基础上,首先对比分析了不同射流位置对空腔噪声的抑制情况,以此确定一个工程上可实现的射流位置;然后,对比分析了不同射流状态(不同的射流流量、温度)对空腔噪声的抑制情况。由此可知,跨音速(Ma=0.85)条件下,采用不同的射流状态对空腔噪声具有不同的抑制效果,其中随着射流量及射流温度的增大,噪声抑制效果更加明显。