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.      

考虑地面效应的高速列车远场气动噪声计算方法研究

为研究高速列车远场气动噪声的计算方法,根据高速列车近地面运行的实际情况,利用半自由空间的Green函数求解FW-H方程;建立考虑地面效应时的远场声学积分公式,并研究地面效应对高速列车远场气动噪声的影响.研究表明,由于存在地面效应,原来的自由声场变成了相当于真实列车声场与镜像列车声场的叠加,并且作用在镜像列车上的力源和法向运动速度与真实列车上的相同.当列车运动速度为350 km/h时,不考虑地面效应时,远场测点的等效连续A计权声压级的最大值为90.76 dB;考虑地面效应之后,远场测点的等效连续A计权声压级的最大值为94.72 dB.     

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.     

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.     

高速列车进隧道时编组长度对压力波最大值的影响研究

高速列车通过隧道时,隧道内空气会产生较大的压力波动,对列车行车安全、车辆结构以及乘客舒适度造成影响。为研究高速列车进隧道时压力波与列车编组长度的关系,开展了高速列车进隧道压力波特性的CFD仿真分析。采用求解低速流动的压力修正算法求解RANS方程,湍流模型采用可实现k-ε模型。首先,通过与动模型实验监测的压力波对比,验证了数值模型的准确性。随后,对高速列车不同编组进隧道的情况进行了仿真计算,通过监测隧道壁和车体表面压力波随时间的变化,得到压力波大小与编组长度之间的关系。计算结果表明,随着编组长度增大,压力波幅值也增大,且由车身与隧道内空气摩擦引起的压力波幅值增量与编组长度呈线性关系。在此基础上,改进了预测列车进隧道最大压力波的经验公式,考虑了编组长度对压力波的贡献,预测结果更加准确。     

开式转子噪声数值模拟与试验研究

为了研究开式转子在低速起飞工况下的噪声特性,运用计算流体力学(CFD)和计算气动声学(CAA)相结合的方法,对开式转子的离散噪声做了数值模拟。采用非线性谐波法(NLH)对开式转子的非定常流场进行计算,非定常分量和叶面定常载荷一同构建类比声源,最后使用FW-H积分法进行远场噪声辐射计算,获取远场多点的噪声频谱结果。搭建了开式转子试验台,使用0°～90°远场指向性阵列测试了指向角区间内的噪声特性结果,并与数值模拟结果进行对比。研究结果表明：干涉噪声是开式转子的主要噪声;关键频率处的数值模拟结果与试验结果趋势基本一致,误差在3 dB以内;所建立的非线性谐波法频域内展开求解非定常扰动量的气动噪声数值模拟方法,可以为开式转子噪声的快速准确预测提供一定的帮助。     

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.     

高速列车转向架舱风洞试验研究

针对高速列车转向架舱的几何外形特点,提取5个设计变量,设计了6种方案,对1∶8比例3编组带路基、轨道及转向架舱的高速列车模型进行了0°及-19.8°侧偏角风洞试验研究,分析了转向架舱不同设计变量对应的高速列车气动阻力特性,得到了各设计参数的减阻效果。研究表明:转向架舱内顶面采用曲面过渡,前后壁面采用倾斜壁,裙板采用全包裙板,减小内壁纵向长度等措施,可以减小列车的气动阻力。通过不同设计变量对列车气动阻力的影响度分析,表明0°及-19.8°侧偏角2种情况下内顶面倒角及内壁纵向长度均对列车气动阻力有重要影响,上述研究结果对列车局部减阻及外形优化具有参考意义。     

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.     

高速列车服役模拟建模与计算方法研究

高速铁路的出现,使得轮轨交通技术达到更高的层次.速度提升不仅对列车的牵引动力与动力学性能提出更高要求.而且,列车与线路、气流等运行环境的耦合作用加剧,并直接影响到了列车的运行品质和安全性.在高速列车发展初期,研究关注的是如何保证高速列车能高速、平稳和安全运行.随着运行速度的提高,系统间耦合加强,服役模拟也越来越受到重视.而今天,高速列车的服役模拟、健康管理与故障预警成为研究热点,掌握系统全局动态行为、了解微观局部振动是车辆系统动力学研究的方向.本文以高速列车服役模拟为需求,提出基于循环变量法的长编组列车建模与计算方法,实现任意列车编组的仿真,得到不同编组位置车辆的服役状态;提出滑移窗口的轨道建模与车线耦合计算方法,得到列车在任意长线路上运行的服役状态;提出基于时变参数的长期服役计算方法,实现列车在不同服役状态与服役时间的服役模拟.因此,基于本文提出的模拟方法,能够实现列车在不同寿命阶段的服役模拟,而且还可以应用于高速磁浮列车,甚至未来超高速真空管道磁浮列车.     

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．     

无砟轨道结构对高速列车气动性能的影响

基于计算流体力学,采用滑移网格方法数值模拟了在有、无横风两种环境下高速列车以300km/h速度通过不同无砟轨道模型的空气动力学性能,研究了车体底板及转向架的表面压力特性,分析了列车与轨道周围的流场特性,研究了轨道结构对气动性能的影响.研究结果表明:当列车通过框架型轨道模型时,由于框架的存在,列车底板及转向架表面压力均呈现周期性波动现象,其压力波动的主频接近16.90Hz.在无横风环境下,列车车体底板的压力变化规律基本一致,且不同模型同一位置处的压力均值相差不大;在横风环境下,利用传统方法计算得到的车体底板压力幅值略大于框架型和平板型轨道模型的计算结果.     

DYNAMIC RESPONSE OF HIGH SPEED TRAIN MEETING IN OPEN AIR,MEETING IN TUNNEL AND PASSING TUNNEL1)

明线会车、隧道会车和过隧道工况下的气动压力波对高速列车的动力响应和运行安全产生很大影响,本文建立了三辆编组的高速列车动力学模型,通过数值仿真得到了列车在三种工况下的车体所受的气动力,基于数值积分分析了列车的动力响应和脱轨系数。研究发现：明线会车和隧道会车工况相比,车辆的侧向运动相反。 明线会车和过隧道时,气动载荷对列车的脱轨系数影响较小,而隧道会车时,气动载荷作用对尾车的安全性影响较大。     

明线会车、隧道会车及过隧道时的高速列车动力响应

明线会车、隧道会车和过隧道工况下的气动压力波对高速列车的动力响应和运行安全产生很大影响,本文建立了三辆编组的高速列车动力学模型,通过数值仿真得到了列车在三种工况下的车体所受的气动力,基于数值积分分析了列车的动力响应和脱轨系数。研究发现:明线会车和隧道会车工况相比,车辆的侧向运动相反。明线会车和过隧道时,气动载荷对列车的脱轨系数影响较小,而隧道会车时,气动载荷作用对尾车的安全性影响较大。     

带制退器的膛口射流噪声数值模拟与实验研究

为了研究膛口装置对膛口噪声气动特性的影响,对带膛口制退器的某小口径武器的膛口射流噪声进行了数值模拟和实验研究。采用计算流体力学CFD (computational fluid dynamics)-计算气动声学CAA (computational aeroacoustics)耦合算法对膛口噪声进行数值模拟,即对膛口流场进行瞬态CFD模拟,获取流场数据,然后利用所得到的结果采用声学方程模拟声源信息求解声场。基于数值模拟结果,分析了膛口流场变化及噪声的指向性分布,并与实验结果进行了对比。研究表明:膛口制退器的安装改变了膛口流场结构,影响了膛口射流噪声的指向性分布。计算结果与实验结果的误差小于9%,验证了该计算方法的可行性。研究结果可为膛口射流噪声的预测及膛口制退器的设计提供一定的参考。     

随机风速下高速列车的运行安全可靠性

基于可靠性理论提出了随机风速作用下高速列车风致安全分析的新方法, 这种方法可以对随机风速作用下高速列车的运行安全可靠性进行有效评估.首先基于Cooper理论和谐波叠加法计算随车移动点的脉动风速, 建立随机风速作用下高速列车非定常气动载荷的计算方法, 并通过数值仿真得到气动载荷系数的标准差随侧偏角的变化规律. 然后建立高速列车车辆系统动力学模型, 并对计算模型的正确性进行验证.最后以随机风速、侧力系数、升力系数、侧滚力矩系数、摇头力矩系数和点头力矩系数为基本随机变量, 研究随机风速作用下高速列车的运行安全可靠性和可靠性灵敏度, 给出随机风速作用下高速列车的概率特征风速曲线.研究结果表明:随着车速和风速的增大, 系统的失效概率增大;通过可靠性灵敏度分析发现侧力系数和侧滚力矩系数对高速列车的运行安全影响最大, 应该特别注意这两个参数的变化对高速列车运行安全性的影响;传统确定性方法得到的高速列车的安全域曲线偏于保守, 基于可靠性的方法可得到更合理的安全域曲线.     

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°.      

随机风作用下高速列车非定常气动载荷的计算方法

基于Cooper理论和谐波叠加法计算随车移动点的脉动风速,分析不同风向角下脉动风速的功率谱密度特性.在横风下高速列车非定常气动载荷计算方法的基础上,建立了侧风下高速列车非定常气动载荷的计算方法,并用此方法分析了侧向随机风作用下非定常气动载荷的统计特性,给出了各气动载荷的峰值因子.研究表明,当风向角接近90°时,无量纲功率谱会往高频移动,风向角对脉动风速的影响较小;在各个风向角下,气动载荷的标准差与平均值的比值仅依赖于侧偏角,侧力与侧滚力矩的峰值因子相同,摇头力矩与点头力矩的峰值因子相同.     

适用于高速层流翼型的计算网格研究

高速层流翼型计算的敏感性在于转捩位置的判定与后缘压缩流的捕捉,其气动力系数和流场计算精度受计算网格影响很大。本文针对高速层流翼型流场计算的特点,考虑计算网格的关键影响,提出了影响近壁网格分布和远场网格分布的关键参数,并通过优化研究找出了能显著提高计算精度的网格分布要求。计算结果表明,对基于SST k-ω的γ-Re_(θt)转捩模型RANS数值求解方式,优化网格的网格量(9.6万)在相对于标准网格的网格量(8万)仅增加20%的情况下,显著提高了高速层流翼型LRN1015等的气动特性数值模拟精度,有利于层流翼型的设计与分析。     

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。