高速列车车内中高频气动噪声计算方法

利用SST k-w湍流模型计算了高速列车的外部非定常流场,提取了车身表面的脉动压力；基于统计能量分析理论,建立了高速列车车内中高频气动噪声分析模型,确定了模型中各个子系统的参数,计算了由车外脉动压力诱发产生的车内气动噪声.计算结果表明:高速列车车头的脉动压力变化最剧烈；在中高频范围内,司机室和乘客室的声压级随着频率的增...     

高速列车受电弓气动噪声特性分析

为研究高速列车受电弓气动噪声源分布及频谱特性,利用计算流体力学原理对高速列车受电弓流场进行计算,获得了受电弓表面脉动压力;在此基础上,利用FW-H方程计算高速列车受电弓远场气动噪声.计算结果表明:高速列车受电弓远场气动噪声具有较为明显的指向性,其指向性基本上不受列车速度的影响;远场监测点总声压及在10~20附近达到最大.受电弓气动噪声的总声压级随着列车速度的增加而显著增大;受电弓远场气动噪声具有明显的主频,且随着列车速度的增加,远场气动噪声的主频也增大;受电弓顶部横梁是引起受电弓气动噪声的主要因素.      

受电弓区域气动激励特性及其对车内噪声的影响

基于三维可压缩黏性流体模型对350 km·h-1速度下受电弓区域的非定常流场进行模拟,分析了受电弓底板上的脉动压力特征;利用波数滤波方法,对底板区域的脉动压力进行分离,得到了对流压力和声学压力,分析了2种压力在波数和频率域的特性;基于统计能量分析方法建立了简化的受电弓区域车内噪声预测模型,分析了2种激励对车内噪声的影响。研究结果表明:受电弓底板上的脉动压力具有显著的低频特性,随着频率升高,受电弓底板上脉动压力的幅值迅速减小;受电弓底架和绝缘子尾涡是影响受电弓底板上脉动压力幅值的主要因素;对350 km·h-1的高速列车气动噪声问题,波数滤波方法能够较好地将2种激励分离;受电弓底板上的声学压力幅值远小于对流压力,主要的差异频段为800~3 500 Hz,最大差异接近20 dB, 随着频率增加,二者差异变小;虽然声学压力的幅值远小于对流压力,但其对车内噪声的影响却大于对流压力,当频率高于2 500 Hz后,声学压力激励导致的车内声压级响应比对流压力高约10~20 dB,这是由于2种激励在波数空间内的能量分布差异,使得声学压力具有更高的透射效率,特别是当频率高于结构的吻合频率后,声压的贡献占绝对优势,对车内噪声的影响不可忽视。      

某内燃机车司机室声固耦合噪声仿真分析

建立某内燃机车的白车身声固耦合有限元模型,对司机室的结构模态、空腔的声学模态以及声固耦合模态进行了分析计算,并在柴油机安装梁处施加单位激励载荷,对司机室前200 Hz的振动及声场响应进行计算分析.针对声场响应的仿真计算结果对声压的峰值产生的原因进行了详细的分析.结果表明:在91、119、131、143、170、198 Hz处由于司机室壁板共振产生了明显的声压峰值,在116、131、143以及164Hz处由于声固耦合使得声压级骤增,需要在实际操作中对该频域加以控制.     

超高层建筑气动噪声场的大涡模拟

为揭示超高层建筑气动噪声产生的机理及空间分布特征,利用大涡模拟,在大气边界层内求解超高层建筑绕流场,结合FW-H （Ffowcs Williams-Hawkings）方程的声类比法进行了超高层建筑周围声压场的数值模拟. 研究发现:超高层建筑每个面均是偶极子声源,气动噪声是由建筑表面的偶极子声源产生,且受建筑表面风压主导,顺流向和横风向的脉动压力分别主导相应方向的声场辐射强度; 气动噪声沿高度方向先增大后减小,在0.7倍建筑高度附近噪声达到最大值; 在相同高度和离建筑表面相同距离的不同空间点,当空间点面对建筑迎风面时总声压级最大、背风面次之,侧风面最小; 随着空间点与建筑距离的增大,空间点总声压级快速衰减,且横风向较顺风向衰减更快. 研究认为:大涡模拟和声类比相结合的方法能合理预测超高层建筑的气动噪声;优化气动外形,降低建筑表面风压是降噪的最有效途径.      

桥梁截面形式对轨道交通高架噪声的影响

城市轨道交通高架一般采用预应力混凝土简支梁,其截面形式不但直接影响桥梁振动及其结构声辐射,还间接影响轮轨噪声的传播. 为给低噪声轨道交通的高架桥梁截面选型提供依据,本文采用功率流方法计算轮轨滚动激励引起的轨、桥空间平均振动均方速度,结合声有限元-无限元方法分析钢轨噪声和桥梁结构噪声的产生与传播,对比研究了某U型梁、单箱单室梁及双箱双室梁的振动及其声辐射的差异. 结果表明:桥梁截面形式对钢轨振动影响很小,但明显影响钢轨噪声辐射;截面形式对桥梁振动及结构噪声的影响均很大. 就钢轨噪声而言,U型梁相比箱形梁小1～3 dB(A);但在桥梁结构噪声方面,单箱单室梁较U型梁小2～10 dB(A),双箱双室梁较单箱单室梁可再减小2～6 dB(A).      

轻轨车室内噪声的数值预测

分别建立了某出口轻轨客车有限元、边界元以及统计能量分析模型,通过施加单位激励载荷、轮轨辐射与空调声源载荷对该车室内低频与高频噪声进行了预测.在20 ～ 200 Hz频带内,司机室内的总声压级为52.2 dB(A),乘客室内的总声压级为59.0 dB (A);200 ～5 000 Hz频带内,司机室内的总声压级为70 d...     

城市轨道交通列车车外噪声特性

基于统计能量分析(SEA)和半无限流体方法,建立6节编组的B型列车车外噪声预测仿真模型;通过试验提取车体SEA模型的振动激励和轮轨噪声激励,施加给车体并计算分析了车外噪声特性;以中国某城市轨道交通列车通过噪声试验对模型进行验证,并探讨了列车各板单元和轮轨噪声声源对车外场点声压的贡献量。研究结果表明:统计能量分析和半无限流体方法能够准确预测车外噪声,计算效率为常规方法的14.1倍;车速为60 km·h-1时,车外7.5和30.0 m处噪声显著频段为400~1 600 Hz,声压级随频率升高先增大后缓慢下降,其变化趋势和轮轨噪声变化趋势一致,最大幅值频率集中在800 Hz处,最大值分别为64.88、61.75 dB(A);车外噪声贡献量由大到小依次为轮轨噪声、车窗、侧墙、车门、底板、顶板、端墙;车体振动辐射噪声在低频段的贡献较大,在中心频率为20~100 Hz时,车外噪声主要来源为车窗、侧墙,其贡献率分别达到21.2%和19.2%;在中心频率为100~500 Hz时,车体各板及轮轨噪声贡献率差异较小;在中心频率为500~5 000 Hz时,车体各板块的贡献率呈缓慢下降趋势,轮轨噪声的贡献率随频率升高逐渐增加,在2 000~5 000 Hz的1/3倍频带内达到60%以上。      

中空挤压铝型材声振系统统计能量分析

建立了双层铝合金型材与声场高频振动的统计能量分析(statistical energy analysis-SEA)模型,以动力学力激励作为系统的能量输入,计算了铝合金型材和声场的动力学响应,比较了不同板厚度、位置对振动速度和对声场声压级的影响,计算表明靠近载荷的子系统具有更大的振动速度,板越薄振动速度越大,声场声压级越高,板厚度每减小0.5mm声场声压级增加约1dB.研究结果表明,统计能量法可有效计算铝合金型材的高频振动噪声,研究对基于统计能量的整车高频声振分析有重要意义.     

结构声辐射边界元声学灵敏度研究

声学灵敏度反应了结构振动引起的辐射声压与结构表面法向振动速度之间的关系.分析了基于边界元法的结构振动声辐射计算原理,推导了声学敏度.用有限元法计算结构动力学响应,以有限元法计算的结构振动速度为边界条件,基于边界元法计算结构振动幅射的声压及声压对振动速度的灵敏度.以一六面体的振动为研究实例,得到了其振动的外场声压及其对结构振动法向速度的灵敏度.结果表明声学灵敏度只与结构几何形状及设计域点的位置有关.     

高速列车车头外形优化

针对高速列车气动性能,探讨一种列车车头外形优化仿真方法,利用优化软件Sculptor对某高速列车车头司机室观测窗处曲面进行重构,并运用流体数值仿真软件Fluent对重构模型进行数值模拟,计算结果显示,降低司机室观测窗处曲面的高度,有利于降低列车的气动阻力.     

高速列车气动噪声数值仿真

建立了高速列车组包括头车、中间车、尾车及外部空间在内的气动噪声计算物理模型,从声学理论出发,结合列车实际运行的边界条件,运用以稳态结果作为初始值进行瞬态计算,预测了高速列车气动噪声,并对采用直接瞬态法计算气动噪声的可行性进行了分析计算.研究结果表明气动噪声分布于很宽的频带内,无明显的主频,属于宽频噪声.在低频中气动噪声...     

高速列车头型多目标气动优化设计

为提高明线运行的高速列车气动性能,以头车气动阻力和尾车气动升力为优化目标,对高速列车头型进行了多目标自动优化设计.以某新型高速列车为原型,建立了包含转向架区域的高速列车参数化模型,提取了7个设计变量,分别控制鼻尖高度、端盖开闭机构顶端高度、驾驶室车窗高度、水平最大外轮廓线横向宽度、头型中部辅助控制线凹凸度、转向架区域横向宽度和隔墙倾角,并基于计算流体动力学理论,建立了高速列车空气动力学模型.应用该模型计算作用在列车上的气动力,通过多目标遗传算法自动更新设计变量,实现了高速列车头型的自动优化设计.对优化目标与设计变量的相关性进行分析,结果表明:驾驶室车窗高度和转向架区域横向宽度对头车阻力影响最大,头型鼻尖高度和中部辅助控制线凹凸度对尾车升力影响最大;优化后得到6个Pareto最优头型,与优化前的头型相比,头车阻力最多减小3.15%,尾车升力最多减小17.05%.      

高速列车转向架区域气动噪声源的特征识别

为了创建高速列车气动噪声源识别方法，以气动声学基本波动方程为基础，将高速列车气动声源等效为无数微球形声源组成，利用声辐射和流场物理量之间的关系，并结合高速列车气动数值仿真技术，建立了高速列车偶极子声源和四极子声源的识别方法，从全新的角度对某高速列车头车气动噪声源进行识别；基于涡声方程声源项特征，进一步揭示了偶极子声源和流场流动的关系.研究结果明确了高速列车主要偶极子和四极子声源的强弱和分布特征，表明了气流的直接撞击和分离现象是产生声源的主要原因，头车及转向架区域气动噪声源以偶极子声源为主；偶极子声源强度较大位置出现在边沿较为尖锐的地方，在绝大多数情况下流体经过时涡量急剧增加，成为其形成强声源的主要原因.     

基于半模型的高速列车远场气动噪声计算方法

随着高速列车运行速度的提高，其气动噪声问题逐渐凸显，如何准确快速预测高速列车的远场气动噪声成为关键.利用半自由空间的Green函数求解FW-H方程，推导了考虑半模型时的远场声学积分公式，提出通过半模型的数值计算结果预测全模型高速列车远场气动噪声的方法；建立了全模型和半模型高速列车的气动噪声数值计算模型，应用改进延迟的分离涡模拟方法对不同模型高速列车表面的气动噪声源进行求解；通过风洞试验进行了全模型高速列车的数值仿真计算方法验证；对比分析了全模型和半模型高速列车周围的流场结构、气动噪声源和远场气动噪声特性.结果表明：半模型高速列车数值计算得到的列车周围流场结构、气动噪声源以及远场气动噪声特性与全模型的一致；采用半模型计算会过高估计列车尾车流线型区域表面压力的波动程度和噪声源的辐射强度，但通过半模型预测整车模型的远场噪声平均声压级误差小于1 dBA；相比于全模型高速列车，半模型计算时的网格总量减少一半.     

高速车辆气流噪声计算方法

随着发动机、传动系和轮胎等其它噪声的降低以及车速的不断提高 ,高速车辆气流噪声变得越来越突出 ,因此研究和降低气流噪声已成为控制高速车辆噪声的关键之一。通过求解广义Lighthill方程 ,得到了适合车辆行驶工况的气流噪声积分计算公式。根据车辆的实际工况 ,对气流噪声计算公式进行了分析 ,明确了在车辆气流噪声中偶极子源噪声占主导地位 ,表面脉动压力是车辆气流噪声的主要声源。在此基础上 ,对车辆气流噪声某些特性进行了讨论和试验     

高速列车动车转向架气动噪声数值分析

为研究高速列车动车转向架气动噪声特性,建立了动车转向架空气动力学模型,采用定常RNGk-湍流模型与宽频带噪声源模型对其气动噪声声源进行初步探讨,并结合非定常LES大涡模拟与Lighthill声学比拟理论进行了远场气动噪声分析。研究结果表明:动车转向架气动噪声源为轮对、构架、牵引电机1、枕梁、垂向减振器、抗侧滚扭杆等结构的迎风侧凸起部位,且构架对动车转向架远场气动噪声的贡献最大,其次为轮对和抗侧滚扭杆,然后为垂向减振器和枕梁,牵引电机1、牵引电机2、空气弹簧和横向减振器对远场气动噪声的贡献较小。动车转向架远场气动噪声是宽频噪声,具有衰减特性、幅值特性和气动噪声指向性。在低频部分能量较大,中心频率为25、50Hz,且分布规律不随运行速度的改变而变化。      

高速列车气动噪声研究综述

根据近年来高速列车气动噪声相关研究,从试验研究、理论分析和数值模拟方面介绍了当前高速列车气动噪声研究现状和研究成果, 分析了高速列车气动噪声源分布和产生机理,探讨了高速列车关键区域气动噪声降噪措施,展望了未来研究方向。研究结果表明:高速列车运行产生的气动噪声主要声源为几何体表面偶极子声源,分布在转向架、受电弓、车厢连接处、头车与尾车等区域;转向架区域存在着车体表面结构不连续性,气流流经时产生流动分离和流体相互作用,形成较强气动噪声源,可以采用转向架舱外设置裙板和舱内壁与周围铺设吸声板等措施进行降噪;受电弓各部件受到流动冲击作用,产生周期性涡旋脱落诱发的单音噪声,可通过减少受电弓结构部件、改变受电弓杆件截面形状、安装受电弓导流罩、受电弓两侧设置隔声板和射流控制等措施进行气动噪声有效控制;无封闭式车厢风挡形成开放式环形空腔,气流流经时产生较强的气动噪声和气动声学耦合,采用全封闭风挡可有效降低气动噪声产生;头车部位气流流动分离以及尾车部位由于尾涡脱落和非定常流动结构形成与发展,诱发气动噪声产生,头车、车身与尾车减少突出部件,保持几何体表面光滑和连续性,有利于取得较好的降噪效果;随着未来更高速度级高速列车研发,有必要进一步深入研究高速列车气动噪声理论与数值模拟方法,提升气动噪声降噪技术水平,有效控制气动噪声。      

中国高速列车气动减阻优化综述

研究了中国高速列车气动减阻优化进展,总结了典型部件的压力分布特性与各部件在列车气动阻力中的贡献占比,评析了惰行试验、风洞试验与数值模拟3种列车气动阻力研究方法,论述了和谐号、复兴号等系列列车头型气动性能的差异,阐述了高速列车头型气动减阻优化方法与技术,梳理了转向架区域、车端连接处、受电弓及导流罩等局部不平顺区域的气动减阻措施,归纳了适用于高速列车的前沿减阻技术。研究结果表明:数值模拟和风洞试验各有优缺点,经过风洞试验有效验证的数值模拟是准确计算列车气动阻力的有效途径; 列车气动阻力中贡献占比的主要部件为头车、尾车、转向架、受电弓与车端连接处; 由于现有高速列车的高度流线化,头型优化较难实现大幅度的减阻,改善转向架区域裙板、设计全包外风挡与优化受电弓和导流罩外形是进一步减阻的有效措施; 减阻降噪、提升运行平稳性和舒适性等多目标优化是列车头型设计的发展趋势,通过直接寻优计算或者代理模型寻优计算能够提高优化效率与降低优化设计成本; 未来应重点研究高速列车的仿生表面微结构、吹吸气流动控制、等离子体减阻与涡流发生器减阻技术,实现中国高速列车的绿色、节能、高速化发展。      

中国列车空气动力学研究进展

论述了列车空气动力学研究方法:数值模拟计算、风洞试验、动模型试验和在线实车试验;讨论了几种典型列车的空气动力性能:中华之星高速列车、双层集装箱货运列车、磁浮高速列车;建立了列车交会压力波、线间距、安全退避距离的理论关系式;研究了列车流线形外形与气动性能的关系:流线形头形、车身截面外形、列车编组方式、车体表面以及影响气动性能的受电弓导流罩、外风挡、底罩及裙板、导流板等主要部件,介绍了研制流线形列车车体的成套技术及全面推广应用情况;研究了隧道-列车耦合空气动力特性;论述了为既有线5次大提速、百里强风区的兰新铁路解决的列车空气动力影响行车安全问题。