环境风对高速列车气动噪声特性的影响分析.pdf

第 43 卷 第 3 期Vol.43,No.32024 年 5 月Journal of Applied AcousticsMay,2024 研究报告 环境风对高速列车气动噪声特性的影响分析张治乾1,2于培师1赵军华1赵 凡2(1 江南大学机械工程学院无锡214122)(2 中国空气动力研究与发展中心绵阳621000)摘要：气动噪声随着列车运行速度的提高急剧增加，是高速列车噪声的重要组成部分。本文使用缩比为1:20的三车编组模型，通过三维瞬态延迟分离涡模型求解高速列车的外流场，分析了环境风对流场结构与声源特性的影响；之后使用FW-H方程进行噪声传播计算，分析了不同速度的环境风对高速列车气动声学行为特性的影响。结果表明：高速列车主要的噪声源分布在转向架附近，在环境风的影响下，列车背风侧声源强度高于迎风侧，列车底部声源强度增幅较大。10 m/s以内的环境风会改变高速列车在尾流区域的声学指向性，并使气动噪声增加2.1 8.7 dB。相关结论可以为高速列车气动声学设计等研究提供参考。关键词：高速列车；气动噪声；延迟分离涡模拟；FW-H方程；环境风中图法分类号:B533.2文献标识码:A文章编号:1000-310X(2024)03-0533-09DOI:10.11684/j.issn.1000-310X.2024.03.008Analysis of the influence of ambient wind on aerodynamic noisecharacteristics of high-speed trainZHANG Zhiqian1,2YU Peishi1ZHAO Junhua1ZHAO Fan2(1 School of Mechanical Engineering,Jiangnan University,Wuxi 214122,China)(2 China Aerodynamics Research and Development Center,Mianyang 621000,China)Abstract:Aerodynamic noise increases rapidly as the speed of the train increases,it is an important partof high-speed train noise.In this paper,a three-car train model with a scale up of 1:20 is used to solvethe unsteady flow field of a high-speed train through the three-dimensional transient delayed detached eddysimulation(DDES)model,and the effect of ambient wind on the flow field structure and sound source charac-teristics is analyzed.After that,the FW-H equation is used for noise propagation calculation,and the effectsof ambient wind at different speeds on the aerodynamic acoustic behavior characteristics of high-speed trainsare compared and analyzed.Results showed:The main noise sources of high-speed trains are located near thebogies.Under the influence of ambient wind,the sound source intensity on the leeward side of the train ishigher than that on the windward side,and the sound source intensity at the bottom of the train increasesgreatly.Ambient wind within 10 m/s will change the acoustic directivity of high-speed train in the wake regionand increase the aerodynamic noise by 2.18.7 dB.The relevant conclusions can provide a reference for researchinto the aerodynamic acoustic design of high-speed trains.Keywords:High-speed train;Aerodynamic noise;Delayed detached eddy simulation;FW-H equation;Ambient wind2023-01-21收稿;2023-04-11定稿作者简介:张治乾(1996),男,宁夏固原人,硕士研究生,研究方向:列车空气动力学。通信作者 E-mail:5342024 年 5 月0 引言列车在运行过程中，会产生牵引噪声、轮轨噪声和气动噪声。牵引噪声和轮轨噪声分别与列车运行速度的1次方和3次方成正比，气动噪声则与列车运行速度的68次方成正比13。随着运行速度的提高，气动噪声会急剧增加，对车外环境产生强噪声污染并影响车内乘坐舒适性。为了制定有效的噪声控制措施，国内外研究人员针对高速列车气动噪声进行研究并取得了一系列的研究成果。高速列车运行速度小于350 km/h时，气动噪声的声源主要是列车表面脉动压力产生的偶极子声源4。偶极子声源主要分布在转向架、受电弓、头车、尾车等部位，其中转向架系统产生的噪声对总噪声的贡献量较为显著2。进行高速列车气动噪声的研究时一般会考虑转向架的影响。脉动压力是流体与几何的相互作用产生的振荡力，因此周围环境、运行速度、几何外形等因素对列车外流场的结构与分布的影响，会间接影响到高速列车的气动噪声。对此，研究者们已经进行了深入的研究57。环境风是另一个影响高速列车外流场的重要因素。在环境风的作用下，气流分离与再附着使列车表面局部脉动压力发生变化，最终可能影响到高速列车的气动噪声。目前相关文献主要关注大风环境下列车的气动特性与安全性810，环境风作用下列车气动噪声特性的相关研究鲜有公开报道。为了探究环境风对高速列车气动噪声的影响，本文以风向角为90的侧风模拟常见速度环境风的影响，基于缩比为1:20的三车编组高速列车模型，通过延迟分离涡模型(Delayed detached eddysimulation,DDES)解析近场流动，并使用FW-H方程进行噪声计算，分析了环境风对高速列车气动噪声的声源分布、频谱特性及指向性的影响。本文流场及噪声计算在软件Fluent中完成，相关结论可以为高速列车气动声学设计等研究提供参考。1 数学物理模型1.1DDES模型DDES是 一 种 雷 诺 平 均(Reynolds averageNavier Stokes,RANS)和大涡模拟(Large eddysimulation,LES)相结合的混合建模方法，在壁面附近使用RANS求解以降低计算量，在分离流动区域转化为LES 模式以保持求解精度。本文使用基于剪切应力输运k-(Shear-stress transport k-,SST k-)模型的SST-DDES方法，从形式上来看，与SST k-模型相比，只需要在湍动能方程的耗散项上乘以系数Fcoeff进行调整：t(k)+xi(kui)=xj(+tk)kxj)+tS2 kFcoeff,(1)方程(1)中，为流体密度，k为湍动能，是比耗散率，和t分别为动力黏性系数与湍流黏性系数，系数k、由混合函数计算得到。系数Fcoeff定义为Fcoeff=max(k/()CDESmax(1 FDDES),1),(2)其中，FDDES=tanh(Cd1rd)Cd2,(3)rd=t+2y20.5 (S2+2),(4)CDES=0.61，网格尺度max=max(x,y,z)，x、y、z分别为x、y、z三个方向上的当地网格步长，延迟函数FDDES可以避免或缓解网格引起的分离问题11；常数Cd1=20，Cd2=3，=0.41。1.2气动声学方程FW-H方程积分方法可用于求解物体在流体中的运动发声问题，是工程中计算远场噪声应用最广泛的一类方法。该方程由Williams12于1969年在Lighthill方程13的基础上重新整理连续方程和动量方程得到：1c202pt2 2p=t0vn+(un vn)(f)xiPijnj+ui(un vn)(f)+2xixjTijH(f),(5)其中，p代表远场声压，c0和0分别是远场的声速与密度，u和v分别为流体质点速度与物体表面运动速度，下标“i”与“n”分别代表xi方向与壁面法第43卷 第3期张治乾等：环境风对高速列车气动噪声特性的影响分析535向方向的分量，H(f)为赫维赛德广义函数，积分表面由函数f 定义，f 0代表积分表面外的区域，f=0代表对应积分表面，Tij是Lighthill应力张量。公式(5)右侧3个源项分别代表单极子、偶极子与四极子噪声源。在低马赫数下(Ma 0.2)，四极子声源的贡献并不显著，因此仅考虑列车表面的噪声声源，使用SST-DDES模型求解流场得到列车表面的脉动压力，并由式(5)计算远场噪声。2 几何模型与计算设置计算采用带有转向架的三车编组(头车、中间车、尾车)的列车缩比模型，模型缩比为1:20。模型如图1所示，长(L)、宽(W)、高(H)分别为4.032 m、0.167 m、0.205 m。坐标轴定义在头车鼻尖下方，z轴0点位于转向架轮对最低点。?图1高速列车几何模型Fig.1 Geometric model of high-speed train2.1计算域与边界条件列车运行速度为250 km/h，使用2.5 m/s、5 m/s、7.5 m/s及10 m/s的横风模拟列车运行环境中常见环境风的影响(对应风速级别在2 5级之间)。计算域与部分边界条件设置如图2所示。为保证流场充分发展且消除计算域边界对列车周围流场结构的影响，对背风侧的流域适当延长。计算域入口设置为速度入口，用速度分量的形式分别给定x、y轴正向的速度大小为列车运行速度和环境风风速(z轴方向为0)，湍流强度为0.01；流域出口设置为压力出口，出口静压为0；列车与地面之间的间隙为0.15H，流域底部设置为运动壁面条件以考虑地面效应，运动速度与列车运行速度相反(沿x轴正向，大小为70 m/s)；流域上端面与列车距离12H，设置为对称边界条件。xzy?HHH?H图2计算域与边界条件Fig.2 Computational domain and boundary conditions2.2网格划分与计算设置计算区域使用非结构化的多面体网格离散，列车表面网格最大尺寸0.025H，在头车与尾车的鼻尖、排障器及转向架空腔等曲率较大、易发生流动分离的部位加密网格，最小尺寸0.005H。边界层内划分棱柱层网格，网格增长比1.15。其中列车表面划分10层网格，第一层网格高度0.1 mm，无量纲壁面距离y+在10以内。如图2所示，为了保证求解精度，对计算域进行分区加密，加密区1在尾车车头位置，网格最大尺寸0.025H；加密区2网格最大尺寸0.05H；加密区3 网格最大尺寸0.1H。图3为列车纵向对称面的网格分布。为避免计算时产生的数值耗散，抑制求解过程中的非物理振荡，对流通量使用有界中心差分(Bounded central differencing,BCD)格式进行离散。不可压缩流场使用SIMPLEC算法迭代求解。计算气动噪声要获得足够精确的车体表面脉动压力的时程数据，流场计算中时间步长 t 不能过大。122133图3列车纵向对称面网格Fig.3 Grid diagram of longitudinal symmetry plane for high-speed train5362024 年 5 月取时间步长t=0.02(H/U0)(使用列车高度H 和运行速度U0将时间步长无量纲化)，此时流场内最大库朗数在100以内，隐式求解器可保持稳定；当前时间步长下噪声可求解的最高频率为fmax=1/(2 t)10000 Hz，满足高速列车噪声计算要求。3 计算验证3.1噪声计算验证使用圆柱绕流算例进行噪声计算验证，来流速度U=69.2 m/s，圆柱直径D=0.019 m，基于来流速度和圆柱直径的雷诺数Re=9 104，圆柱展向长度L=25.3D，与风洞试验14中模型长度一致。噪声测点距圆柱轴线128D，计算得到的总声压级(Overall sound pressure level,OASPL)为98.1 dB，试验结果为100 dB，误差在2%以内。图4为DDES、SST15与LES16的计算结果。由于试验中存在背景噪声，低频声压级(Soundpressure level,SPL)出现了显著差异；在中高频段，DDES和LES的SPL曲线变化趋势与试验结果基本一致。其中LES 计算的主频与试验值更加接近，但在高速列车气动噪声问题中的计算消耗远高于DDES模型，且本研究旨在探究不同环境风影响下气动噪声的相对变化，因此选择DDES模型进行流场求解。0.10.20.30.40.50.60.70.80.91.030405060708090100110120?/dB?14 SST15 LES16 DDES图4圆柱绕流噪声频谱Fig.4 Noise spectrum of flow around a cylinder3.2网格无关性验证在基准网格(划分方法如图2所示)的基础上改变加密区网格尺寸，得到粗网格、基准网格以及细网格共3套网格，通过列车的阻力系数Cd(由0U20A/2将气动阻力无量纲化，其中U0为列车运行速度，参考面积A取0.03 m2)验证网格的独立性。不同网格相对于基准网格的计算偏差如表1所示，网格数量在900 W以上时阻力系数最大偏差在3%以内，基准网格满足网格无关的要求17。表1网格无关性验证结果Table 1 Results of grid independence verification网格数量/W阻力系数偏差/%粗网格6360.33535.44基准网格9170.3546细网格13500.34612.40根据中南大学的回流式低速风洞中的试验结果，阻力系数Cd=0.352。对比试验结果，基准网格的计算误差为0.74%，满足计算要求。4结果与讨论4.1流场结构涡是低马赫数下流动发声的根源，使用Q准则识别列车外流场中的涡结构，对比分析不同环境风作用下的涡结构差异，可以为气动噪声分析提供依据。其中Q代表速度梯度张量v的第二个伽利略不变量18(Q=(ijij SijSij)、Sij=(ui,j+uj,i)/2和ij=(ui,j uj,i)/2分别代表速度梯度张量v的对称部分和反对称部分)，Q定义为正值，表示对应区域速度梯度张量中旋转部分起主导作用。取Q=0.1(U0/H)2(其中U0为列车运行速度，H 为列车高度)，使用压力对Q等值面进行着色，结果如图5所示。(a)0 m/s(b)2.5 m/s(c)5.0 m/s(d)7.5 m/s(e)10 m/s-3000-2000?/Pa-1000010001500图5列车绕流场涡结构Fig.5 Vortex structure of flow field around high-speed train第43卷 第3期张治乾等：环境风对高速列车气动噪声特性的影响分析537车头、车尾由于曲率变化，小尺度旋涡不断产生、脱落，在列车表面分布密集。车尾列车表面旋涡脱落进入尾流区，在地面效应的影响下，沿来流方向发展演化，实际列车运行时尾迹区的影响区域可以达到几百米甚至更长的距离19。受到环境风影响，列车周围流域中涡结构沿环境风方向偏移。头车肩部位置由于气流分离，在背风侧形成分离涡，沿列车纵向发展成为连贯的纵向涡，环境风速度增加，随纵向涡尺度变大。-3000-2000-10000I10001500?/Pa(a)0 m/s(b)2.5 m/s(c)5.0 m/s(d)7.5 m/s(e)10 m/s 图6头车底部涡结构Fig.6Vortex structure in the flow field at thebottom of the head car列车底部由于列车和地面边界层交汇20，流速和压力剧烈变化，气流不断在列车表面分离和再附着，引起强烈的表面压力脉动，是列车气动噪声重要的偶极子噪声源。图6为车头底部的涡结构。排障器边缘形成的分离涡汇入头车1位转向架舱内，与转向架舱内堆积的小尺度涡相互作用，湍流脉动剧烈。环境风速度在7.5 m/s以上时，部分涡结构沿车体向上方发展，在列车背风侧形成倾斜的尾流涡。4.2噪声特性4.2.1声源特性高速列车表面脉动压力变化率的均方根值prms可表示采样时间内声源强度的平均效应，prms由公式(6)定义：prms=1TT0(p2)dt,(6)其中，T 为采样时间。高速列车迎风面、背风面及底面的偶极子声源强度分别如图7、图8及图9所示。如图7与图8所示，无环境风时，列车表面噪声源在宽度方向上对称分布。受到环境风的影响，分离涡、倾斜的尾流涡等原因使列车背风侧表面压力脉动加剧，与迎风侧相比声源强度较高。在环境风下头车排障器底面迎风侧声源强度增加，环境风速度达到10 m/s时，来流速度增加，如图6(e)中位置I所示，在头车排障器迎风侧分离的部分涡结构直接汇入头车1位转向架舱内，没有在排障器底面发生再附着，因此该位置表面压力脉动减小，声源强度降低。(a)0 m/s(b)2.5 m/s(c)5.0 m/s(d)7.5 m/s(e)10 m/s?/(PaSs-1)2.0T1054.0T1056.0T1058.0T10510.0T105图7列车迎风面声源分布Fig.7 Distribution of sound sources on the windward side of high-speed trains5382024 年 5 月(a)0 m/s(b)2.5 m/s(c)5.0 m/s(d)7.5 m/s(e)10 m/s?/(PaSs-1)?2.0T1054.0T1056.0T1058.0T10510.0T105图8列车背风面声源分布Fig.8 Distribution of sound sources on the leeward side of high-speed trains(a)0 m/s(b)2.5 m/s(c)5.0 m/s(d)7.5 m/s(e)10 m/s?/(PaSs-1)?2.0T1054.0T1056.0T1058.0T10510.0T105图9列车底面声源分布Fig.9 Distribution of sound source on high-speed bottom10002000300040005000708090100110120?/dB?/Hz 0 m/s 2.5 m/s 5.0 m/s 7.5 m/s 10.0 m/s图10列车表面脉动压力级Fig.10 Fluctuating pressure level on train surface如图9所示，高速列车噪声源主要分布在转向架附近，头车1位转向架声源强度高于其他转向架。在环境风影响下，转向架处声源强度增加，列车底面强偶极子声源的分布范围向背风侧偏移，与流场中涡结构的分布规律一致。使用1/3倍频程表示列车整体表面的脉动压力级，如图10所示，列车表面脉动压力级主要集中在800 Hz以下，峰值出现在200400 Hz内。在环境风的影响下，脉动压力级的峰值向高频偏移。对比无环境风的情况，在速度为2.5 m/s环境风的影响下，1000 Hz以内脉动压力级最大增加8.6 dB左右，变化较为显著。4.2.2噪声辐射及频谱特性考虑列车表面所有的气动噪声声源，以流场计算的结果作为输入的数据，利用方程(5)计算得到远场噪声。使用SPL表示噪声计算结果，SPL表示为第43卷 第3期张治乾等：环境风对高速列车气动噪声特性的影响分析539H?LL?a?图11列车纵向噪声测点Fig.11 Noise measuring points in the longitudinal direction of high-speed trainSPL=20lg(papref),(7)其中，pa代表有效声压，参考声压pref=2 105Pa。在噪声频谱中，SPL表示相应频率的噪声强度，而OASPL可以考虑不同频率SPL的贡献，OASPL由式(8)计算得到：OASPL=20lgi(10SPLi/20)2.(8)如图11所示，沿列车纵向等间距布置91个测点，测点距离列车6.5H，距地面约1.02H。此时与自由场环境相比存在较大差异，但是根据现有文献的结果21，当前条件下FW-H方程的计算结果对比风洞试验有较高的准确度，满足计算要求。列车纵向噪声测点的OASPL分布如图12所示，环境风速度增加，OASPL变大，环境风速为2.5 m/s 时，OASPL增幅在2.46.2 dB之间，10 m/s以内环境风影响下OASPL变化范围为2.37.7 dB。-2-101234566570758085?/dB 0 m/s 2.5 m/s 5.0 m/s 7.5 m/s 10.0 m/sx/m图12列车远场噪声OASPL纵向分布Fig.12Longitudinal distribution of OASPL oftrain far-field noise如图13所示，使用1/3倍频程表示测点a处气动噪声SPL频谱与功率谱密度，其中功率谱密度为有效声压均方值在频域上的分布状况。由图可知，高速列车气动噪声的SPL谱型呈现宽频特性，辐射能量主要集中在200700 Hz内，环境风影响下声辐射能量的主要分布范围向高频偏移，列车气动噪声的宽频特性不发生改变。受到速度10 m/s 以内的环境风影响时，200 Hz以上SPL增幅明显，增幅在515 dB之间，200 Hz以下SPL无明显变化。1000200030004000304050607080?/dB 0 m/s 2.5 m/s 5.0 m/s 7.5 m/s 10.0 m/s 0 m/s 2.5 m/s 5.0 m/s 7.5 m/s 10.0 m/s50010001500200000.51.01.52.02.53.03.5?/(10-4 Pa2SHz-1)?/Hz?/Hz(a)?a?SPL(b)?a?图13测点a处SPL与功率谱密度Fig.13The SPL and power spectral density atmeasuring Point a4.2.3高速列车气动噪声指向性如图14所示布置噪声监测点，分析高速列车气动噪声的声学指向性。噪声监测点以圆形分布在列车周围，圆形半径42H。每5布置一个监测点，共72个监测点，监测点距地面1.02H。5402024 年 5 月高速列车气动噪声的OASPL由测点R1开始逆时针分布在图15中，无环境风时，OASPL最小值位于测点R1处，为66.1 dB；在环境风影响下，OASPL最小值测点向背风侧偏移，尾流区域的声学指向性有较明显的改变。环境风速度2.5 m/s时，OASPL增加2.15.7 dB，10 m/s以内环境风影响下OASPL增加2.18.7 dB。xyRH5O?图14噪声指向性监测点Fig.14 Monitoring points for noise directivity0O30O60O90O120O150O180O210O240O270O300O330O505560657075?/dB 0 m/s 2.5 m/s 5.0 m/s 7.5 m/s 10.0 m/s图15气动噪声指向性Fig.15 Dynamic noise directivity5 结论本文使用缩比为1:20的高速列车模型，通过混合求解方法分析环境风下列车外流场与气动噪声，发现10 m/s以下环境风对高速列车气动噪声的声源分布、噪声强度、频谱特性及指向性等有较明显的影响，具体结论如下：(1)环境风影响下列车背风侧出现分离涡，风速增加至7.5 m/s时出现倾斜的尾流涡。由于分离涡与倾斜的尾流涡影响，背风侧脉动压力加剧，声源强度高于迎风侧。(2)高速列车的噪声源主要分布在转向架附近，头车1位转向架声源强度较高。受到环境风影响，强偶极子声源分布范围沿涡流方向偏移。(3)高速列车气动噪声属于宽频带噪声，声辐射能量主要集中在200700 Hz内。环境风影响下声辐射能量的主要分布范围向高频偏移，列车气动噪声的宽频特性不发生改变。(4)在10 m/s以内的环境风作用下，200 Hz以上SPL增加515 dB；列车气动噪声在尾流区域的指向性发生改变，OASPL增加2.18.7 dB。参考文献1 Thompson D J,Iglesias E L,Liu X,et al.Recent de-velopments in the prediction 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