高速列车受电弓气动噪声数值模拟研究

摘要

随着列车运行速度的提高，车辆所处的动态环境发生了根本的变化，噪声超标成为限制高速列车运行速度的重要因素，而当车速超过300km/h时气动噪声成为贡献最大的噪声。受电弓作为高速列车主要气动噪声源之一，研究其气动噪声的传播;性，对提高列车乘坐的舒适度，减少噪声污染具有重要意义。基于Lighthill声类比理论的混合方法，计算分析了某高速列车受电弓的表面偶极子声源大小、分布及其频谱特性，并以此为基础，计算了受电弓的远场气动噪声。本文的主要工作内容和结论如下:
　　1.受电弓外流场分析。建立受电弓三维模型和流场有限体积模型，利用大涡模拟法计算得到受电弓外部充分发展的非稳态流场。受电弓外流场具有很强的非定常特性，流体流速较高的区域集中在受电弓支撑滑板、上框架与下臂杆的铰链连接处。在受电弓流场尾流区可以观察到类似于卡门涡街的涡脱落。
　　2.受电弓表面偶极子声源分析。利用傅里叶变换，将流场计算中得到的表面脉动压力转换为表面偶极子声源。强气动声源主要分布在支撑滑板、转轴、基座背风端、铰链座和下臂杆处的三角区域;受电弓表面偶极子声源是一个宽频带噪声源;不同速度下受电弓表面偶极子声源声压频谱曲线变化趋势基本相同，当列车运行速度增大时，表面偶极子声压级增大，且有明显向高频偏移的趋势。
　　3.受电弓远场气动噪声分析。以表面偶极子声源为边界条件，采用有限元法计算了受电弓远场气动噪声的分布和标准测点处的声压级频谱，利用斯特劳哈尔数和圆柱绕流数值计算，通过受电弓杆件最小特征尺寸估算了其峰值计算频率，并验证了其有效性。经分析得:在列车运行速度为300～500km/h时，受电弓峰值计算频率可选取为3150Hz;随列车运行速度的提高，受电弓远场气动噪声增大，最大声压级所对应的频率值增大;受电弓宽频噪声的高声压级频段持续到接近3000Hz，与车体的气动噪声相比，其高声压级持续的频段更宽。
　　4.考虑列车影响的受电弓远场气动噪声分析。在考虑列车影响之后，受电弓低频时偶极子声源的辐射特性变化明显，而在高频段其辐射特性基本没有改变。此外，受电弓远场噪声在各频率均有一定的衰减，其中低频时衰减的幅度更大，且其指向性发生了明显的变化。随着频率的增大，两者指向性的差异逐渐减小，衰减的幅值同样也有减小的趋势。受电弓远场标准测点的声压级有明显的减小，且其在低频段减小的更多些，标准测点处最大A计权声压级减小了4.39dB。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究的背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文的研究目标和研究方法

1．3．1 研究目标

1．3．2 研究方法

第二章 计算流体力学与声学理论基础

2．1 计算流体力学

2．1．1 流体流动基本方程

2．1．2 湍流的数值模拟方法

2．2 气动声学基本理论

2．2．1 气流中的基本声源

2．2．2 Lighthill声类比理论

2．2．3 Helmholtz声学波动方程

2．2．4 有限元法在声学中的应用

第三章 受电弓外部流场计算及表面噪声源频谱分析

3．1 受电弓外流场模型的建立

3．1．1 受电弓几何模型

3．1．2 计算区域的选取

3．1．3 网格的划分

3．1．4 边界条件的设定

3．2 受电弓外部流场计算分析

3．2．1 受电弓外部流场计算

3．2．2 受电弓外部流场分析

3．3 受电弓表面偶极子声源频谱分析

3．3．1 表面偶极子声源分布

3．3．2 表面偶极子声源频谱分析

3．3．3 强声源部位表面偶极子声源频谱分析

3．4 本章小结

第四章 受电弓远场气动噪声分析

4．1 受电弓峰值计算频率的选取及验证

4．1．1 受电弓峰值计算频率的选取

4．1．2 St估计值的数值计算验证

4．1．3 边界条件的设定及计算求解

4．2 远场噪声分布

4．3 标准测点声压级频谱

4．4 考虑列车的受电弓远场气动噪声分析

4．4．1 考虑列车的受电弓流场计算

4．4．2 远场声压级空间分布

4．4．3 标准测点声压级频谱

4．5 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文