高速动车组受电弓气动噪声产生机理及分布特性研究

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高速铁路噪声主要包括轮轨噪声、电气噪声和气动噪声三大类。列车运行速度大于300km/h时,所产生的气动噪声将超过轮轨噪声,成为高速列车的主要噪声源。气动噪声主要源于列车与空气流相互之间的力学作用,当列车在高速行驶时,气流将在杆状结构的受电弓周围形成显著的绕流现象,最终诱发很大的气动噪声。随着列车的不断提速,气动噪声问题也将越来越严重。本文以流体力学和声学的基本理论为基础,采用数值模拟方法对高速动车组受电弓气动噪声进行了研究。通过研究高速动车组受电弓气动噪声的产生机理和分布特性,为高速动车组整体的气动噪声预测提供重要理论参考依据。主要内容及结论包括:(1)根据流体力学和声学理论知识,阐述了相关气动噪声计算研究的理论基础,分析了高速动车组气动噪声的声源类型、噪声特性及评价标准。(2)利用CATIA三维建模软件,建立高速动车组受电弓、绝缘子、底座及外部空间在内的气动噪声数值分析模型。采用大涡模拟法,利用ANSYS Fluent软件,对高速动车组受电弓近场气动噪声进行了研究,分析了受电弓表面各监测点在不同速度下的气流场分布、稳态压力、脉动压力、频谱特性等。结果表明:受电弓表面附近流场变化非常复杂,气流在受电弓结构尾部形成的脱落涡引起剧烈的压力脉动;受电弓表面稳态压力随列车运行速度提高明显增大,各监测点的脉动压力幅值也随之增大;受电弓近场气动噪声分布于很宽的频带内,没有明显的主频率,属于宽频噪声,能量主要集中在低频部分。(3)采用边界元法对高速动车组受电弓远场气动噪声进行仿真分析。结果表明:高速动车组受电弓远场气动噪声频谱范围主要集中在200Hz~1600Hz,其它频段的噪声能量较小;受电弓各监测点总声压级强度与列车运行速度成正比:各监测点到受电弓的距离与总声压级成反比;距离受电弓中心较远的监测点,监测点的高度对总声压级强度基本无影响;随着列车运行速度的增大,距离受电弓中心侧方25m、距离地面高3.5m处的监测点声压级强度依次增大;距离受电弓运行中心前、后方各10m处的两监测点,运行前方监测点的总声压级比运行后方的监测点总声压级稍大1-2dB左右。
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