CRH380B型高速列车空气动力噪声的数值模拟研究

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随着中国高速铁路的不断发展,高速铁路的一些问题也相继出现。列车行驶速度不断提高的同时,气动噪声成为高速列车的主要噪声源并且成为当前亟待解决的问题。在我国对高速铁路标准的建立和完善过程中,铁路沿线的环境噪声标准也愈发严格。在该环境标准下,高速铁路的速度被相对限制。为了建造出速度更快的高速列车,降低气动噪声应是列车设计过程中最重要的问题之一。气动噪声主要来源于高速列车与空气进行较快速度摩擦时在列车上产生大小涡旋而产生的脉动压力。现阶段,研究气动噪声较为普遍的方法是对高速列车进行建模,并数值模拟及分析其运动过程。本文采用lighthill声类比理论的混合方法,数值模拟计算CRH380B型高速列车的气动噪声。分析了不同速度下列车表面偶极子声源分布情况,相同速度下列车不同强噪声源处的声压级,并与CRH1、CRH2型高速列车的上述内容进行数据对比。计算CRH380B型高速列车在远场区域的噪声分布,横向衰减规律,标准测点的声压以及与CRH1、CRH2型高速列车的部分内容进行数据对比。准确研究分析CRH380B型高速列车的气动性能。主要工作内容及结论如下:建立了CRH380B型高速列车的列车模型以及流场计算模型,采用大涡模拟法计算了多个工况下列车表面的气动情况,来模拟列车实际运行时的外部流场,获得列车表面的脉动压力。将列车的车身表面脉动压力转化为列车表面偶极子声源,分析了表面偶极子声源的分布规律。在不同速度下,列车表面声压级曲线走势基本一致。在1000Hz以下,列车表面为强噪声源,且随着速度的增加,列车表面声压级逐渐减小。对列车表面声压曲线进行拟合,得到了任意速度时列车表面的偶极子声压计算公式,验证了列车辐射能量与速度的6次方为正比的理论。同时计算了CRH1、CRH2型高速列车的表面声压级,其中CRH1型车的整体气动噪声性能略差,CRH2型车与CRH380B型车整体气动效果更佳。对于强噪声源,我们重点分析了转向架、车厢连接处、车头表面、车尾鼻尖处等处,经对比分析,强噪声源普遍高于整车表面气动噪声。整车气动噪声较好的车型,强噪声源区域有所不同。将列车表面偶极子声源作为边界条件,通过直接边界元法计算并分析了列车的远场气动噪声分布、列车特殊面的指向性、噪声横向衰减规律、标准测点处噪声频域、以及与CRH1、CRH2型车进行对比分析。随着频率的增大,列车周围的噪声声压级均有所下降,但噪声分布更为均匀。频率确定的情况下,随着速度的增大,列车偶极子声源辐射分布更远,分布更平均,最大声压级也随速度增加而逐步增加。列车外部的指向性分布更好的反映了列车表面的噪声分布。在低频段时,列车的主要噪声源来源于车头、车尾和列车连接处。而在高频段,列车表面的噪声虽然降低,但分布较为均匀。随着列车横向测点距离车身的距离增加,列车噪声声压级逐渐减小,并且呈线性减小。在靠近列车处的区域内,列车噪声声压下降较快。列车标准测点处的声压级频谱曲线与列车表面偶极子声源平均声压级频谱曲线(A计权)趋势一样,但低于表面处的平均声压级(A计权)。在20Hz至400Hz时,随频率增加而增加,在400Hz至1000Hz处标准点声压基本维持在一定水平,1000Hz之后便开始逐步下降。相对于列车表面处的平均声压级(A计权)而言,标准测点处的声压级频谱曲线临近点处的数值变化更为剧烈,这是因为在标准测点处监测到的数据来源于各个部位对同一点的气动影响,各处的噪声分布不同,测点处的变化则更为剧烈。
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