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【摘 要】本文建立了包括受电弓、头车、尾车、转向架的三节车三维模型,进行了时速200km/h和300km/h空气动力学仿真和声学仿真,分别分析了流线型头部、受电弓区域近场气动噪声的频谱特性。通过分析发现:高速列车运行高速运行时,列车受电弓区域噪声等级高于头部区域噪声等级;噪声等级的大小和曲面迎风面与列车运行方向有关。
【关键词】高速列车;气动噪声;频谱特性;受电弓;转向架
引 言
随着人们对需求的不断提高,快节奏的工作生活对交通运输速度的要求也不断提高,高速铁路成为人们工作旅行首选的交通工具。高速动车运行速度很高,新建城际铁路设计时速为250km/h,京沪高铁、沪昆高铁等设计时速高达380km/h,高速铁路带给人们方便的同时,运行噪声也给铁路沿线居民及车内旅客的身心健康产生很大的危害。研究表明,当噪声超过一定限度和范围时,就会干扰人们的生活和工作,使人感到烦躁,甚至会危害人体健康,长期生活在80dB以上环境中,造成耳聋者可达50% [1-2]。因此高速动车组设计之初就应该考虑的气动噪声的影响,所以如何设计列车外形,并预测运行噪声至关重要。
截至目前,研究高速列车气动噪声文献很多,但多数只针对特定部分进行研究。比如西南交通大学的董继蕾,李辉,張亚东,张军,赵萌 [3-7]分别针对受电弓气、列车连接处动、转向架处、车头及高速列车整车(不包括受电弓)的噪声特性进行了研究。本文建立了全车仿真模型,包含了几乎所有的关键部件,仿真结果更接近实际情况。
一、近场噪声特性分析
(一)评估点设置
为了研究高速列车近场噪声特性,分别在列车关键部位设置若干评估点,评估点分布如图1所示,车头评估点N1、N2、N3、N4、N5,受电弓评估点P1、P2、P3、P4、P5五个点。
二、频谱特性分析
(一)车头近场气动噪声分析
图2为300 km/h速度运行时,在0.35s时间内,车头曲面监测点N1、N3、N4、N5四点脉动压力随时间变化历程。
由图2可知,在运行速度一定时,脉动压力是一种随机压力,它没有一定的规律可寻。N1、N2评估点脉动压力为正值,N3、N5评估点脉动压力为负值,其中,N1点脉动压力峰值及波动幅度最大,N5点相对最小,结合图1中各监测点所处的位置,表明曲面曲率变化大的区域对流体扰动越大,相应的脉动压力峰值和波动幅度越大。反之,曲面曲率变化小的区域,对应的脉动压力峰值和波动幅度相对小些。
由前面论述已知,高速列车气动噪声与曲面的形状有关系,高速动车组气动噪声主要是偶极子为主,通过傅里叶变换,将评估点脉动压力信号转变成频域信号,得到评估点噪声频谱。
300km/h运行速度下的高速动车组车头表面监测点的脉动压力转换成频谱,其频谱分布如3图所示。
从图3中看出,各评估点气动噪声的频谱特性图很相似,声压在0~5000Hz范围内存在,是一种宽频域噪声。从频谱图中看出,1000Hz以下时,声压等级较高,1000Hz以上时,噪声等级区域稳定,但整体趋势是随着频率的升高,各点的幅值都持续下降。
(二) 受电弓近场气动噪声分析
图4为300 km/h速度运行时,在0.35s时间内,车头曲面监测点P1、P2、P3、P5四点压力随时间变化历程。受电弓监测点布置见图1。
从图4中可以看出各评估点脉动压力的波动情况,P1、P2两点脉动压力为正值,P3、P4、P5脉动压力为负值,P2点脉动压力波动速度最小,因为改点所处杆件与风向成小锐角,空气流经该处分流较小。P1、P3、P4、P5点波动幅度都较大,因为这几个监测点都位于与风向垂直的杆件,气流再次发生分流,脉动压力波动较大。
在300km/h运行速度下的高速动车组受电弓表面监测点的脉动压力转换成频谱,其频谱分布如图5所示。
图5中可以看出,受电弓区域评估点噪声频谱特性与车头区域评估点相似,噪声在很宽的频域内存在,低频时噪声等级较高,大于1000Hz后噪声等级趋于稳定。
三、结论
在列车曲面曲率变化大的区域,脉动压力幅值和波动幅度越大;高速动车组气动噪声属于一种宽频域噪声,低频时声压较高;高速动车组近场气动噪声的能量在低频部分较大,在高频部分较小;在高速列车车身曲面曲率变化越大的区域,近场气动噪声波动梯度、声压级数值及其增长幅度越大,反之就越小;最大总声压级出现在受电弓附近,因为在该处结构复杂,主要是些与风向垂直的杆件,气流在该处流动紊乱,诱发很大的气动噪声;当受电弓杆件结构与风向垂直时,会诱发更大的气动噪声。因此,合理的优化车头、受电弓外形及优化杆件布置能够有效地较少气动噪声。
参考文献:
[1]储荣邦;吴双成;王宗雄.噪声的危害与防治[J]. 电镀与涂饰 2012,12(32):52-57.
[2]袁磊,李人宪.高速列车气动噪声及影响[J]. 机械工程及自动化,2013( 5) : 31- 36.
[3] 董继蕾, 沈火明.高速列车车顶受电弓气动噪声仿真研究[J].四川理工学院学报,2016, 29(2): 56-60.
[4]李 辉,肖新标,李志辉,等.某型受电弓300km/h速度下气动噪声初步分析[J].铁道学报,2016,38(9): 18-22.
[5]张亚东, 张继业, 李 田.高速列车整车气动噪声声源特性分析及降噪研究[J].铁道学报,2016,38( 7) : 40-49.
[6]张军,黄艳艺,兆文忠.高速列车气动噪声数值仿真[J].大连交通大学学报, 2012,33(4):1-5.
[7]赵萌,毛军.强侧风对受电弓的气动作用规律[J].北京交通大学学报,2012,3(3):7-11.
作者简介:
吕岗(1987—),男,汉族,山东定陶人,助教,研究生学历,天津铁道职业技术学院教师,主要从事高速动车组空气动力学噪声方向的研究。
【关键词】高速列车;气动噪声;频谱特性;受电弓;转向架
引 言
随着人们对需求的不断提高,快节奏的工作生活对交通运输速度的要求也不断提高,高速铁路成为人们工作旅行首选的交通工具。高速动车运行速度很高,新建城际铁路设计时速为250km/h,京沪高铁、沪昆高铁等设计时速高达380km/h,高速铁路带给人们方便的同时,运行噪声也给铁路沿线居民及车内旅客的身心健康产生很大的危害。研究表明,当噪声超过一定限度和范围时,就会干扰人们的生活和工作,使人感到烦躁,甚至会危害人体健康,长期生活在80dB以上环境中,造成耳聋者可达50% [1-2]。因此高速动车组设计之初就应该考虑的气动噪声的影响,所以如何设计列车外形,并预测运行噪声至关重要。
截至目前,研究高速列车气动噪声文献很多,但多数只针对特定部分进行研究。比如西南交通大学的董继蕾,李辉,張亚东,张军,赵萌 [3-7]分别针对受电弓气、列车连接处动、转向架处、车头及高速列车整车(不包括受电弓)的噪声特性进行了研究。本文建立了全车仿真模型,包含了几乎所有的关键部件,仿真结果更接近实际情况。
一、近场噪声特性分析
(一)评估点设置
为了研究高速列车近场噪声特性,分别在列车关键部位设置若干评估点,评估点分布如图1所示,车头评估点N1、N2、N3、N4、N5,受电弓评估点P1、P2、P3、P4、P5五个点。
二、频谱特性分析
(一)车头近场气动噪声分析
图2为300 km/h速度运行时,在0.35s时间内,车头曲面监测点N1、N3、N4、N5四点脉动压力随时间变化历程。
由图2可知,在运行速度一定时,脉动压力是一种随机压力,它没有一定的规律可寻。N1、N2评估点脉动压力为正值,N3、N5评估点脉动压力为负值,其中,N1点脉动压力峰值及波动幅度最大,N5点相对最小,结合图1中各监测点所处的位置,表明曲面曲率变化大的区域对流体扰动越大,相应的脉动压力峰值和波动幅度越大。反之,曲面曲率变化小的区域,对应的脉动压力峰值和波动幅度相对小些。
由前面论述已知,高速列车气动噪声与曲面的形状有关系,高速动车组气动噪声主要是偶极子为主,通过傅里叶变换,将评估点脉动压力信号转变成频域信号,得到评估点噪声频谱。
300km/h运行速度下的高速动车组车头表面监测点的脉动压力转换成频谱,其频谱分布如3图所示。
从图3中看出,各评估点气动噪声的频谱特性图很相似,声压在0~5000Hz范围内存在,是一种宽频域噪声。从频谱图中看出,1000Hz以下时,声压等级较高,1000Hz以上时,噪声等级区域稳定,但整体趋势是随着频率的升高,各点的幅值都持续下降。
(二) 受电弓近场气动噪声分析
图4为300 km/h速度运行时,在0.35s时间内,车头曲面监测点P1、P2、P3、P5四点压力随时间变化历程。受电弓监测点布置见图1。
从图4中可以看出各评估点脉动压力的波动情况,P1、P2两点脉动压力为正值,P3、P4、P5脉动压力为负值,P2点脉动压力波动速度最小,因为改点所处杆件与风向成小锐角,空气流经该处分流较小。P1、P3、P4、P5点波动幅度都较大,因为这几个监测点都位于与风向垂直的杆件,气流再次发生分流,脉动压力波动较大。
在300km/h运行速度下的高速动车组受电弓表面监测点的脉动压力转换成频谱,其频谱分布如图5所示。
图5中可以看出,受电弓区域评估点噪声频谱特性与车头区域评估点相似,噪声在很宽的频域内存在,低频时噪声等级较高,大于1000Hz后噪声等级趋于稳定。
三、结论
在列车曲面曲率变化大的区域,脉动压力幅值和波动幅度越大;高速动车组气动噪声属于一种宽频域噪声,低频时声压较高;高速动车组近场气动噪声的能量在低频部分较大,在高频部分较小;在高速列车车身曲面曲率变化越大的区域,近场气动噪声波动梯度、声压级数值及其增长幅度越大,反之就越小;最大总声压级出现在受电弓附近,因为在该处结构复杂,主要是些与风向垂直的杆件,气流在该处流动紊乱,诱发很大的气动噪声;当受电弓杆件结构与风向垂直时,会诱发更大的气动噪声。因此,合理的优化车头、受电弓外形及优化杆件布置能够有效地较少气动噪声。
参考文献:
[1]储荣邦;吴双成;王宗雄.噪声的危害与防治[J]. 电镀与涂饰 2012,12(32):52-57.
[2]袁磊,李人宪.高速列车气动噪声及影响[J]. 机械工程及自动化,2013( 5) : 31- 36.
[3] 董继蕾, 沈火明.高速列车车顶受电弓气动噪声仿真研究[J].四川理工学院学报,2016, 29(2): 56-60.
[4]李 辉,肖新标,李志辉,等.某型受电弓300km/h速度下气动噪声初步分析[J].铁道学报,2016,38(9): 18-22.
[5]张亚东, 张继业, 李 田.高速列车整车气动噪声声源特性分析及降噪研究[J].铁道学报,2016,38( 7) : 40-49.
[6]张军,黄艳艺,兆文忠.高速列车气动噪声数值仿真[J].大连交通大学学报, 2012,33(4):1-5.
[7]赵萌,毛军.强侧风对受电弓的气动作用规律[J].北京交通大学学报,2012,3(3):7-11.
作者简介:
吕岗(1987—),男,汉族,山东定陶人,助教,研究生学历,天津铁道职业技术学院教师,主要从事高速动车组空气动力学噪声方向的研究。