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1、高速列车转向架气动噪声分析摘要：采用计算流体力学与声类比相结合的混合数值方法进行高速列车转向架气动噪声仿真分析，计算在350km/h速度下转向架部位的流场分布状况，进而求得转向架在低频101000HZ的噪声源分布，以及远场观测点处的噪声谱。研究结果显示转向架区域复杂的湍流导致转向架表面有剧烈的脉动压力，这些压力脉动是引起气动噪声的声源。同时转向架部位的气动噪声属于宽频噪声，没有明显的主频率，场点处声压幅值最高达到70dB(A)。关键词：气动噪声，转向架，高速列车Numerical Analysis on Aerodynamic Noise of the High-speed Train Bog
2、ieFan Zichen1,Peng Ruolong2，Bu Jiling2(1.Southwest JiaotongUniversity,Chengdu 610031,China;2.Zhuzhou Times New Material Technology CO.LTD,Zhuzhou412007,China)Abstract:A hybrid CFD/CAA method based on Lighthills acoustic analogy is used to for aerodynamicnoise analysis of the high-speed train bogie.I
3、n this paper,unsteady flow around the bogie is captured using LES at 350Km/h,which is the noise source. Attention is mainly paid on the ranges from 10Hz to 1000Hz.Then far-field sound is predicted by acoustic analogy.The results show that the complex flow of air including a turbulent boundary layer
4、around the bogiegives raise toviolentpressure pulsation,which leads toaerodynamicnoise.Meanwhile,the noise exists in wide band.The highest acoustic pressure is 70dB(A).Keywords:Aerodynamicnoise,Bogie,High-speed train概述气动噪声是由于流体的脉动引起的辐射声场，产生机理基本可以分为流致振动导致的噪声和湍流的速度或压力脉动直接导致的噪声。高速列车在空气中高速行驶时，气流与车身发生相互作
5、用，在列车表面形成复杂的气流流场，最终导致气动噪声的产生。这些噪声主要来自于列车表面以及某些装置部位。高速列车从技术验证到目前的快速发展，既是现代经济激励竞争下要求高效交通输运的结果，更是人类科学技术发展的必然趋势。伴随列车速度的提高气动噪声以速度的6次方左右快速增长，且列车行驶速度超过260Km/h后主要噪声源会由轮轨噪声变为气动噪声源，因此高速列车主要噪声源自于气动噪声。降低高速列车的气动噪声对于提高列车舒适性、安全性以及降低对环境的噪声污染有着十分重要意义。转向架部位结构复杂，气流在此处产生复杂的湍流现象，进而导致气动噪声的产生。作为气动噪声的主要部位之一，有必要对转向架的气动噪声进行分
6、析。本文主要利用CFD与声类比混合仿真方法进行350Km/h下高速动车转向架部位的气动噪声分布，并探讨噪声分布以及对外界的影响。计算理论气动噪声的声源都来自于流场，因此气动噪声的声波方程可以从流体力学的基本方程入手导出。声源求解方法（1）流体基本方程连续性方程：t+(vi)xi=0（1）运动方程：dvidt=Fi+pijxj（2）上述公式中，为密度，v为流体速度，p为流体压力，F是作用在流体上的质量力。（2）湍流模型本文采用大涡模拟LES进行流场的瞬态计算。涡旋学认为湍流是由许多大小各异的漩涡组成，大尺度的涡旋对流体主要运动影响明显，小尺度涡旋通过非线性作用对大尺度涡的流动产生一定影响，这种不
7、同尺度的涡旋不断发生变化并与湍流相互作用下产生不同大小、频率的压力脉动。大涡模拟是把流场中的湍流瞬态运动，过滤掉小尺度的漩涡，对大尺度漩涡的运动直接利用N-S方程求解，而小尺度的涡通过附加方程求解即采用亚格子模型进行模拟，是目前工程上计算湍流脉动比较理想的方法。（3）流场数值方法压力修正法是目前工程上使用最广泛的流场求解方法，其本质上是迭代法。其中SIMPLE算法应用最为广泛，它是一种半隐式分离求解法，是目前最常用的基于有限体积法的求解方法。其核心是利用计算网格把流体区域分为离散的控制体积，在各个体积上积分控制方程，形成未知离散变量的代数方程。1.2声场计算方法英国科学家Lighthill直接
8、从N-S方程导出声波波动方程即Lighthill方程，是气动声学的基本方程0。1c022t2-2c02(-0)=2Tijxixj（3）其中Tij=vivj+p-p0-c02(-0)ij-ij表示Lighthill张量，ij为粘性应力张量，ij为单位张量，（p-p0）表示流场压力的脉动量。对于高雷诺数及等熵条件来说，p-p0-c02(-0)ij和ij两项可以忽略。同时引入格林函数：G0t,x,y=(t-|x-y|)4c02|x-y|（4）可以得到Lighthill方程的解为：4c02x,t-0=2xixjVTijx-yd3y（5）FW与H将Lighthill方程扩展到考虑旋转固体边界，最终推导得
9、到：Hc02-0=2xixjV()Tijd3y4x-y-xiSvivj-vj+pijdSjy4x-y+tSvj-vj+0vjdSjy4x-y（6）其中x、y分别表示测点位置与声源位置。方程右边第一项是四极子声源；第二项为偶极子声源，是由固体壁面压力脉动引起的偶极子噪声；第三项表示单极子声源。四极子声源产生于高速气流中，其辐射功率与偶极子噪声辐射功率之比为正比于马赫数的平方，而高速列车气流马赫数较低（Ma=0.286，V=97.2m/s），因此可以忽略四极子声源；单极子声源由于流体介质中流入的质量热量不均匀引起的，对于高速列车气动噪声来说可以略去。故只需考虑占主导作用的偶极子声源：Hc02-0=
10、-xiSvivj-vj+pijdSjy4x-y（7）通过求解FW-H方程，可以任意观测点处的噪声。2数值模拟结果分析2.1 模型转向架的实际模型比较复杂，直接进行分析难以实现，因此要对模型进行简化。由于电脑内存空间有限，同时考虑本次流场计算的侧重点是转向架表面的空气压力及速度的分布情况，本文将转向架表面附近区域的网格加密，并设置边界层网格，采用多面体网格，最终生成的网格单元数量是3253424，建立的转向架与车体装配在一起的简化模型以及计算域网格如下图所示：图2.1 带转向架的高速列车网格模型本文计算的高速列车运行速度是350km/h，马赫数为0.286，属于低速范围，因此可以忽略气流密度变化
11、带来的影响，按照不可压缩空气瞬态模型计算流场。边界条件设置如表1所示。表1 边界条件设置InletVelocity-inlet( 97.2m/s)OutletPressure-outletFloorNo-slipSurface of PantographNo-slipSide wallsSlip本文湍流模型采用大涡模拟模型，较精确地描述湍流。转向架的非定常流以及压力脉动特性也属于瞬态问题。对于瞬态问题先进行稳态仿真计算，收敛后再将稳态结果作为瞬态计算的初始条件，进行瞬态采样计算。2.2 仿真结果分析瞬态流场计算得到转向架部位的流场分布状况，结果如下图所示。图2.2转向架区域截面速度矢量图2.3
12、 转向架表面压力气流流过转向架时产生的压力脉动是引起气动噪声的根本原因。图2. 3显示的是转向架区域沿车体纵向中心的横截面的速度矢量图，可以看出气流进入转向架区域后形成复杂的回流，发生很复杂的湍流现象，进而导致脉动压力产生。由图2.3看出转向架区域表面整体的压力都比较大，最高甚至达到10000Pa，由此可知转向架区域的空气湍流产生的压力相当大，最终可能导致很大的气动噪声问题。将流场瞬态计算的结果导入Virtual.Lab Acoustics模块，做为声源项，得到转向架表面的声压分布如图2.4所示。（1）80HZ（2）300HZ图2.4转向架表面的声压分布由表面声压分布可以看出转向架部位的声压比
13、较均布，在车轮、构架等不够流畅的外形状处，气流状况更为复杂，从而声压明显较大。2.3 转向架辐射声场分析本文主要计算转向架101000HZ低频段的噪声分析。本文定义的6个远场观测点距离轨道高度都为1.2米，场点位置俯视图如下：图2.5 转向架远场观测点位置分布求解得到转向架各个远场观测点声压频谱图如下图所示。（1）P1、P2（2）P3、P4（3）P5、P6图2.6 场点频谱图从上述声压频谱图来，转向架部位的气动噪声应该属于宽频噪声没有明显的主频率，各个监测点的气动噪声幅值随着频率增加而增大，但变化幅度不大。由图2.6看出距离转向架越远，场点的声压级越小。对比图2.6（1）、（2）与（3），各个
14、场点分布规律相似，场点1、3、5距离转向架中心较远，相对声压级也较小。转向架产生的噪声对于外界有较重要的影响，在观测点处产生的声压最大达到70dB。3总结本文主要通过混合仿真方法计算得350km/h速度下转向架部位的流场分布状况，进而通过Virtual.Lab Acoustics模块求得转向架在低频01000HZ的噪声源分布，以及远场观测点处的噪声谱。研究结果显示：转向架部位的气动噪声属于结构体表面流体产生的噪声，转向架湍流剧烈变化导致转向架表面产生的压力脉动是引起气动噪声的声源；同时转向架部位的气动噪声属于宽频噪声，没有明显的主频率，场点处声压幅值最高达到70dB(A)。转向架是高速列车的核
15、心部位，其结构十分复杂，造成该区域气流流场也尤其复杂，其气动噪声产生的根本机理目前还没有明确的解释，有待更进一步的研究。对于转向架的降噪，主要在于采取措施改善转向架区域的流场分布，缓解压力脉动，从而降低噪声。参考文献Lighthill M J.On Sound Generated Aerodynamically:Part1:General TheoryJ.Proceeding of the Royal Society of London,1952,211:564587David Thompson.Railway Noise and VibrationM.Lodon:Elsevier Ltd，2009Howe M.S.Acoustic of Fluid-Structure InteractionsM.Lodon:Cambridge University Press，1998Raghu S.Raghunathan.Aerodynamics of High-Speed Railway TrainJ.Progress in Aerospace Science,38(2002):469514Johan Larsson.Computational Aero
