高速列車氣動(dòng)噪音數(shù)值模擬

作者簡(jiǎn)介：屈建民（1980.10-），男，湖南，四川航空股份有限公司機(jī)務(wù)工程部，工程師，系統(tǒng)工程師本科，專業(yè)：流體力學(xué)。

摘要：采用k-ε兩方程湍流模型模擬了高速列車在有隔音屏和無(wú)隔音屏狀態(tài)下的粘性流動(dòng)，將壓力變化通過(guò)傅立葉變換轉(zhuǎn)化成噪音值，通過(guò)相同點(diǎn)的噪音值（dB）比較，表明隔音屏能有效的降低高速列車產(chǎn)生的氣動(dòng)噪音。

關(guān)鍵詞：高速列車；氣動(dòng)噪聲；fluent；隔音屏

1.引言

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的交通運(yùn)輸業(yè)體現(xiàn)出了越來(lái)越大的局限性，為了緩解交通運(yùn)輸?shù)钠款i，國(guó)家開(kāi)始大力建設(shè)高速鐵路，越來(lái)越多的高速列車馳騁在祖國(guó)大地。高速列車一般指時(shí)速在200公里以上的火車，目前動(dòng)車組的平均時(shí)速已經(jīng)超過(guò)200公里，而剛剛興起的大部分高速列車（俗稱：高鐵）的時(shí)速已經(jīng)可達(dá)到350公里每小時(shí)。

雖然高速列車能極大的提高運(yùn)輸效率，但同時(shí)也帶來(lái)了一些環(huán)境危害，比如說(shuō)電磁輻射，振動(dòng)，噪音等等。據(jù)2002～2003年對(duì)某些小區(qū)的調(diào)查顯示，普通列車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的噪音達(dá)80dB左右[1]。列車產(chǎn)生的噪音源有很多，一部分是機(jī)械噪聲，比如說(shuō)列車與鐵軌的碰撞，還有一部分是氣動(dòng)噪聲，這主要是列車高速運(yùn)行的時(shí)候造成附近壓力場(chǎng)的變化而產(chǎn)生的噪聲。隨著列車時(shí)速的提高，氣動(dòng)噪音會(huì)大幅增加。據(jù)模擬顯示，這一部分噪聲主要是低頻噪聲，而低頻噪音會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生長(zhǎng)遠(yuǎn)的影響[2]，因此需要采取有效措施降低高速列車產(chǎn)生的低頻噪音。

計(jì)算流體力學(xué)（Computational fluid dynamic）是最近幾十年興起的一門(mén)新興學(xué)科，該方法是通過(guò)建立計(jì)算域網(wǎng)格，離散控制方程，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算能力迭代求解控制方程，進(jìn)而得到流場(chǎng)的各種物理量。目前成熟的計(jì)算流體力學(xué)商業(yè)軟件已經(jīng)非常成熟，業(yè)界采用比較多的主要有fluent、star-cd、cfx等軟件，其中fluent以其強(qiáng)大的適應(yīng)性和良好的計(jì)算精度得到了廣泛的應(yīng)用，對(duì)于噪音的模擬，已經(jīng)有相關(guān)文獻(xiàn)證明了fluent在這方面的適用性[3][4]。

本文主要利用fluent對(duì)高速列車周圍的流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，并通過(guò)壓力場(chǎng)的變化計(jì)算出噪音分布，通過(guò)比較相同點(diǎn)在有隔音屏和無(wú)隔音屏?xí)r噪音大小的比較，證明了fluent在計(jì)算高速列車氣動(dòng)噪音的適用性和隔音屏降低噪音的有效性。

2.控制方程與邊界條件

2.1控制方程

在直角坐標(biāo)系中，三維守恒型NS方程可以寫(xiě)為：

Ut+Ex+Fy+Gz=1Re（Evx+Fvy+Gvz）（1）

式中U=（ρ，ρu，ρv，ρw，e）T，E，F(xiàn)，G為對(duì)流項(xiàng)，Ev，F(xiàn)v，Gv為粘性項(xiàng)，其中ρ，u，v，w，e分別表示氣體的密度、x方向的速度分量、y方向的速度分量、z方向的速度分量和單位體積的總內(nèi)能。對(duì)于理想氣體p=（γ-1）[e-ρ2（u2+v2+w2）]，對(duì)于空氣，比熱比γ取1.4。

對(duì)于粘性系數(shù)，本文采用工業(yè)上常用的k-ε湍流模型進(jìn)行計(jì)算，其控制方程如下：

紊動(dòng)能k方程：

ρDkDt=xi（μ+μtσk）kxi+Gk+Gb-ρε（2）

紊動(dòng)能耗散率ε方程：

ρDεDt=xi（μ+μtσε）εxi+C1εεk（Gk+C3εGb）-C2ερε2k（3）

2.2邊界條件

物面邊界條件：

對(duì)于粘性流動(dòng)，物面上應(yīng)該滿足無(wú)滑移條件，即u=v=w=0 。此外，假設(shè)物面為絕熱壁條件，即Tn=0，這里n為物面外法線方向。

遠(yuǎn)場(chǎng)邊界條件：

在實(shí)際數(shù)值計(jì)算中，計(jì)算區(qū)域的大小是有限的，因而在計(jì)算區(qū)域的遠(yuǎn)場(chǎng)邊界處需要引入無(wú)反射邊界條件，以保證物體產(chǎn)生的擾動(dòng)波不被反射回內(nèi)場(chǎng)這一流動(dòng)的物理特征，在fluent中的壓力遠(yuǎn)場(chǎng)邊界條件采用Riemann不變量關(guān)系來(lái)處理遠(yuǎn)場(chǎng)無(wú)反射邊界條件，其遠(yuǎn)場(chǎng)邊界處的Riemann不變量定義如下：

R-=qn-2aγ-1；R+=qn+2aγ-1（4）

其中qn表示邊界上的外法向速度分量，a表示當(dāng)?shù)氐囊羲伲?為氣體比熱比。

3.算例分析

本文采用商業(yè)軟件fluent模擬了高速列車在無(wú)隔音屏和有隔音屏情況下的流場(chǎng)及其產(chǎn)生的氣動(dòng)噪音。

算例一：高速列車在無(wú)隔音屏情況下流場(chǎng)和氣動(dòng)噪音的模擬模擬。計(jì)算狀態(tài)為來(lái)流速度u=100m/s。本文采用fluent的前處理器gambit生成計(jì)算網(wǎng)格，圖1為表面網(wǎng)格分布圖?？紤]到速度100m/s已經(jīng)可以認(rèn)為是可壓縮流動(dòng)，因此求解器選擇耦合求解器，空氣密度設(shè)置為理想氣體。圖2為壓力等值線分布圖，從圖中可以看出列車頭部壓力變化非常劇烈。為了比較隔音屏對(duì)噪音傳播的影響，設(shè)置了兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，點(diǎn)A位于隔音屏外，距離列車中心10米，高度4米，點(diǎn)B位于隔音屏內(nèi)，距離列車中心5米，高度4米。根據(jù)相對(duì)性，計(jì)算時(shí)將列車設(shè)為固定，那么監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)于列車就是運(yùn)動(dòng)的，運(yùn)動(dòng)軌跡為一條直線。圖3為該直線上的壓力分布。通過(guò)將該直線距離與壓力的關(guān)系除以列車的速度，就得到了監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)間與壓力的關(guān)系，將其通過(guò)fluent的傅里葉變換，就得到了監(jiān)測(cè)點(diǎn)的噪音值（dB）。

算例二：高速列車在有隔音屏情況下流場(chǎng)和氣動(dòng)噪音的模擬。計(jì)算狀態(tài)與無(wú)隔音屏一致。圖4為表面網(wǎng)格分布圖（為了顯示方便，將一側(cè)的隔音屏隱藏）。圖5為壓力等值線分布圖。

圖6為監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力分布圖。通過(guò)與圖3比較，可以看出有隔音屏的情況下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A和B的壓力差更加明顯，證明隔音屏能有效的降低壓力的傳播。圖7為監(jiān)測(cè)點(diǎn)噪音值分布圖，從圖中可以看出，對(duì)于頻率20HZ左右的低頻噪音，加了隔音屏之后，監(jiān)測(cè)點(diǎn)A處的噪音值從80dB降低到了60dB左右，而監(jiān)測(cè)點(diǎn)B處的噪音值始終在90dB左右。由此可見(jiàn)，隔音屏對(duì)于降低低頻噪音還是有相當(dāng)效率的。

4.結(jié)論

本文利用fluent軟件模擬了高速列車在有隔音屏和無(wú)隔音屏狀態(tài)下的氣動(dòng)噪音，通過(guò)相同點(diǎn)噪音值（dB）的比較，表明隔音屏能有效的降低列車通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的氣動(dòng)噪音，同時(shí)也證明了fluent對(duì)于氣動(dòng)噪音計(jì)算的適應(yīng)性。出于簡(jiǎn)化的目的，本文的計(jì)算模型采用的是簡(jiǎn)化后的列車車頭，因此未能捕捉到小的壓力脈動(dòng)，而這一部分壓力脈動(dòng)是產(chǎn)生高頻氣動(dòng)噪音的噪音源，因而采用實(shí)際列車模型，利用非定常計(jì)算捕捉小的壓力脈動(dòng)，計(jì)算高頻段的氣動(dòng)噪音將是下一步工作的重點(diǎn)。（作者單位：四川航空股份有限公司機(jī)務(wù)工程部）

參考文獻(xiàn)：

[1]魏保祥，耿小娟，唐鳳琴. 火車噪聲、振動(dòng)對(duì)8個(gè)小區(qū)環(huán)境影響調(diào)查，中國(guó)環(huán)境衛(wèi)生，2004年第7卷第2期：8～10

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