基于Fluent的高速列車氣流噪聲數(shù)值模擬

劉悅衛(wèi)，陸森林，左言言

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

基于Fluent的高速列車氣流噪聲數(shù)值模擬

劉悅衛(wèi)，陸森林，左言言

(江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

研究表明車輛氣流噪聲主要取決于車輛表面的脈動壓力，因此研究車輛表面的脈動壓力對控制車輛氣流噪聲具有十分重要的意義。以高速列車為研究對象，基于大渦模擬，結(jié)合Fluent聲學(xué)模塊，計算出高速列車表面的脈動壓力；并通過快速傅里葉變換將高速列車表面脈動壓力從時域轉(zhuǎn)換到頻域，從而得到高速列車脈動壓力頻譜圖，通過分析頻譜圖，可以得到高速列車脈動壓力的能量集中范圍以及車身曲率對氣流噪聲的影響等一些重要特性，為降低車輛氣流噪聲提供參考。

氣流噪聲；表面脈動壓力；大渦模擬；高速列車

隨著列車速度的增加，鐵路噪聲也相應(yīng)的增大，但是隨著人們生活品質(zhì)的改善，對環(huán)境舒適性要求也大大提高， 這就需要采取合理的措施來控制鐵路噪聲。一般來講，列車高速運行時的鐵路噪聲由兩部分組成[1]：1) 機械噪聲，主要包括車輪噪聲和軌道噪聲；2) 氣流噪聲。隨著列車運行速度的逐步提高，機械噪聲和氣流噪聲在列車總噪聲水平中的貢獻度會發(fā)生變化。在列車運行速度>250 km/h時，氣流噪聲將超過機械噪聲，變成最主要的噪聲源。氣流噪聲主要是由列車高速運行時流場結(jié)構(gòu)的變化引起的。列車高速運行時，由于列車外形曲率的變化，列車表面會和空氣發(fā)生明顯的相互作用，致使車身附近的氣流流動不平穩(wěn)，氣流發(fā)生分離，從而形成復(fù)雜的渦流流動[2]。受此渦流的影響，車身表面的脈動壓力會出現(xiàn)劇烈的變化，最終會形成刺耳的氣流噪聲。

根據(jù)萊特希爾聲學(xué)理論知識可知，氣流噪聲是由3種典型的聲源組成，分別為：單極子聲源，偶極子聲源和四極子聲源[3]。單極子聲源產(chǎn)生的原因是因為氣流體積的變化。偶極子聲源產(chǎn)生的原因是車身表面和流體相互的作用，致使氣流擾動分離。四極子聲源產(chǎn)生的原因是因為車身周圍空氣體積的應(yīng)力張量的變化。仔細(xì)分析，可以看出3種噪聲源所引起的噪聲比重各有不同。如果把高速列車的車身看做剛性結(jié)構(gòu)，則單極子聲源噪聲將為零。高速行駛的列車雖然速度相對較高，但仍然遠(yuǎn)低于音速，屬于低馬赫數(shù)。因為四極子聲源與偶極子聲源的強度之比正比于馬赫數(shù)的平方，所以相比于偶極子聲源產(chǎn)生的噪聲，四極子聲源產(chǎn)生的噪聲要小得多，幾乎可以忽略不計[4]。此時可以得出一個結(jié)論，偶極子聲源是組成高速列車氣流噪聲的主要噪聲源。而偶極子聲源主要是由于列車表面脈動壓力的變化產(chǎn)生的，也就是說，車身表面脈動壓力的變化是氣流噪聲的主要噪聲源。因此通過研究車身表面脈動壓力變化情況可以了解氣流噪聲特性和分布情況，為控制噪聲提供基礎(chǔ)。

國內(nèi)學(xué)者在車輛氣流噪聲的研究方面起步較晚，大部分研究還是在試驗的基礎(chǔ)上定性分析為主，由于試驗成本較高，近年來隨著CFD技術(shù)的發(fā)展，學(xué)者們更多的通過建立準(zhǔn)確的流體模型來模擬流場分布，分析流場性質(zhì)，探討最佳方案。在此基礎(chǔ)上利用Fluent聲學(xué)模塊，采用大渦模擬(LES)的方法模擬計算得到了高速列車表面脈動壓力變化分布，得出一些關(guān)于高速列車氣流噪聲的有用特性和結(jié)論，為降低氣流噪聲提供依據(jù)和參考。

1 大渦模擬(LES)的基本理論

湍流是由許多不同尺度的旋渦所組成的，其中大尺度渦主要造成湍流的脈動與混合，還會造成各種變量的湍流擴散、能量交換和雷諾應(yīng)力的產(chǎn)生，對平均流動影響比較大，而小尺度渦主要通過耗散脈動能量來影響各種變量[5]?；谏鲜鑫锢砘A(chǔ)，大渦模擬的基本思想就是采用濾波的方法把包括脈動運動在內(nèi)的湍流分解成大尺度的渦和小尺度的渦兩部分，然后大尺度的渦通過數(shù)值求解運動微分方程進行直接計算，而小尺度的渦采用亞格子模型，即在渦黏性的基礎(chǔ)上通過引進一個湍流粘性系數(shù)來建立與大尺度渦的關(guān)系，然后對其進行數(shù)值模擬[6]。通過在波數(shù)空間或者物理空間過濾Navier-Stokes方程還可以計算得到LES的控制方程：

2 模型建立與邊界條件的設(shè)定

由于列車氣流噪聲計算對計算機硬件的要求較高，所以對列車表面進行了一定簡化，將列車表面附屬設(shè)備去除，車身簡化為列車是由光滑曲面構(gòu)成的集合體，從定性分析的角度去分析列車氣流噪聲的特性。把計算域劃分為兩個部分，靠近列車表面的小計算域和遠(yuǎn)離列車表面的大計算域。大計算域長度為車身的4倍，其中入口距車頭的距離為車身長度的1.5倍，出口距車尾的距離為車身長度的2.5倍。模型及計算域如圖1所示。

圖1 計算域示意圖

文中采用的是混合網(wǎng)格的方法，即使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格聯(lián)合進行劃分。在列車表面采用三角形網(wǎng)格，附近的小計算域則采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格。在遠(yuǎn)離車體的大計算域內(nèi)，列車對氣流流動影響隨著車體距離的增大而減小，因此離列車越遠(yuǎn)的網(wǎng)格可以劃分的越大，并以一定的增大因子均勻的過渡。此外，在離車體一定距離后，可以采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。進而不僅能減少網(wǎng)格的數(shù)量，而且在保證計算精度的同時還可以減少計算時間[7]。網(wǎng)格數(shù)約為400萬個。如圖2所示。

圖2 計算域網(wǎng)格(局部)

氣流噪聲的數(shù)值模擬部分是通過流體力學(xué)軟件Fluent計算實現(xiàn)的。模擬計算分為穩(wěn)態(tài)仿真和瞬態(tài)仿真兩部分。穩(wěn)態(tài)仿真選用標(biāo)準(zhǔn)l湍流模型，瞬態(tài)仿真則采用大渦模擬實現(xiàn)計算[8]。邊界條件的設(shè)置包括速度進口、壓力出口和壁面，基本方法是列車設(shè)定車靜止不動，氣流以列車時速沿著列車前進的反向方向流動，同時地面以列車的時速與氣流同向運動，以此模擬列車高速運行的實際環(huán)境。瞬態(tài)參數(shù)設(shè)置為：實現(xiàn)脈動壓力達到最高分析頻率5kHz[9]，根據(jù)奈奎斯特采樣定律，計算時間步長設(shè)置為0.0001s，采樣時間設(shè)為0.2s?？諝饷芏仍O(shè)為ρ=1.225kg/m3。

3 列車表面靜壓力云圖分析

圖3是列車高速運行時速度達到300km/h時車頭穩(wěn)態(tài)流場的表面靜壓力云圖。

圖3 車頭表面靜壓力云圖

由圖3可知，列車在高速前行過程中，車頭正對來流方向，氣流在車頭最前端的區(qū)域開始受到阻礙[10]，在該區(qū)域形成正壓區(qū),且壓力梯度出現(xiàn)較大變化，同時在鼻尖處形成一個滯止點，也稱為駐點[11]，在整個流場中該處的壓力最大。然后從鼻尖處氣流被劃分為3個部分，分別流向車頂、車體兩側(cè)及車底。在車頭與車身過渡的區(qū)域，因為車頭曲面存在曲率變化，氣流繞流的速度逐步加快，造成該過渡區(qū)的壓力急劇下降，出現(xiàn)高負(fù)壓區(qū)。此后隨著曲面變化逐漸平緩，負(fù)壓絕對值迅速減小,在車身頂部及側(cè)面只有很小的負(fù)壓區(qū)。

圖4為列車車身表面靜壓力云圖。

圖4 車身表面靜壓力云圖

從圖4可以看出列車車頂及車體兩側(cè)表面靜壓力為負(fù)值，但由于繞流和車體曲率變化的影響，靠近車體頭部和尾部的表面的靜壓力絕對值大于車體的中段車身。而且車身中段靜壓力幾乎無變化，壓力梯度較小。

圖5為車尾表面靜壓力云圖。

圖5 車尾表面靜壓力云圖

從圖5可以看出尾車頭部變截面處負(fù)壓較大，和車頭部靜壓力相似，由于尾部漩渦的影響，伴隨著能量的耗散，使得尾部最大負(fù)壓值的絕對值也遠(yuǎn)小于列車頭部的最大負(fù)壓值。

4 列車表面脈動壓力分析

列車高速運行時，周圍渦的分布、形成、脫落及破碎情況決定了列車脈動壓力場的變化。在車身表面布置了10個具有代表性的監(jiān)測點，如圖6所示。從中選出3個更具代表性的點脈動壓力時域圖，如圖7所示。

圖6 各個監(jiān)測點位置

圖7 4,6,8點脈動壓力變化曲線

從圖7可以看出，列車表面的脈動壓力是隨時間不斷變化的力。而且列車頭部和尾部脈動壓力的變化明顯高于中部車廂。列車頭部和尾部壓力變化大約在-11 N/ m2～15.5 N/m2之間，中間車廂脈動壓力變化范圍在-8 N/m2～12 N/m2之間。這表明列車表面脈動壓力的分布與列車的表面流態(tài)有關(guān)，而表面流態(tài)又由列車結(jié)構(gòu)所決定。由于列車頭部和尾部結(jié)構(gòu)存在較大的曲率變化，使氣流發(fā)生分離，形成渦流，從而導(dǎo)致了車頭和車尾兩個區(qū)域的脈動壓力變化范圍大于中間車廂。

5 高速列車氣流噪聲頻譜分析

通過脈動壓力的時域曲線很難看出列車頻譜的結(jié)構(gòu)特性[12]。此時需要將求得的列車時域脈動壓力轉(zhuǎn)化為頻域脈動壓力，這里可以通過在Fluent聲學(xué)模塊中將時域曲線進行快速傅里葉變換得到。圖8為變換得到的3個監(jiān)測點的脈動壓力級頻譜圖。

圖8 監(jiān)測點脈動壓力級頻譜圖

從圖8可以看出各監(jiān)測點氣流噪聲的頻帶很寬,在低頻時氣流噪聲幅值均較大,隨著頻率的升高,各點的幅值都持續(xù)下降。由此可知:氣流噪聲的能量在低頻時較大,在高頻時較小。雖然3個點處流體流速稍有差別，但是脈動壓力級頻譜圖卻很相似。脈動壓力在數(shù)值上稍有差別，不過變化趨勢差別不是很大。

高速列車脈動壓力噪聲是一種寬廣連續(xù)譜噪聲[13]，為更直觀表現(xiàn)列車表面脈動壓力的頻譜特性，圖9給出了列車運行速度為 300 km/h時，4,6,8點A計權(quán)脈動壓力級的1/3倍頻程頻譜。從圖9可看出脈動壓力的能量主要集中在300 Hz到1 100 Hz 頻段范圍內(nèi)。由于脈動壓力是氣流噪聲主要噪聲源，可以推斷高速列車300 Hz到1 100 Hz頻段的氣流噪聲幅值相對較高。

圖9 300 km/h時各點的1/3倍頻程頻譜圖

6 結(jié)語

通過使用Fluent軟件對一定速度下運行的高速列車氣流噪聲進行了數(shù)值模擬計算并對結(jié)果進行了系統(tǒng)的分析，得到了高速列車氣流噪聲的一些特性和有效結(jié)論。

1) 列車高速行駛，車頭周圍流場會產(chǎn)生強烈的空氣擾流，引起較為復(fù)雜的渦流流動，此時車頭處的脈動壓力最大。

2) 各點處總脈動壓力級點隨著所在位置的曲率變化的增大而增大，減少車體的曲率變化，可有效降低聲壓級。

3) 列車表面脈動壓力在高頻區(qū)較少，在低頻區(qū)較大，并隨頻率的增加而減少。

4) 從A記權(quán)1/3倍頻程看，脈動壓力的能量主要集中在300 Hz到1 100Hz 頻段范圍內(nèi)，并且沒有明顯的主頻率，屬于寬頻噪聲。

[1] TalotteC. Aerodynamie Noise: A Cirtieal Survey[J]. Journal of Sound and Vibration，2000,(231): 549-562.

[2] 劉加利. 高速列車氣動噪聲的理論研究與數(shù)值模擬[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2009.

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[5] 蔡偉華，粘彈性流體各向同性湍流特性研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

[6] 肖友剛. 高速列車氣動噪聲計算及降噪技術(shù)研究[D]. 長沙：中南大學(xué)，2008.

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[11] 秦淼. 高速列車空氣動力學(xué)性能的研究[D]. 北京:北京交通大學(xué)，2011.

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[13] 黃莎. 高速列車車外氣動噪聲數(shù)值模擬研究[D]. 長沙：中南大學(xué)，2009.

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Aerodynamic Noise Characteristics Simulation for High-speed Train Based on Fluent

LIU Yuewei，LU Senlin，ZUO Yanyan

(School of Automobile and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

The airflow noise on the surface of vehicle mainly depends on the fluctuating pressure on its body surface, so it is of great significance to control the airflow noise of high-speed trains in order to research the fluctuating pressure on the surface of vehicle. The fluctuating pressure on the surface of the high-speed train is calculated using large eddy simulation and Fluent noise module. Its fluctuating pressure is made change from the time domain into the frequency domain through the fast Fourier transform, then the aerodynamic noise characteristics for the high-speed train is got. By the analysis of the noise spectrum, some aerodynamic noise characteristics for high-speed train are obtained. This provides the reference for reducing the aerodynamic noise.

aerodynamic noise; pressure fluctuation; LES; high-speed train

教育部博士點基金資助項目(20103227110009)

劉悅衛(wèi)(1986-)，男，碩士研究生，主要從事噪聲振動與控制方面的研究。

U260;U270

A

1671-5276(2015)05-0127-04

2014-02-25