EMU6動(dòng)車組氣動(dòng)聲學(xué)性能分析

何嬌，李盈利，譚曉明，楊志剛，劉加利

EMU6動(dòng)車組氣動(dòng)聲學(xué)性能分析

何嬌1，李盈利1，譚曉明1，楊志剛1，劉加利2

(1. 中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院 軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410075; 2. 中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111)

采用三維、不可壓縮和Lilly LES+FW-H方法，對(duì)1:8縮比3車編組EMU6動(dòng)車組以200，250，300和350 km/h的車速運(yùn)行時(shí)進(jìn)行氣動(dòng)噪聲特性數(shù)值模擬，得到列車不同速度級(jí)運(yùn)行時(shí)的壓力、速度與渦量分布，表面脈動(dòng)壓力、輻射聲場(chǎng)等氣動(dòng)與聲學(xué)性能。研究結(jié)果表明：偶極子聲源強(qiáng)度主要分布在轉(zhuǎn)向架及其周圍的車體表面位置；A計(jì)權(quán)聲壓頻譜在略小于 1 000 Hz頻率處測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)達(dá)到峰值；氣動(dòng)噪聲分布頻帶很寬，噪聲能量在1 000 Hz左右較為集中，往高頻和低頻部分則逐漸衰減；頭車流線型附近聲壓級(jí)較大，在尾車以后越遠(yuǎn)離車體，聲壓級(jí)越小。其研究結(jié)果可為高速動(dòng)車組的氣動(dòng)聲學(xué)特性優(yōu)化研究提供參考依據(jù)。

動(dòng)車組；氣動(dòng)噪聲；大渦模擬LES；表面脈動(dòng)壓力；聲壓級(jí)

近些年，中國(guó)高速列車技術(shù)取得了重大進(jìn)展，京滬高鐵運(yùn)行速度達(dá)到了300 km/h。隨著速度的提高，高速列車氣動(dòng)效應(yīng)迅速增強(qiáng)，列車運(yùn)行時(shí)的氣動(dòng)與聲學(xué)性能逐漸成為制約高速鐵路發(fā)展的重要因素[1?2]。氣動(dòng)噪聲的聲功率增長(zhǎng)速度是運(yùn)行速度的6次方，當(dāng)列車運(yùn)行速度為300 km/h時(shí)，氣動(dòng)噪聲開始成為主要的噪聲源。因此，對(duì)高速列車進(jìn)行精細(xì)的流場(chǎng)與氣動(dòng)聲學(xué)分析具有重要的工程價(jià)值。數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究是高速列車氣動(dòng)噪聲研究的經(jīng)典方法。Mellet等[3]通過歸納總結(jié)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究高速列車的車外噪聲；Kitagawam等[4]研究新干線高速列車氣動(dòng)噪聲的產(chǎn)生原因，Nagakura[5]通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究新干線高速列車1/5縮尺模型的氣動(dòng)噪聲源；Ikeda等[6]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論分析提出改善受電弓氣動(dòng)噪聲的設(shè)計(jì)方案；Frid[7]利用低噪聲風(fēng)洞對(duì)高速列車局部空氣動(dòng)力噪聲控制方法進(jìn)行研究。但是，這些實(shí)驗(yàn)研究?jī)H從噪聲量級(jí)貢獻(xiàn)上進(jìn)行分析，并未深入研究氣動(dòng)噪聲源區(qū)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)特征。SUN等[8]采用NLAS算法計(jì)算高速列車近場(chǎng)氣動(dòng)噪聲；肖友剛等[9]應(yīng)用大渦模擬法、聲類比理論計(jì)算由高速列車流線型頭部誘導(dǎo)的遠(yuǎn)場(chǎng)及司機(jī)室內(nèi)的氣動(dòng)噪聲，研究氣動(dòng)噪聲的一些近場(chǎng)特性；鄭拯宇等[10]結(jié)合邊界元法與計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)研究高速列車表面氣動(dòng)噪聲偶極子聲源分布；劉加利 等[11?12]采用數(shù)值方法研究高速列車車頭與轉(zhuǎn)向架的氣動(dòng)噪聲。但已有氣動(dòng)噪聲數(shù)值結(jié)果缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，且更多針對(duì)局部結(jié)構(gòu)。對(duì)整車的氣動(dòng)聲學(xué)仿真，其發(fā)聲機(jī)理多樣，需綜合考慮整體和局部的精度控制問題。通過優(yōu)選Lilly LES+ FW-H方法計(jì)算輻射氣動(dòng)噪聲，并對(duì)關(guān)鍵局部區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格優(yōu)化，尤其是近壁面區(qū)域的網(wǎng)格質(zhì)量和尺度控制優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了高速動(dòng)車組氣動(dòng)聲學(xué)的整車高精度仿真，為高速動(dòng)車組流場(chǎng)與氣動(dòng)噪聲分析提供參考 依據(jù)。

1 數(shù)學(xué)模型

由于列車運(yùn)行速度高，空氣阻力在運(yùn)行總阻力中占的比重較大，列車的空氣阻力特性是衡量列車氣動(dòng)性能的一個(gè)重要因素。為排除列車運(yùn)行速度對(duì)氣動(dòng)阻力的影響，引入無量綱氣動(dòng)阻力系數(shù)c，其計(jì)算公式為：

其中：F為列車運(yùn)行時(shí)的氣動(dòng)阻力；為遠(yuǎn)方均勻來流的密度；為來流速度，m/s；為參考面積，取為0.212 57 m2(1:8縮比后)。

Williams等[14]給出了存在垂向運(yùn)動(dòng)壁面條件下的流致發(fā)聲控制方程：

其中：u為x方向上的流速分量；u為面=0的法向流速分量；v為正交與面的面速度分量；()為Dirac三角函數(shù)；()為Heaviside函數(shù)。

2 數(shù)值計(jì)算方法

本文采用的仿真模型為1:8縮比3車編組EMU6動(dòng)車組，計(jì)算其以200，250，300和350 km/h車速運(yùn)行時(shí)的氣動(dòng)噪聲特性，圖1是EMU6動(dòng)車組計(jì)算模型。

圖1 計(jì)算模型

列車明線運(yùn)行時(shí)，計(jì)算區(qū)域的大小應(yīng)保證流場(chǎng)充分發(fā)展。流場(chǎng)上游應(yīng)不小于8倍特征高度，流場(chǎng)下游應(yīng)不小于16倍特征高度。特征高度指列車頂面距地面的距離，本文列車特征高度為4.05 m。圖2為動(dòng)車組運(yùn)行時(shí)的計(jì)算域，大小為400 m×30 m×20 m。在方向上，車頭到流域入口距離為80 m，車尾到流域出口距離為240 m。在方向上，整個(gè)流域關(guān)于列車中間截面對(duì)稱，即流域2個(gè)側(cè)面和到列車中間截面距離均為15 m。方向上，流域底面與頂面高度相差為20 m，列車距流場(chǎng)地面約為0.2 m。

單位：m

在研究列車明線條件下運(yùn)行時(shí)，通常用相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方法來模擬列車在地面上的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，即列車與計(jì)算區(qū)域靜止，通過賦予流場(chǎng)速度的方法，改變列車的運(yùn)行速度。計(jì)算域進(jìn)口處均設(shè)為速度入口邊界條件，在流域出口處均給定大氣壓力邊界條件。在流域側(cè)面，側(cè)面以及頂面處均給定對(duì)稱(Symmetry)邊界條件，使沿該面法向速度為0，保證流場(chǎng)發(fā)展的同時(shí)消除壁面對(duì)流場(chǎng)的影響。

列車真實(shí)運(yùn)行時(shí)，距離車體較遠(yuǎn)的空氣幾乎不受擾動(dòng)，遠(yuǎn)場(chǎng)空氣基本與地面保持相對(duì)靜止。為模擬出列車實(shí)際運(yùn)行狀況，消除地面對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，在流域地面處給定滑移地面(Moving Wall)邊界條件，其速度在方向上與流域入口速度相同，且和2個(gè)方向均為0。列車模型表面設(shè)定為有摩擦的無滑移邊界條件，，和3個(gè)方向速度均 為0。

列車高速運(yùn)行時(shí)，頭部流線型區(qū)域是氣流速度和壓力變化劇烈的區(qū)域，在離散網(wǎng)格過程中，應(yīng)對(duì)該區(qū)域適當(dāng)加密；車尾后部由于尾渦的存在，該區(qū)域網(wǎng)格也應(yīng)適當(dāng)加密；中間車體由于一般采用平順化設(shè)計(jì)，其近壁面流場(chǎng)擾動(dòng)相對(duì)較小，因此在計(jì)算規(guī)模受控情況下，中車網(wǎng)格尺度一般要大于頭尾車網(wǎng)格尺度。采用ICEM生成非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，全局采用四面體網(wǎng)格劃分，流線型車頭和轉(zhuǎn)向架采用40 mm網(wǎng)格尺度，頭車尾車采用60 mm網(wǎng)格尺度,中車采用80 mm網(wǎng)格尺度。為較精確描述表面偶極子氣動(dòng)噪聲源，車體表面的附面層厚度設(shè)為20層，第1層網(wǎng)格厚度為0.1 mm，+在1的量級(jí)。圖3為列車網(wǎng)格示意圖，網(wǎng)格總數(shù)為5 630萬。

(a) X方向切面；(b) Y方向切面

采用北京市計(jì)算中心的Ansys Fluent軟件對(duì)列車整個(gè)流場(chǎng)的數(shù)值模擬計(jì)算，分為穩(wěn)態(tài)計(jì)算和非穩(wěn)態(tài)計(jì)算。穩(wěn)態(tài)計(jì)算基于壓力基隱式求解方法，湍流模型選用Realizable-模型，近壁面選用加強(qiáng)壁面函數(shù)。壓力?速度耦合選用SIMPLE算法，壓力采用Standard離散格式，動(dòng)量、湍動(dòng)能、湍動(dòng)能耗散率采用二階迎風(fēng)離散格式。非穩(wěn)態(tài)計(jì)算以穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)作為初始流場(chǎng)，湍流模型選用LES，亞格子模型為Smagorinsky模型。壓力?速度耦合選用PISO方法，非定常計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)取5e~5s，每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)迭代30步，共計(jì)算10 000個(gè)時(shí)間步。

3 仿真算法校核

為了驗(yàn)證本文仿真算法的正確與準(zhǔn)確性，采用文中仿真方法計(jì)算某型受電弓(如圖4所示)氣動(dòng)噪聲結(jié)果并與其風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果[15]進(jìn)行對(duì)比來校核。在中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心低速空氣動(dòng)力學(xué)研究所的航空聲學(xué)風(fēng)洞中,開展了受電輻射氣動(dòng)噪聲試驗(yàn)。試驗(yàn)風(fēng)速為200 km/h，監(jiān)測(cè)點(diǎn)距軌道中心線的距離為7.0 m，距軌面的高度為3.5 m，相鄰監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的距離為0.8 m。數(shù)值仿真采用約3 000萬網(wǎng)格，附面層網(wǎng)格20層，第1層網(wǎng)格厚度0.1 mm，+小于1。表1為本文仿真結(jié)果與該風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。對(duì)比結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，本文采用的氣動(dòng)聲學(xué)仿真技術(shù)具有較高的精度。

圖4 受電弓幾何機(jī)構(gòu)

表1 受電弓測(cè)點(diǎn)的氣動(dòng)噪聲仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4 計(jì)算結(jié)果和分析

4.1 流場(chǎng)結(jié)構(gòu)分析

圖5為動(dòng)車組以200 km/h(左)與350 km/h (右)的車速運(yùn)行時(shí)，列車車體表面的壓力分布云圖。列車的頭車(左下是頭車)鼻錐端附近區(qū)域的正壓壓力最大，且隨著列車速度的增加，該壓力較大區(qū)域面積逐漸增大，這將會(huì)引起壓差阻力的增大。

圖5 列車表面壓力分布云圖

圖6為動(dòng)車組以350 km/h的車速運(yùn)行時(shí)，=0截面的速度分布云圖與渦量分布云圖。由圖6(a)所示，頭車鼻錐附近速度有較大波動(dòng)，尾渦區(qū)速度呈梯度劇烈變化；尾車排障器下部有漩渦出現(xiàn)。從圖6(b)可以看出，轉(zhuǎn)向架表面與尾車鼻錐附近渦量 較大。

當(dāng)列車以200，250和300 km/h以及350 km/h運(yùn)行時(shí)，對(duì)動(dòng)車組時(shí)域計(jì)算的阻力系數(shù)c取平均后得到整車的氣動(dòng)阻力系數(shù)分別為0.319，0.317，0.315與0.314。隨著速度的增加，整車阻力系數(shù)基本變化不大。

4.2 聲學(xué)性能結(jié)果分析

(a) 速度分布云圖及流線圖；(b) 渦量分布云圖

圖8為動(dòng)車組各部件的等效聲源能量的統(tǒng)計(jì)百分比。圖中部件序號(hào)1-16分別為：1-轉(zhuǎn)向架1，2-轉(zhuǎn)向架2，3-轉(zhuǎn)向架3，4-轉(zhuǎn)向架4，5-轉(zhuǎn)向架5，6-轉(zhuǎn)向架6，7-頭車流線型車底，8-尾車流線型車底，9-頭車流線型，10-尾車流線型，11-頭車車底，12-中車車底，13-尾車車底，14-頭車，15-中車和16-尾車。通過比較分析可知，轉(zhuǎn)向架1，中車，尾車和頭車流線型車底與尾車流線型是聲源能量的主要來源。

表2統(tǒng)計(jì)了動(dòng)車組各部件的等效聲源能量及其百分比。由表2可知，隨著速度的增加，整車聲源總能量0逐漸增加；轉(zhuǎn)向架聲源能量約占總能量的30%左右，是列車主要的偶極子聲源。

圖7 車體表面脈動(dòng)壓力時(shí)間梯度分布云圖

圖8 列車各部件聲源能量統(tǒng)計(jì)百分比

表2 動(dòng)車組聲源能量

圖9為聲源能量與來流速度的函數(shù)關(guān)系擬合曲線，其中擬合函數(shù)為=a*b，擬合結(jié)果見表3。根據(jù)表3，整車及局部區(qū)域聲源能量與來流速度成次冪關(guān)系，接近6，符合偶極子噪聲源強(qiáng)度與來流速度6次冪定律，這間接檢驗(yàn)了本文仿真結(jié)果的可靠性。

圖9 聲源能量與來流速度的函數(shù)關(guān)系

表3 聲源能量與來流速度擬合系數(shù)

對(duì)動(dòng)車組車體表面脈動(dòng)壓力展開傅里葉變換，可以得到車體表面的脈動(dòng)壓力譜。表面脈動(dòng)壓力譜能夠反映某頻帶范圍內(nèi)的表面偶極子噪聲源分布特點(diǎn)。在表面脈動(dòng)壓力譜SPL值上加上20log10(2πf)，即可反映不同頻帶范圍的表面偶極子噪聲源分布的相對(duì)特征。圖10為動(dòng)車組在630，800和 1 000 Hz頻率下車體表面的脈動(dòng)壓力云圖，圖中SPL指表面壓力脈動(dòng)，而非聲壓級(jí)。由圖10可知，當(dāng)頻率一定時(shí)，隨著車速的增加，車體表面的脈動(dòng)壓力的幅值增大；當(dāng)車速一定時(shí)，隨著頻率的增加，車體表面的脈動(dòng)壓力幅值減小。應(yīng)該注意到，這并不表示隨著頻率的增加，表面偶極子噪聲源幅值減小，因?yàn)楸砻媾紭O子噪聲源與表面脈動(dòng)壓力時(shí)間梯度對(duì)應(yīng)，在頻域與脈動(dòng)壓力頻域分量和角頻率的乘積相對(duì)應(yīng)。

為考察列車的輻射噪聲，在列車運(yùn)行方向距列車中軸線25 m，距地面3.5 m高沿線布置測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置范圍為從列車前/后鼻尖點(diǎn)分別往前20 m，往后50 m。測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖11所示，一共布置16個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。原點(diǎn)位置在列車鼻尖位置，監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)從?20到130，測(cè)點(diǎn)之間相隔10 m，列車位于3號(hào)測(cè)點(diǎn)到11號(hào)測(cè)點(diǎn)之間。

(a) 200 km/h；(b) 350 km/h

圖11 聲測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖12為動(dòng)車組在監(jiān)測(cè)點(diǎn)7處的1/3倍頻程的A計(jì)權(quán)聲壓頻譜圖。為了考慮地面效應(yīng)，根據(jù)鏡面反射原理，通過Matlab軟件將2個(gè)關(guān)于地面對(duì)稱的接收點(diǎn)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行疊加，再進(jìn)行fft變換，得到頻譜曲線。從圖12中可以看出，列車7號(hào)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)隨著頻率的增加，總體呈現(xiàn)為先上升后下降的趨勢(shì)，在略小于1 000 Hz頻率處測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)達(dá)到峰值。氣動(dòng)噪聲分布頻帶很寬，噪聲能量在1 000 Hz左右較為集中，往高頻和低頻部分逐漸分散。根據(jù)聲源頻譜分析可知頻段630~1 000 Hz能量主要來源于轉(zhuǎn)向架區(qū)域，該區(qū)域類似于在凹腔內(nèi)布置眾多部件，并且部件形狀各異，其流場(chǎng)極其混亂，具有一定凹腔流場(chǎng)特性，并且從該區(qū)域溢出的氣體作用于車體側(cè)壁，引起較強(qiáng)聲源。由于人耳對(duì)1 000 Hz頻段聲音較敏感，可通過凹腔尺寸及裙板設(shè)計(jì)改變凹腔尺寸及裙板面積來改變?cè)肼曨l譜分布特征。

圖13為動(dòng)車組各速度級(jí)下在16個(gè)聲測(cè)點(diǎn)處的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)分布。動(dòng)車組隨著車速的增加，在16個(gè)聲接收點(diǎn)處的聲壓級(jí)逐漸增加，頭車流線型附近接收點(diǎn)的聲壓級(jí)較大；在尾車以后，越遠(yuǎn)離車體，聲壓級(jí)越小。

圖12 7號(hào)測(cè)點(diǎn)聲壓頻譜圖

圖13 各個(gè)聲測(cè)點(diǎn)處A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)分布

5 結(jié)論

1) 隨著速度的增加，動(dòng)車組整車阻力系數(shù)變化不大。

2) 偶極子聲源強(qiáng)度主要分布在轉(zhuǎn)向架及其周圍的車體表面位置。

3) A計(jì)權(quán)聲壓頻譜在略小于1 000 Hz頻率處測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)達(dá)到峰值；氣動(dòng)噪聲分布頻帶很寬，噪聲能量在1 000 Hz左右較為集中，往高頻和低頻部分則逐漸衰減。

4) 動(dòng)車組16個(gè)聲接收點(diǎn)處的聲壓級(jí)隨著車速的增加逐漸增加，頭車流線型附近接收點(diǎn)的聲壓級(jí)較大；在尾車以后，越遠(yuǎn)離車體，聲壓級(jí)越小。

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(編輯 陽麗霞)

Investigation on aeroacoustic performance of EMU6

HE Jiao1, LI Yingli1, TAN Xiaoming1, YANG Zhigang1, LIU Jiali2

(1. Key Laboratory of Traffic Safety on Track of Ministry of Education, School of Traffic & Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 2. CRRC Sifang Locomotive & Rolling Stock Co. Ltd., Qingdao 266111, China)

The paper studied the aeroacoustics performance of the Electric Multiple Units (EMU) 6 with different running speeds from 200 km/h to 350 km/h. The 3D incompressible Lilly LES+FW-H method was adopted to investigate the distribution of the pressure, velocity and vorticity, the surface fluctuating pressure and the radiated sound field. The results show that the dipole source intensity is mainly distributed at the bogies and the surrounding train surface. The A-weighting sound pressure spectrum reaches the maximum at the frequency slightly lower than 1 000 Hz. The frequency band for the aerodynamic noise is wide, and the acoustic energy concentrates at the frequency around 1 000 Hz and decays with the increase and decrease of frequency. The soundpressurelevel (SPL) is high at the streamline of the leading car. The SPL at the wake of the train decreases with the increase of distance from the ending car. The above results may provide reference for the aeroacoustics optimization design of the EMU.

electric multiple units (EMU); aerodynamic noise; large eddy simulation (LES); surface fluctuating pressure; sound pressure level (SPL)

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2018.08.002

U271.91；U25

A

1672 ? 7029(2018)08 ? 1911 ? 09

2017?07?10

中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司技術(shù)服務(wù)項(xiàng)目(SF/JS-軍字-2016-491)；國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015BAG12B01-24)

楊志剛(1976?)，男，湖南常德人，講師，博士，從事氣動(dòng)噪聲研究；E?mail：yangzg@csu.edu.cn