高速列车气动噪音数值模拟

作者简介：屈建民（1980.10-），男，湖南，四川航空股份有限公司机务工程部，工程师，系统工程师本科，专业：流体力学。

摘要：采用k-ε两方程湍流模型模拟了高速列车在有隔音屏和无隔音屏状态下的粘性流动，将压力变化通过傅立叶变换转化成噪音值，通过相同点的噪音值（dB）比较，表明隔音屏能有效的降低高速列车产生的气动噪音。

关键词：高速列车；气动噪声；fluent；隔音屏

1.引言

随着国家经济的高速发展，传统的交通运输业体现出了越来越大的局限性，为了缓解交通运输的瓶颈，国家开始大力建设高速铁路，越来越多的高速列车驰骋在祖国大地。高速列车一般指时速在200公里以上的火车，目前动车组的平均时速已经超过200公里，而刚刚兴起的大部分高速列车（俗称：高铁）的时速已经可达到350公里每小时。

虽然高速列车能极大的提高运输效率，但同时也带来了一些环境危害，比如说电磁辐射，振动，噪音等等。据2002～2003年对某些小区的调查显示，普通列车运行时产生的噪音达80dB左右[1]。列车产生的噪音源有很多，一部分是机械噪声，比如说列车与铁轨的碰撞，还有一部分是气动噪声，这主要是列车高速运行的时候造成附近压力场的变化而产生的噪声。随着列车时速的提高，气动噪音会大幅增加。据模拟显示，这一部分噪声主要是低频噪声，而低频噪音会对人体健康产生长远的影响[2]，因此需要采取有效措施降低高速列车产生的低频噪音。

计算流体力学（Computational fluid dynamic）是最近几十年兴起的一门新兴学科，该方法是通过建立计算域网格，离散控制方程，利用计算机强大的运算能力迭代求解控制方程，进而得到流场的各种物理量。目前成熟的计算流体力学商业软件已经非常成熟，业界采用比较多的主要有fluent、star-cd、cfx等软件，其中fluent以其强大的适应性和良好的计算精度得到了广泛的应用，对于噪音的模拟，已经有相关文献证明了fluent在这方面的适用性[3][4]。

本文主要利用fluent对高速列车周围的流场进行了模拟，并通过压力场的变化计算出噪音分布，通过比较相同点在有隔音屏和无隔音屏时噪音大小的比较，证明了fluent在计算高速列车气动噪音的适用性和隔音屏降低噪音的有效性。

2.控制方程与边界条件

2.1控制方程

在直角坐标系中，三维守恒型NS方程可以写为：

Ut+Ex+Fy+Gz=1Re（Evx+Fvy+Gvz）（1）

式中U=（ρ，ρu，ρv，ρw，e）T，E，F，G为对流项，Ev，Fv，Gv为粘性项，其中ρ，u，v，w，e分别表示气体的密度、x方向的速度分量、y方向的速度分量、z方向的速度分量和单位体积的总内能。对于理想气体p=（γ-1）[e-ρ2（u2+v2+w2）]，对于空气，比热比γ取1.4。

对于粘性系数，本文采用工业上常用的k-ε湍流模型进行计算，其控制方程如下：

紊动能k方程：

ρDkDt=xi（μ+μtσk）kxi+Gk+Gb-ρε（2）

紊动能耗散率ε方程：

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

2.2边界条件

物面边界条件：

对于粘性流动，物面上应该满足无滑移条件，即u=v=w=0 。此外，假设物面为绝热壁条件，即Tn=0，这里n为物面外法线方向。

远场边界条件：

在实际数值计算中，计算区域的大小是有限的，因而在计算区域的远场边界处需要引入无反射边界条件，以保证物体产生的扰动波不被反射回内场这一流动的物理特征，在fluent中的压力远场边界条件采用Riemann不变量关系来处理远场无反射边界条件，其远场边界处的Riemann不变量定义如下：

R-=qn-2aγ-1；R+=qn+2aγ-1（4）

其中qn表示边界上的外法向速度分量，a表示当地的音速，γ 为气体比热比。

3.算例分析

本文采用商业软件fluent模拟了高速列车在无隔音屏和有隔音屏情况下的流场及其产生的气动噪音。

算例一：高速列车在无隔音屏情况下流场和气动噪音的模拟模拟。计算状态为来流速度u=100m/s。本文采用fluent的前处理器gambit生成计算网格，图1为表面网格分布图。考虑到速度100m/s已经可以认为是可压缩流动，因此求解器选择耦合求解器，空气密度设置为理想气体。图2为压力等值线分布图，从图中可以看出列车头部压力变化非常剧烈。为了比较隔音屏对噪音传播的影响，设置了两个监测点，点A位于隔音屏外，距离列车中心10米，高度4米，点B位于隔音屏内，距离列车中心5米，高度4米。根据相对性，计算时将列车设为固定，那么监测点相对于列车就是运动的，运动轨迹为一条直线。图3为该直线上的压力分布。通过将该直线距离与压力的关系除以列车的速度，就得到了监测点时间与压力的关系，将其通过fluent的傅里叶变换，就得到了监测点的噪音值（dB）。

算例二：高速列车在有隔音屏情况下流场和气动噪音的模拟。计算状态与无隔音屏一致。图4为表面网格分布图（为了显示方便，将一侧的隔音屏隐藏）。图5为压力等值线分布图。

图6为监测点压力分布图。通过与图3比较，可以看出有隔音屏的情況下，监测点A和B的压力差更加明显，证明隔音屏能有效的降低压力的传播。图7为监测点噪音值分布图，从图中可以看出，对于频率20HZ左右的低频噪音，加了隔音屏之后，监测点A处的噪音值从80dB降低到了60dB左右，而监测点B处的噪音值始终在90dB左右。由此可见，隔音屏对于降低低频噪音还是有相当效率的。

4.结论

本文利用fluent软件模拟了高速列车在有隔音屏和无隔音屏状态下的气动噪音，通过相同点噪音值（dB）的比较，表明隔音屏能有效的降低列车通过时产生的气动噪音，同时也证明了fluent对于气动噪音计算的适应性。出于简化的目的，本文的计算模型采用的是简化后的列车车头，因此未能捕捉到小的压力脉动，而这一部分压力脉动是产生高频气动噪音的噪音源，因而采用实际列车模型，利用非定常计算捕捉小的压力脉动，计算高频段的气动噪音将是下一步工作的重点。（作者单位：四川航空股份有限公司机务工程部）

参考文献：

[1]魏保祥，耿小娟，唐凤琴. 火车噪声、振动对8个小区环境影响调查，中国环境卫生，2004年第7卷第2期：8～10

[2]孟苏北. 城市住宅区低频噪声对人类健康的危害，中国医学导报，2007年第4卷第35期：17～19

[3]齐海政，刘献栋. 汽车排气消声器仿真方法探究，噪声与振动控制，2006，6：73～76

[4]杨宇. 汽车气动噪声的数值模拟分析，天津汽车，2008年第3期：36～37