高速列车外流场气动噪声数值模拟研究

潘　忠，陆森林

(江苏大学 汽车与交通工程学院,江苏 镇江　212013)



高速列车外流场气动噪声数值模拟研究

潘忠，陆森林

(江苏大学 汽车与交通工程学院,江苏 镇江212013)

摘要：基于Reynolds平均数值模拟方法、运用FLUENT软件对高速列车外流场进行稳态计算，结合FLUENT软件中的宽频噪声模型分析了高速列车表面噪声源分布。基于大涡模拟对高速列车外流场进行瞬态计算，得出高速列车表面的脉动压力。通过快速傅里叶变换将脉动压力从时域转换到频域，分析脉动压力级频谱图，得到高速列车气动噪声的一些特性。

关键词：气动噪声；大涡模拟；脉动压力

高速列车在给人们带来便捷、快速、安全服务的同时，随之而来的噪声问题也变得日益突出。高速列车噪声不仅影响司乘人员的舒适性，还会影响沿线居民的生活和设备的使用寿命。列车行驶所产生的噪声根据其产生机理的不同主要分为设备(牵引和辅助)噪声、滚动(轮轨接触)噪声与空气动力噪声等[1]。随着高速列车的不断提速，气动噪声在噪声中所占的比例越来越大。有试验表明：当列车运行速度高于300 km/h时，气动噪声将开始成为主要的噪声源[2]。高速列车气动噪声的大小大约正比于速度的6次方到8次方。

列车高速行驶时，空气和列车车厢发生相互作用，由于列车外形存在较大的曲率变化，致使车身附近气体流动不平顺，气流易发生分离流动，进而形成复杂的涡流流动。受涡流流动的影响，车身表面形成变化剧烈的脉动压力，并诱发气动噪声[3]。根据Lighthill声学理论可知：气动噪声由3种典型声源组成，分别为单极子声源、偶极子声源和四极子声源。在模拟计算中，把高速列车的车身看做刚性结构，则单极子声源噪声为0。高速列车的速度属于低马赫数，四极子声源产生的噪声要远远低于偶极子声源产生的噪声，几乎可以忽略不计[4]。因此，高速列车气动噪声的主要噪声源为偶极子声源。而偶极子声源主要是由于列车表面脉动压力的变化产生的，所以车身表面脉动压力是影响气动噪声的主要因素。国内外气动噪声的研究方法主要有3种：理论研究、试验研究和数值模拟研究[5]。流体力学的数值模拟也被称为计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)。本文采用数值计算的方法对高速列车外部流场和表面脉动压力进行模拟计算。

数值模拟方法一般包含3种：Reynolds平均数值模拟方法(Reynolds averaged navier-stokes,RANS)、大涡模拟(large eddy simulation,LES)方法以及直接数值模拟(direct numerical simulation,DNS)方法[6]。本文首先通过FLEUNT软件，采用Reynolds平均数值模拟与大涡模拟方法求解列车外流场的稳态与瞬态信息，然后运用FLUENT中的宽频噪声模型预估列车表面噪声源分布，最后根据瞬态计算得到的脉动压力对高速列车气动噪声进行分析。

1LES的基本理论

湍流由许多不同尺度的旋涡组成。湍动能传输链中大尺度脉动几乎是所有的湍动能，小尺度脉动主要是耗散湍动能。大涡模拟方法放弃小尺度脉动的计算，从而减小了计算量。大涡模拟的基本思想[7]：采用滤波的方法把包括脉动运动在内的湍流运动分解成大尺度涡和小尺度涡两部分，大尺度涡通过数值求解运动微方程进行直接计算，而对小尺度涡采用亚格子模型，建立与大尺度涡的关系对其进行模拟。

2CFD模型与边界条件的设定

对列车车身表面进行分析时，重点探讨列车车头尾曲面、转向架区域、空调导流罩以及车厢连接处缝隙对高速列车车外空气动力噪声的影响。对于不影响列车车身流场分析的受电弓、车门、车窗等，在本次计算中不予考虑。

真实的高速列车由8节或者16节车厢组成。在列车明线运行时，中间车厢的流场情况基本相同。受计算条件限制，本研究只选取3节车厢模型进行数值模拟，整个模型由1节头车厢、1节中间车厢、1节尾车厢组成，头、尾车厢具有相同的外形。列车模型及计算域如图1所示。列车的长度约为95 m，宽度约为4.2 m，高度约为4.5 m。计算域总长度为350 m，总宽度为40 m，总高度为30 m。列车头部距离入口约为85 m，尾部距离出口约为170 m。

图1　列车模型及计算域

考虑到几何模型比较复杂，计算时采用混合网格划分。列车表面采用三角形网格，在车头、鼻锥等处局部加密，如图2所示。在车身表面采用三角棱柱划分3层边界层，近场区域采用四面体非结构网格，远场区域采用六面体结构网格，中间用金字塔网格过渡，如图3所示。网格数共计约700万。

图2　车头表面网格

图3　体网格横截面

本文采用流体力学软件FLUENT对高速列车外流场进行稳态计算和瞬态计算。流场入口为速度入口，大小为83.33 m/s。流场出口为压力出口，设置为1个标准大气压(101.325 kPa)。利用Reynolds平均数值模拟方法进行流场的稳态计算，选择基于压力的隐式求解器，湍流计算时模型选择标准k-ε湍流模型，压力与速度耦合的方式选择SIMPLE算法，动量、湍动能与湍流耗散率的空间离散格式选择精度较高的2阶迎风格式。在稳态计算的基础上，采用大涡模拟方法对流场进行瞬态计算。为使脉动压力最高分析频率达到5 kHz，根据奈奎斯特采样定律，计算时间步长设置为0.1 ms，采样时间设置为0.2 s。

3列车外流场稳态分析

稳态计算模拟方法得到的流场信息是平均意义上的流场情况，可以在总体上分析列车外流场的分布情况。通过开启Fluent噪声模块中的宽频噪声模型功能可以获得列车表面声功率级分布云图，初步估计列车表面噪声源。

3.1列车头部流场分析及噪声预估

列车在明线高速行驶时，车头将原本静止的空气向四周排挤，使得空气被压缩。如图4、5所示：气流最先与鼻锥处接触，并受到压缩，气流速度近乎为0，形成驻点；车头区域形成正压区，且因为车头表面曲率变化较大，压力和速度变化梯度也较大；气流经过鼻锥后被划分为3个部分，分别流向车顶、车底和车身两侧，随着列车速度越来越快，压力也随之越来越小；在车头与车身过渡区域，气流速度变化很快，造成该区域压力迅速下降，出现高负压区；气流流过车头后，因车身表面较为平坦，速度变化平缓，在车身顶面和侧面形成较小的负压区。

图4　列车头部静压力云图

图5　列车头部纵剖面速度矢量图

由图4、5还可以看出：顶部气流流过鼻锥后向车顶流动，遇到司机室前窗雨刮器位置的凸起后又被压缩，速度降低，表面压力变大，形成高压区，当气流流过凸起后发生分离并产生漩涡；底部气流流过鼻锥后向车底流动，遇到导流板阻碍，气流速度近乎为0，压力增加到最大，形成驻点；气流流过导流板后，速度增加，压力变小。

对比图6、7可以发现：声功率级分布大小和湍动能分布大小基本一致。这是因为列车高速运行时，由于列车外形曲率的变化，列车表面会和空气发生明显的相互作用，致使车身附近的气流流动不平稳，气流发生分离，从而形成复杂的涡流流动。受此涡流的影响，车身表面的脉动压力会出现剧烈的变化，最终形成刺耳的气动噪声。列车头部声功率级最大处在导流板前端、鼻锥、雨刮器凸起后端，初步估计这几个部位为车头的主要噪声源。

图6　列车头部湍动能云图

图7　列车头部表面声功率级云图

3.2列车尾部流场分析

由图8、9可以看出：列车尾部变截面处负压较大，和车头部静压力相似，但由于尾部漩涡的影响，伴随着能量的耗散，使得尾部最大负压值的绝对值远小于列车头部的最大负压值。由于列车尾部的鼻端曲率变化也较大，由图8可看到它的压力变化较为剧烈，压力梯度变化也较大。气流流过雨刮器和导流板，由于表面曲率过大，气流只有很少一部分沿着列车表面流动，速度近乎为0，形成小片的正压区。

图8　列车尾部静压力云图

图9　列车尾部纵剖面速度矢量图

3.3车厢连接处流场分析

如图10、11所示：气流在流经车厢连接处时，一部分气流流向下游车身表面，另一部分气流下沉遇到壁面的阻挡，导致表面压力增大。流进空腔内部的气流在车厢连接的下游遇到一个上升的台阶。由于上升台阶对气流的阻挡作用而使气流发生回流，这种现象称为气流的反馈现象。反馈作用会引起气流在矩形空腔内自激振荡。

图10　车厢连接处静压力云图

图11　车厢连接处纵剖面速度矢量图

4列车表面脉动压力分析

车身表面脉动压力的分布状况是影响高速列车气动噪声的决定因素[8]。脉动压力向外辐射形成远场噪声，向内通过缝隙或壁面传递形成车内噪声。通过大涡模拟对高速列车外流场进行瞬态计算，可以得到车身表面脉动压力的时域图，从而分析脉动压力的变化。

为清楚地表现瞬态流场脉动压力的变化特性，在列车车头部、列车车尾、列车车厢连接处等位置布置测点并测量这些点的脉动压力值，测点布置情况如图12所示。测点均布置在列车中轴线上。

图12　列车纵向截面下脉动压力测点布置情况

本文选取几个具有代表性的监测点的脉动压力时域图进行分析，如图13～15所示。

通过观察脉动压力时域图可以看出：高速列车表面压力是随时间不断变化的。由图13可以看出：列车头部的脉动压力变化梯度较大，表明脉动压力的分布与列车的结构有关，即表面曲率变化大的部位脉动压力的绝对值也较大，表面曲率变化小的部位脉动压力的绝对值也较小。对比图13～15可以发现：相对于中间车厢和尾部车厢，列车头部车厢的脉动压力较大，表明脉动压力的分布不仅与列车的结构有关，还受列车表面流态的影响。列车的头部和尾部曲率变化大，容易产生气流分离形成涡流，因此列车头部和尾部车厢的脉动压力变化明显大于中间车厢；列车车头和尾部车厢外形相同，曲率变化一致，由于尾部漩涡影响和能量的耗散，尾部车厢的脉动压力变化要明显小于车头的脉动压力变化。

图13　车头监测点脉动压力时域图

图14　中间车监测点脉动压力时域图

图15　尾车监测点脉动压力时域图

5列车气动噪声频谱分析

通过脉动压力时域图只能看出脉动压力随时间的变化，在FLUENT中通过快速傅里叶变换可以将时域图转化为脉动压力级频谱图，以观察列车频谱的结构特性。图16为选出的3个监测点的脉动压力级频谱图。

图16　监测点脉动压力级频谱图

从图16可以看出：各监测点气动噪声的频带很宽,没有明显的主频率,在低频段时脉动压力级幅值均较大；随着频率的升高,各点的幅值都持续下降，在高频段时脉动压力级幅值较小。脉动压力的能量主要集中在2 000 Hz频率范围以内。3点的脉动压力级频谱图很相似，只是在数值上稍有差别。车头和车尾的脉动压力级要高于中间车厢的脉动压力级，这是由气流被压缩或者分离形成的涡流引起的。

6结论

1) 列车在高速运行时，来流被车头所阻，产生强烈的空间扰流，形成复杂的涡流，车头处脉动压力最大。

2) 稳态瞬态计算表明：表面声功率级和脉动压力级最大值都出现在鼻锥、雨刷器等表面曲率变化较大的部位。如果使车体各部位平滑过渡则可以有效减小气动噪声。

3) 当气流流经车身连接处时，气流下沉后被后部车厢所阻，在空腔内形成涡流，引起噪声。加装导流罩可以减小气动噪声。

4) 总体上，脉动压力级是随着频率的升高呈降低趋势。能量在低频段较大，随着频率的升高，各点的幅值都持续下降：车头的脉动压力级低频时幅值最大，大约在95 dB；车尾脉动压力级幅值在80 dB左右；中间车脉动压力级幅值在75 dB左右。车头的突起位置对气动噪声的贡献最大。

参考文献：

[1]THOMPSON D J.Railway Noise and Vibrations:Mechanisms,Modeling and Means of Control[M].Oxford：Elsevier Science,2009：6-9.

[2]ALOTTE C.Wind turbulence effects on aerodynamic noise[J].Journal of Sound and Vibration，2000，231(3)：549-562.

[3]冯宜彬，过学迅.FLUENT在汽车空气动力学研究中的应用[J].北京汽车.2008(2)：38-42.

[4]徐俊伟,吴亚锋,陈耿.气动噪声数值计算方法的比较与应用[J].噪声与振动控制,2012(4):6-8.

[5]FELTEN F,FAUTRELLE Y,DU TERRAIL Y,et al.Numerical modeling of electromagnetically-driven turbulent flows using LES methods [J].Applied Mathematical Modeling,2004,28(1):15-27.

[6]傅德薰,马延文,李新亮，等.可压缩湍流直接数值模拟[M].北京:科学出版社，2010：3-6.

[7]TOSHIO K,KOZO K.A Review of CFD Method and Their Application to Automobile Aerodynamics [J].SAE,1992(5)：337-388.

[8]ALBERT R G.Automobile Aerodynamic Noise[J].Noise,1990(10):900315.

(责任编辑刘舸)

Numerical Simulation of Aerodynamic Noise forHigh-Speed Train in Exterior Flow Field

PAN Zhong，LU Sen-lin

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

Abstract:Based on Reynolds averaged numerical simulation, we had the steady exterior flow field of high-speed train with FLUENT software and analyzed the surfaces’ noise source of high-speed train in Broad Noise Source Model with FLUENT software. Secondly, the fluctuating pressure on the surface of high-speed train was calculated and obtained by analyzing the external flow field using large eddy simulation. And we transformed the time domain into the frequency domain through the fast Fourier transforming. Some aerodynamic noise characteristics for high-speed train were received by the analysis of pulsating pressure level power spectrum.

Key words:aerodynamic noise; LES; fluctuating pressure

收稿日期：2015-03-09

基金项目：教育部博士点基金资助项目(20103227110009)

作者简介：潘忠(1990—)，男，江苏淮安人，硕士研究生，主要从事振动与噪声控制方面的工作。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.05.002

中图分类号：U260；U270

文献标识码：A

文章编号：1674-8425(2016)05-0008-07

引用格式：潘忠，陆森林.高速列车外流场气动噪声数值模拟研究[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2016(5):8-14.

Citation format：PAN Zhong，LU Sen-lin.Numerical Simulation of Aerodynamic Noise for High-Speed Train in Exterior Flow Field[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(5):8-14.