可穿透积分模型下 转向架气动噪声贡献分析

杨坤 张海峰 谢宜斌

为寻找高速列车主要噪声源并提出解决方案，本文基于可穿透积分模型进行仿真模拟，计算得出转向架气动贡献量，仿真结果发现：300km/h速度级下转向架的噪声贡献量高达98.76%；速度增大转向架对气动噪声的贡献比例越大，车身的噪声贡献比例相对降低。

高速铁路的噪声中电弧噪声、轮轨噪声、气动噪声占总噪声量的90%以上，而当列车高速运行时，空气动力噪声逐渐趋向主导地位。历年来，研究者们对噪声的测量手段不断变化。1955年Curle成功解决了圆柱漩涡脱体诱发的噪声等问题。1969年，Ffowcs Williams和Hawking提出FWH方程成为解决噪声辐射问题的有效工具。国内外研究表明转向架区域是车辆噪声的主要噪声源，而且随列车速度增大转向架的噪声逐渐占据主导地位，本文将结合声学积分方法与CAA/CFD数值模拟匹配的应用，通过人工构建可穿透的假想封闭边界，提取近场输入的流场脉动信息，利用远场声学等效近场声学的手段，得出近场声学噪声值，然后计算转向架噪声在其中所占比例。

一、可穿透积分模型计算

本章采用CRH2单车身模型、带转向架模型2种模型，针对明线单车200km/h、300km/h速度进行数值仿真，做网格划分，模型最小网格线尺度0.001m，总网格数约870万（图1）。

图1 计算网格

在列车周围足够远的位置人工构建可穿透半径15m的圆柱形假想封闭边界，提取的圆柱体网格点上的流场脉动信息，采用FW-H模型得到远场的噪声结果，分析转向架对气动噪声的贡献。考虑地面声反射效应，近似取地面反射系数为1，利用镜面反射模型描述地面上声传播的半无限空间模型，因此本文采用半圆柱形简化模式。在下面的数值计算中，均采用这种积分边界和网格形式，边界积分单元16899个，积分节点24282个（图2）。

图2 简化的可穿透积分边界的积分网格和脉动信息

针对 200km/h、300km/h速度级下 CRH2单车身模型在距离轨线中心30m的位置安放积分监测点，得到测点声级分别为84.44dBA、92.86dBA，为得到实际距离下距离车体4m远，高1.2m处噪声的测量值，需要将30m距离等效到4m距离，即噪声级增加17.5dBA（20lg7.5），从而得到观测点（4m，1.2m）处的A声级分别为101.94dBA、110.36dBA。同理针对200km/h、300km/h速度级下 CRH2带转向架模型，在距离轨线中心20m的位置安放积分监测点，得到监测点的声级分别为91.38dBA、101.88dBA，等效（4m，1.2m）处的A声级分别为105.38dBA、115.88dBA（图3-6）。

图3 200km/h速度单车身模型时域图

图4 300km/h速度单车身模型时域图

图5 200km/h速度转向架模型时域图

图6 300km/h速度转向架模型时域图

二、转向架气动噪声贡献分析

N个声源的总声压级应为：

现在将车身和转向架视为两个噪声源，则200km/h速度级下，二者在4m处观测点产生的总声压级为105.38 dB(A)，单车身产生的噪声级为101.94 dB(A)，带入公式得到200km/h速度级下转向架产生的噪声级：

同理可得300km/h速度级下转向架产生的噪声级：

200km/h速度级下，车身+转向架总噪声级105.38dBA，车身噪声级101.94dBA，转向架噪声级102.76dBA，车身噪声贡献比例96.73%，转向架噪声贡献比例97.51%。300km/h速度级下，车身+转向架总噪声级115.88dBA，车身噪声级110.36dBA，转向架噪声级114.45dBA，车身噪声贡献比例95.23%%，转向架噪声贡献比例98.76%（表1）。

表1 不同速度级下车身和转向架噪声贡献率

三、结语

本文将车身和转向架分别作为噪声源进行仿真模拟，计算200km/h和300km/h速度级下CRH2车单车身模型、带转向架模型的噪声，计算车身和转向架对于整车的噪声贡献比，得出以下结论：（1）转向架产生的气动噪声级比车身产生的气动噪声级大；（2）随着速度的增加，转向架对气动噪声的贡献比例从97.51%增大到98.76%，车身的噪声贡献比例从96.73%降低到95.23%。说明速度增加后，转向架产生气动噪声比例逐渐提高，转向架成为主要噪声源，因此优化转向架结构比优化车体所达到的降噪效果更为理想的。