不同形式风挡的高速列车气动噪声数值模拟研究

杨恩宇，赵博洋

（1.昆明铁道职业技术学院，昆明 650200；2.新疆铁道职业技术学院，乌鲁木齐 830011）

0 引言

总体而言，高速列车是一种相对环保的交通运输方式，但是其运行过程中的噪声污染仍然不可忽略，列车运行中的噪声主要包括牵引噪声、机械噪声及气动噪声，当列车速度较低时，列车噪声以牵引噪声和机械噪声为主，当列车运行速度较高时，列车噪声以气动噪声为主。当列车在稠密介质（一般指空气）中高速运行时，列车周围气体发生一系列的运动和变化，其中包括车体壁面和空气的摩擦、空气与空气之间的摩擦，气体在列车周围形成不规则涡流从而引发振动，导致气动噪声的发生[1-2]。

影响高速列车气动性能的主要局部包括列车头型、转向架及裙板、受电弓及导流罩、风挡，本文选取风挡局部作为研究对象。风挡是两节车辆的连接装置，分为内风挡和外风挡，内风挡主要用于沟通两节车厢，方便旅客通行，外风挡则可在一定程度上改善列车的气动性能。风挡的材质有很多种，包括帆布、铁、橡胶等[3]。

1 气动声学的研究方法

人们在很早以前就意识到气动噪声的存在，但气动声学的研究起步较晚，20世纪50年代，英国科学家Lighthill的声学类比理论的提出，开启了现代声学研究的先河，以他名字命名的Lighthill气动声学基本方程奠定了当今气动声学研究的基础。后来的科学家在Lighthill的基础上提出新的见解和理论，不断丰富完善着气动声学研究的版图，Powell提出了漩涡发声机制，Ffowcs Williams与Hawkings提出了FW-H方程，FW-H方程可用于解决运动固体壁面在流场中引起的声波问题，特别适用于高速列车流场。

具体到高速列车的气动噪声研究，研究方法主要包括实车试验研究、风洞试验研究及数值模拟研究。其中实车试验研究效果最好，最能真实反映高速列车运行时的气动噪声情况，但该方法成本较高，需要诸多客观条件。我国铁道科学研究院、西南交通大学牵引动力试验室曾在真实线路上做了气动噪声的实车测试与研究，测试获得了列车气动阻力、气动噪声等一系列数据并进行了相关研究[4-6]。

风洞试验也是一种高速列车空气动力学的常用研究方式，高阳[7]在风洞中布置3辆编组的列车模型，并在周围设置声学传感器，研究表明，列车头部、受电弓、车端连接处及排障器是高速列车气动噪声的主要来源。但风洞研究也有其存在的问题，例如一般风洞底面固定，这不符合列车与地面相对运动的实际情况，若要真实模拟，需设置移动地面风洞，难度较大。同时一般风洞本身具有一定的噪声，采用静音风洞进行研究成本较高。

数值模拟研究是目前研究高速列车气动噪声的常见方法之一，该方法是数值计算和计算机技术发展的产物，通过计算机数值模拟，可较为经济方便地得到高速列车相关的气动性能参数[8]。郑拯宇等[9]通过数值模拟的方法计算分析了高速列车表面偶极子声源的分布情况。袁磊等[10]通过数值模拟的方法探究了高速列车外的噪声分布规律。

本文采用数值模拟的研究方法，对配置不同形式风挡的高速列车的气动噪声进行研究，其理论基础依然是Lighthill气动声学方程。

2 气动声学理论

根据NS方程推导得出的Lighthill气动声学方程为

图1 噪声测试实车试验场景

图2 噪声测试风洞模型试验

列车壁面与空气发生摩擦，列车周围的空气发生不规则涡流引发空气之间的摩擦。这种情况是一种固体壁面在流体中发生作用的情况，基于Kirchhoff积分方法，Curle得到了该种情况下Lighthill方程的一般解：

考虑到高速列车在大气中的高速运行情况，可适用FW-H方程，该方程可用于解决运动固体壁面在流场中引起的声波问题：

3 模型的建立

参照CRH380A型动车组建立3辆编组的高速列车模型，整车模型如图3所示。并根据中国铁路动车组实际情况建立3 种风挡模型：仅具内风挡，内风挡+半开放式外风挡，内风挡+全封闭式外风挡。3种风挡模型如图4所示。

图3 整车模型

图4 不同形式的风挡模型

4 数值模拟计算

根据流致发声原理的解释，高速列车在大气中运行所产生的噪声主要来源于流体涡旋，具体而言，一方面是车体周围的脉动压力，另一方面是由于列车从大气中穿行导致的空气密度的变化，二者共同作用发生噪声。

瞬态流场计算需以稳态流场计算结果为初始条件进行再计算，如此能尽可能地避免结果发散，且能大量节省计算时间。为了满足噪声场极小的变化，采用大涡模拟的方法进行数值模拟计算，因此对计算机的计算能力和网格的细密程度也提出了较高的要求。为了合理设定计算步长，通过Nyquist定理确定取4000个时间步长。瞬态计算后得到高速列车在速度为300 km/h时的高速列车表面动态压力分布，如图5所示。从图5中可以看出，高速列车头部、尾部及车厢连接处的动压明显高于其他部位，这些局部对高速列车气动噪声的贡献较大。

图5 列车表面动压分布

根据Lighthill提出的声源分类方法，气动噪声声源可分为3种不同的类型：单极子声源，偶极子声源和四极子声源。其中：单极子声源类似一种脉动球源，该类声源的辐射声功率正比于空气速度的4次方；偶极子声源可类比于一种振动球源，它的辐射声功率较大，正比于空气速度的6次方；四极子声源主要产生于空气与空气之间的相互作用，它的功率正比于空气速度的8次方。本文中研究的高速列车被认为具有刚性壁面，因此不考虑单极子声源，又因为四极子声源对高速列车影响较小，故本研究中主要针对高速列车的偶极子声源进行计算和研究，该简化考虑到计算机有限的计算能力，同时不会对计算结果产生太大影响。

4.1 整车表面偶极子声源频谱分析

在对高速列车气动流场通过大涡模拟的方法进行瞬态计算后，采用傅里叶变换对列车表面的脉动压力进行转换，将时域信息转换为频域信息。首先对整车表面偶极子声源进行频谱分析，为了使分析结果更具代表性，在全车取120个测试点后取平均值进行分析，分别研究200、300、400 km/h三种速度工况，同时由于A计权声压级的计算方法中低频和高频段声压级会适当削减，更接近人耳所听到的情况，因此取列车表面偶极子声源统计平均A计权声压级进行频谱分析，结果如图6所示。

从图6中可以看出，3种速度下的频谱曲线基本平行，声压级随着高速列车运行速度的提高而增加，同时可以看出A计权声压级的高频段和低频段声压级较小，在200～1000 Hz之间较高，形成了一个宽频段。

图6 整车声压级频谱

4.2 不同形式风挡附近偶极子声源频谱比较

现为整车模型分别配备仅具内风挡、内风挡+半开放式外风挡及内风挡+全封闭式外风挡等3种不同形式的风挡，将空气来流速度设为300 km/h，比较不同配置高速列车风挡附近的表面偶极子声源平均A计权声压级频谱，如图7所示。对比图7与图6可以看出，与整车表面偶极子声源相比，风挡局部表面偶极子声源的平均A计权声压级明显更高，低频段增加也非常明显，宽频区域也更大，这也说明了风挡局部是全车主要噪声来源之一。

从图7中可以看出，不同形式风挡附近表面声压级频谱曲线接近于平行，仅具内风挡工况在高频段声压级走势发生“上翘”现象，说明该种形式风挡易产生高频噪声，而内风挡+全封闭式外风挡工况在高频段则明显“下坠”，说明采用该形式风挡的高速列车在风挡局部较少产生高频噪声。3种风挡工况的风挡局部表面最大声压级如表1所示。

图7 不同形式风挡附近声压级频谱

表1 不同形式风挡表面最大声压级 dB

从图7和表1中可以看出，相同速度工况下，仅采用内风挡的高速列车在风挡处的表面偶极子声源声压级最高，增加半开放式外风挡后，声压级有所减小，而采用内风挡+全封闭式外风挡的高速列车风挡附近的声压级最小，说明采用全封闭式外风挡对减小高速列车的气动噪声效果良好。3种风挡局部噪声排序为：仅具内风挡＞内风挡+半开放式外风挡＞内风挡+全封闭式外风挡。

5 结论

1）高速列车头部、尾部及车厢连接处的动压明显高于其他部位，这些局部对高速列车气动噪声的贡献较大；2）不同速度下的高速列车频谱曲线基本平行，声压级随着高速列车运行速度的提高而增加，同时可以看出A计权声压级的高频段和低频段声压级较小，在200～1000 Hz之间较高，形成了一个宽频段；3）与整车表面偶极子声源相比，风挡局部表面偶极子声源的平均A计权声压级明显更高，低频段增加也非常明显，宽频区域也更大，这也说明了风挡局部是全车主要噪声来源之一；4）3种风挡局部噪声由大到小顺序为：仅具内风挡＞内风挡+半开放式外风挡＞内风挡+全封闭式外风挡，即内风挡+全封闭式外风挡的降噪效果最好。