CRH380A型高速列车气动噪声数值模拟研究

摘要

随着高速铁路事业的发展,高速列车运行速度不断提高,列车的通过噪声显著增加,由于气动噪声与列车运行速度的4～8次方成正比,气动噪声有可能成为高速列车的主要噪声源。通过基于Lighthill声类比理论的混合方法,采用大涡模拟法和结合完美匹配层边界条件、高阶单元的有限元法,计算分析了CRH380A型高速列车的气动噪声情况,主要工作内容及结论如下:
　　1.建立CRH380A型高速列车外流场计算模型,采用大涡模拟法计算了多个速度工况下的流体运动状态,将车身表面脉动压力数据转换为表面偶极子声源,分析了表面偶极子声源的分布规律与频域特性。高速列车表面偶极子声源是宽频噪声,在50～1100Hz的频域内稳定存在强噪声源。归纳了不同运行速度下整车表面偶极子声源声压级的方程,并证明了该结果与“6次方”理论相匹配。转向架、车厢连接处、车头导流板、车尾鼻尖是高速列车的强噪声源位置,对整车噪声有显著贡献。
　　2.将车身表面偶极子声源作为边界条件,通过结合完美匹配层边界条件和高阶单元的有限元法计算分析了远场噪声的分布规律、噪声横向衰减规律、标准测点处噪声频域特性与时域等效声压级。高速列车外部空间气动噪声在不同方向的指向性大小是不一致的。随着横向受声点距车身距离的增加,受声点处的噪声声压级按对数规律衰减。列车运行速度为300km/h时,标准测点处的噪声时域等效声压级为85.90dB,与线路实测值接近,随着运行速度增加,标准测点处噪声声压级增加。
　　3.综合考虑整车表面偶极子声源统计平均声压级、局部强噪声源声压级、标准测点处噪声的频域特性与时域等效声压级,对比了CRH380A与CRH2、CRH3型高速列车的气动噪声特性差异,CRH2型车的气动噪声性能最优,CRH380A型车次之,CRH3型车的气动噪声性能最差。在标准测点处测得的CRH380A型车时域等效平均声压级仅比CRH2型车高了2.64 dB,而CRH3型车较CRH2型车高了7.14dB。
　　4.在偶极子声源的基础上同时考虑四极子声源的影响,计算分析了CRH380A型高速列车的远场噪声分布以及标准测点处的噪声频域特性,并与仅考虑偶极子声源时的情况对比。经分析得:低频四极子声源集中分布在列车尾部与列车上方,随着频率的增加,四极子声源的影响由车尾逐渐向车身周围以及车头转变,与偶极子声源的分布趋于一致。四极子声源较偶极子声源有更显著的高频特性。四极子声源的引入使列车各速度工况下的标准测点处噪声声压级均增长10％左右。
　　5.计算分析了高速列车气动噪声在声屏障作用下的传播规律,并对比了不同高度、形状、吸声属性的声屏障对列车外部空间气动噪声的降噪效果,结果表明:安装直立型声屏障后,噪声横向传播趋势明显减弱,标准测点处的噪声声压级在整个频域内下降约3～10dB,且声屏障对高频噪声的降噪效果优于对低频噪声的降噪效果。声屏障的高度对气动噪声的阻隔效果有较大影响,声屏障每增加1m的高度,插入损失约增加1.2dB,综合考虑建设成本与降噪效果,顶端距轨面3050mm高的声屏障是最为合适的选择。不同形状的声屏障降噪效果差异不大,其中Y型声屏障的降噪效果最佳,较直立型声屏障插入损失增加了1.19dB。声屏障材料的吸声属性会直接影响声屏障的降噪效果,且越强的吸声属性会给声屏障带来越大的插入损失附加量。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状及不足

1．2．1 气动声学理论研究

1．2．2 高速列车气动噪声试验研究

1．2．3 高速列车气动噪声数值模拟研究

1．3 研究目标和技术路线

1．3．1 研究目标

1．3．2 技术路线

第2章 气动声学相关理论

2．1 气动声学理论基础

2．1．1 气动噪声源的分类

2．1．2 Lighthill声类比理论

2．1．3 Lighthill-Curle方程

2．1．4 FW-H方程

2．1．5 基于Lighthill声类比理论的混合计算方法

2．2 计算流体力学基本理论

2．2．1 流体流动的基本方程

2．2．2 湍流流动的数值模型

2．3 计算气动声学基本理论

2．3．1 声场控制方程的建立

2．3．2 声场计算的有限元法

2．3．3 完美匹配层与高阶单元

第3章 高速列车外部流场与表面偶极子声源计算分析

3．1 流场计算模型的建立

3．1．1 高速列车几何模型

3．1．2 流场数值计算区域

3．1．3 流场数值计算网格

3．1．4 流场数值计算流体属性

3．1．5 流场数值计算边界条件

3．2 高速列车外部流场计算分析

3．2．1 流场的稳态计算

3．2．2 流场的瞬态计算

3．3 高速列车表面偶极子声源计算分析

3．3．1 表面偶极子声源分布分析

3．3．2 表面偶极子声源频域特性分析

3．3．3 局部强声源频域特性分析

3．4 小结

第4章 高速列车外部空间气动噪声分析

4．1 高速列车外部空间偶极子噪声分析

4．1．1 声学有限元计算模型

4．1．2 采用有限元法进行声学数值计算的可行性分析

4．1．3 外部声场分布分析

4．1．4 外部声场指向性分析

4．1．5 噪声横向衰减规律分析

4．1．6 标准测点处噪声情况分析

4．1．7 不同车型标准测点处噪声特性的对比

4．2 考虑四极子声源的远场噪声分析

4．2．1 考虑四极子声源的声场有限元计算模型

4．2．2 考虑四极子声源的外部声场分布分析

4．2．3 考虑四极子声源的标准测点处噪声特性分析

4．3 小结

第5章 高速铁路声屏障对气动噪声的降噪效果分析

5．1 高速铁路声屏障降噪原理及其模型

5．1．1 声屏障降噪原理

5．1．2 考虑声屏障影响的声场有限元计算模型

5．2 直立声屏障对高速列车气动噪声的降噪分析

5．2．1 加入声屏障后的外部声场分布分析

5．2．2 有无声屏障时的指向性曲线对比

5．2．3 加入声屏障后的标准测点处噪声特性分析

5．3 不同声屏障条件对高速列车气动噪声的降噪分析

5．3．1 不同高度声屏障的降噪效果分析

5．3．2 不同形状声屏障的降噪效果分析

5．3．3 不同吸声属性声屏障的降噪效果分析

5．4 小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文