高速列車氣動噪聲特性分析與降噪研究.pdf

1、隨著列車運行速度的提高，氣動噪聲成為高速列車噪聲中越來越重要的組成部分。研究高速列車氣動噪聲的預測方法及控制方法具有重要的意義。針對高速列車氣動噪聲問題，本文建立高速列車車外及車內氣動噪聲的計算方法，研究主要氣動噪聲源部位的遠場輻射氣動噪聲特性。建立高速列車流線型頭型的多目標優(yōu)化設計模型，對高速列車流線型頭型進行減阻降噪優(yōu)化設計。建立低壓環(huán)境下真空管道高速列車空氣動力學計算模型，研究真空管道高速列車的氣動阻力和氣動噪聲源特性。
　

2、　根據(jù)高速列車近地面運行的實際情況，分別由FW-H方程和Kirchhoff方法出發(fā)，利用半自由空間的Green函數(shù)，推導考慮地面效應的高速列車遠場聲學積分公式，并研究地面聲阻抗對高速列車遠場氣動噪聲的影響。由于地面效應的存在，原來的自由聲場相當于真實列車聲場和鏡像列車聲場的疊加，且作用于鏡像列車上的法向運動速度和力源與真實列車上的相同?？紤]到空氣介質往往是運動的，由廣義Lighthill方程出發(fā)，推導考慮介質運動和地面效應的高速列車遠場

3、聲學積分公式。
　　建立高速列車遠場氣動噪聲計算的氣動聲學模型方法和混合計算方法，對高速列車車頭及受電弓遠場氣動噪聲進行計算分析。氣動聲學模型方法和混合計算方法得到的遠場測點的聲壓頻譜基本相同。高速列車車頭遠場氣動噪聲具有寬頻特性，主要能量集中在1800Hz～2800Hz。高速列車受電弓遠場氣動噪聲頻帶較窄，主要能量集中在100～700Hz。高速列車車頭和受電弓的遠場測點的等效連續(xù)A計權聲壓級近似與列車速度的對數(shù)成線性關系。高速列

4、車的頭部控制線形狀對高速列車遠場氣動噪聲具有較明顯的影響，平直縱向剖面線和方形水平剖面線組合下的頭型所產(chǎn)生的氣動噪聲最小，鼓形縱向剖面線和錐形水平剖面線組合下的頭型所產(chǎn)生的氣動噪聲最大。
　　基于計算流體動力學和統(tǒng)計能量分析法建立高速列車車內氣動噪聲的計算方法。根據(jù)統(tǒng)計能量分析法的基本原理，建立高速列車車內氣動噪聲計算模型，并計算模型中各個子系統(tǒng)的基本參數(shù)，即模態(tài)密度、內損耗因子和耦合損耗因子。利用大渦模擬方法獲得各個車身子系統(tǒng)上

5、的平均脈動壓力譜，進而對高速列車車內氣動噪聲進行計算分析。從線性計權聲壓級來看，司機室聲腔和乘客室聲腔的聲壓具有低頻特性。從A計權聲壓級來看，司機室聲腔和乘客室聲腔的聲壓的顯著頻帶范圍較寬，司機室聲腔的噪聲能量主要集中在100Hz～2000Hz，乘客室聲腔的噪聲能量主要集中在50Hz～2000Hz。司機室聲腔和乘客室聲腔的線性計權聲壓級和A計權聲壓級均與列車速度的對數(shù)近似成線性關系。
　　建立高速列車流線型頭型的多目標優(yōu)化設計方法

6、，以氣動阻力和偶極子噪聲源為優(yōu)化目標，對高速列車流線型頭型進行多目標自動優(yōu)化設計。利用CATIA軟件建立高速列車三維參數(shù)化模型，提取出5個優(yōu)化設計變量，利用自編MATLAB程序和CATScript腳本文件實現(xiàn)高速列車流線型頭型的自動變形。采用腳本文件和批處理命令實現(xiàn)高速列車空氣動力學計算網(wǎng)格的自動劃分及高速列車繞流流場的自動計算，利用多目標遺傳算法NSGA-Ⅱ對優(yōu)化設計變量進行自動更新，實現(xiàn)高速列車流線型頭型的多目標自動尋優(yōu)設計。通過研

7、究優(yōu)化目標與優(yōu)化變量之間的相關性，得到影響優(yōu)化目標的關鍵優(yōu)化設計變量，進而得到關鍵優(yōu)化設計變量和優(yōu)化目標之間的非線性關系。通過與原始流線型頭型氣動性能的對比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的流線型頭型最大可使高速列車的氣動阻力降低4.54％，使高速列車的偶極子噪聲源減少4.95dB。為減少多目標優(yōu)化計算時間，利用徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡建立高速列車空氣動力學計算的近似計算模型，為提高近似計算模型在整個優(yōu)化設計空間內的近似效果，采用最優(yōu)拉丁方設計方法獲得徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡

8、的輸入和輸出。近似計算模型得到的氣動阻力的預測值與實際值的誤差小于1％，而偶極子噪聲源的預測值與實際值的誤差小于3dB，近似計算模型具有較好的近似效果，且采用近似計算模型優(yōu)化計算獲得的Parto前沿與采用真實模型優(yōu)化計算獲得的Pareto前沿相差不大。
　　建立低壓(0.01atm～0.1atm)環(huán)境下真空管道高速列車空氣動力學計算的流體模型、數(shù)學模型和數(shù)值模型，研究管道壓力、阻塞比和列車速度對高速列車阻力系數(shù)、氣動阻力、偶極子噪

9、聲源和四極子噪聲源的影響，并以明線上運行速度為400km/h的高速列車氣動阻力為限值，確定出真空管道高速交通系統(tǒng)的最佳管道壓力、阻塞比和列車速度關系。在低壓環(huán)境下，真空管道中的空氣流動可以采用連續(xù)介質模型描述。高速列車的氣動阻力系數(shù)基本上與管道壓力和列車速度無關，主要依賴于阻塞比。高速列車的氣動阻力與管道壓力成線性關系，與列車速度成平方關系，且隨著阻塞比的增加而增大。高速列車偶極子噪聲源和四極子噪聲源均與列車速度的對數(shù)近似成線性關系，當

10、列車速度為600km/h時，四極子噪聲源較小，偶極子噪聲源占據(jù)主導地位，隨著列車速度的提高，四極子噪聲源變得明顯，并占據(jù)主導地位。為模擬更稀薄環(huán)境下的真空管道空氣流動特性，建立適用于滑移區(qū)和過渡區(qū)稀薄氣體流動的格子Boltzmann模型，并對二階速度滑移邊界條件進行檢驗。研究發(fā)現(xiàn)，Guo模型、Hisa模型、Zhang模型表現(xiàn)較好。采用Guo模型對滑移區(qū)和過渡區(qū)的稀薄氣體流動進行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)當稀薄參數(shù)取1.64時，計算得到的無量綱速度剖