高速列車氣動(dòng)噪聲特性分析與降噪研究.pdf

1、隨著列車運(yùn)行速度的提高，氣動(dòng)噪聲成為高速列車噪聲中越來(lái)越重要的組成部分。研究高速列車氣動(dòng)噪聲的預(yù)測(cè)方法及控制方法具有重要的意義。針對(duì)高速列車氣動(dòng)噪聲問(wèn)題，本文建立高速列車車外及車內(nèi)氣動(dòng)噪聲的計(jì)算方法，研究主要?dú)鈩?dòng)噪聲源部位的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射氣動(dòng)噪聲特性。建立高速列車流線型頭型的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，對(duì)高速列車流線型頭型進(jìn)行減阻降噪優(yōu)化設(shè)計(jì)。建立低壓環(huán)境下真空管道高速列車空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，研究真空管道高速列車的氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)噪聲源特性。
　

2、　根據(jù)高速列車近地面運(yùn)行的實(shí)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(dǎo)考慮地面效應(yīng)的高速列車遠(yuǎn)場(chǎng)聲學(xué)積分公式，并研究地面聲阻抗對(duì)高速列車遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)噪聲的影響。由于地面效應(yīng)的存在，原來(lái)的自由聲場(chǎng)相當(dāng)于真實(shí)列車聲場(chǎng)和鏡像列車聲場(chǎng)的疊加，且作用于鏡像列車上的法向運(yùn)動(dòng)速度和力源與真實(shí)列車上的相同。考慮到空氣介質(zhì)往往是運(yùn)動(dòng)的，由廣義Lighthill方程出發(fā)，推導(dǎo)考慮介質(zhì)運(yùn)動(dòng)和地面效應(yīng)的高速列車遠(yuǎn)場(chǎng)

3、聲學(xué)積分公式。
　　建立高速列車遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)噪聲計(jì)算的氣動(dòng)聲學(xué)模型方法和混合計(jì)算方法，對(duì)高速列車車頭及受電弓遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)噪聲進(jìn)行計(jì)算分析。氣動(dòng)聲學(xué)模型方法和混合計(jì)算方法得到的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)的聲壓頻譜基本相同。高速列車車頭遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)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(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)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(yuǎn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)的等效連續(xù)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)近似與列車速度的對(duì)數(shù)成線性關(guān)系。高速列

4、車的頭部控制線形狀對(duì)高速列車遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)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(dòng)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(dòng)噪聲最大。
　　基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和統(tǒng)計(jì)能量分析法建立高速列車車內(nèi)氣動(dòng)噪聲的計(jì)算方法。根據(jù)統(tǒng)計(jì)能量分析法的基本原理，建立高速列車車內(nèi)氣動(dòng)噪聲計(jì)算模型，并計(jì)算模型中各個(gè)子系統(tǒng)的基本參數(shù)，即模態(tài)密度、內(nèi)損耗因子和耦合損耗因子。利用大渦模擬方法獲得各個(gè)車身子系統(tǒng)上

5、的平均脈動(dòng)壓力譜，進(jìn)而對(duì)高速列車車內(nèi)氣動(dòng)噪聲進(jìn)行計(jì)算分析。從線性計(jì)權(quán)聲壓級(jí)來(lái)看，司機(jī)室聲腔和乘客室聲腔的聲壓具有低頻特性。從A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)來(lái)看，司機(jī)室聲腔和乘客室聲腔的聲壓的顯著頻帶范圍較寬，司機(jī)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(jī)室聲腔和乘客室聲腔的線性計(jì)權(quán)聲壓級(jí)和A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)均與列車速度的對(duì)數(shù)近似成線性關(guān)系。
　　建立高速列車流線型頭型的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

6、，以氣動(dòng)阻力和偶極子噪聲源為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)高速列車流線型頭型進(jìn)行多目標(biāo)自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用CATIA軟件建立高速列車三維參數(shù)化模型，提取出5個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，利用自編MATLAB程序和CATScript腳本文件實(shí)現(xiàn)高速列車流線型頭型的自動(dòng)變形。采用腳本文件和批處理命令實(shí)現(xiàn)高速列車空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算網(wǎng)格的自動(dòng)劃分及高速列車?yán)@流流場(chǎng)的自動(dòng)計(jì)算，利用多目標(biāo)遺傳算法NSGA-Ⅱ?qū)?yōu)化設(shè)計(jì)變量進(jìn)行自動(dòng)更新，實(shí)現(xiàn)高速列車流線型頭型的多目標(biāo)自動(dòng)尋優(yōu)設(shè)計(jì)。通過(guò)研

7、究?jī)?yōu)化目標(biāo)與優(yōu)化變量之間的相關(guān)性，得到影響優(yōu)化目標(biāo)的關(guān)鍵優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，進(jìn)而得到關(guān)鍵優(yōu)化設(shè)計(jì)變量和優(yōu)化目標(biāo)之間的非線性關(guān)系。通過(guò)與原始流線型頭型氣動(dòng)性能的對(duì)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(dòng)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(biāo)優(yōu)化計(jì)算時(shí)間，利用徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立高速列車空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算的近似計(jì)算模型，為提高近似計(jì)算模型在整個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)空間內(nèi)的近似效果，采用最優(yōu)拉丁方設(shè)計(jì)方法獲得徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

8、的輸入和輸出。近似計(jì)算模型得到的氣動(dòng)阻力的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的誤差小于1％，而偶極子噪聲源的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的誤差小于3dB，近似計(jì)算模型具有較好的近似效果，且采用近似計(jì)算模型優(yōu)化計(jì)算獲得的Parto前沿與采用真實(shí)模型優(yōu)化計(jì)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(dòng)力學(xué)計(jì)算的流體模型、數(shù)學(xué)模型和數(shù)值模型，研究管道壓力、阻塞比和列車速度對(duì)高速列車阻力系數(shù)、氣動(dòng)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(yùn)行速度為400km/h的高速列車氣動(dòng)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(guān)系。在低壓環(huán)境下，真空管道中的空氣流動(dòng)可以采用連續(xù)介質(zhì)模型描述。高速列車的氣動(dòng)阻力系數(shù)基本上與管道壓力和列車速度無(wú)關(guān)，主要依賴于阻塞比。高速列車的氣動(dòng)阻力與管道壓力成線性關(guān)系，與列車速度成平方關(guān)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(duì)數(shù)近似成線性關(guān)系，當(dāng)

10、列車速度為600km/h時(shí)，四極子噪聲源較小，偶極子噪聲源占據(jù)主導(dǎo)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(dǎo)地位。為模擬更稀薄環(huán)境下的真空管道空氣流動(dòng)特性，建立適用于滑移區(qū)和過(guò)渡區(qū)稀薄氣體流動(dòng)的格子Boltzmann模型，并對(duì)二階速度滑移邊界條件進(jìn)行檢驗(yàn)。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(duì)滑移區(qū)和過(guò)渡區(qū)的稀薄氣體流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)當(dāng)稀薄參數(shù)取1.64時(shí)，計(jì)算得到的無(wú)量綱速度剖