高速列車氣動噪聲仿真與試驗對比分析

馬曉龍，高 陽

(中國北車集團 長春軌道客車股份有限公司技術中心 基礎研發部，吉林 長春 130062)＊

0 引言

隨著高速列車技術的快速發展，噪聲影響越來越受到廣泛的關注.研究表明隨運行速度提高，牽引系統噪聲以及輪軌噪聲等機械噪聲以大約速度的3次方增加，而氣動噪聲則以速度的6次方左右快速增長，且列車運行速度超過250 km/h后氣動噪聲源將取代牽引系統噪聲以及輪軌噪聲成為主要噪聲源［1-2］.

目前，高速列車氣動噪聲的研究有計算機仿真、縮尺模型在聲學風洞中的氣動噪聲試驗和實車線路測試等方法.實車線路測試更為有效，可以直接測量車外噪聲，但需要耗費大量的人力物力，并且可執行的機會非常有限.

研究借助Actran建立某高速列車1∶8縮尺比例的三輛編組列車氣動噪聲CFD/CAA混合數值分析模型［3］，采用基于聲類比的氣動噪聲混合算法模擬外場氣動噪聲，并將仿真分析數據與聲學風洞中的試驗數據進行對比分析，驗證仿真分析結果的準確性.

1 基于聲類比的氣動噪聲混合算法

基于聲類比氣動噪聲混合算法最早由Lighthill先生提出.聲類比基于流場和聲場是非耦合的基本假設，低馬赫數(Ma ＜0.2 ～0.4)、高雷諾數(Re～106)、均勻介質傳播，氣體流動產生噪聲不影響流體內部動態［4］.

無外力作用的流體質量和動量守恒方程如下:

其中:ρ為流體密度;v為速度;p為壓力;τ為粘性力張量.

合并方程(1)和(2)，得到聲類比方程為

其中非定常聲源項中Lighthill張量為:

對于低馬赫數、高雷諾數的空氣流場，Lighthill張量可近似表示為:

遠離聲源區，密度表示為ρa=ρ-ρ0，則聲類比方程(3)表示為:

基于大渦模擬和聲類比混合算法，通過STAR-CCM+和ACTRAN兩種軟件計算高速列車氣動噪聲流程如圖1所示.

圖1 大渦模擬和聲類比的氣動噪聲混合算法流程圖

2 氣動噪聲仿真分析

(1)計算首先采用雷諾時均方法(RANS)得到非定常流場的初始準定常解，然后采用大渦模擬方法進行非定常流場計算［5］.為了更好地刻畫流動在近壁面邊界層內的行為，在近壁面位置均進行了邊界層網格劃分，建立了15個邊界層，第一層邊界層厚度設定為2.5×10-4m，相鄰兩層邊界層網格保持1.1倍的增長比.計算時需要統一非定常流場計算的時間步長和遠場聲場計算的時間步長.對于任意一個時間步長為Δt的噪聲時間序列而言，經 FFT變換后的最高頻率為1/(2Δt)Hz，N個CFD流體結果經FFT變換后的最低頻率為1/(NΔt)Hz.氣動噪聲為寬頻帶噪聲，如本文高速列車外場氣動噪聲計算的最高頻率為5 kHz，相對應的時間步長為1e-4 s，共計算了500步CFD流體結果，得到氣動噪聲計算的最低頻率為20 Hz.當非定常流場求解過程趨于平穩后，開始進入聲學計算模塊.由于CFD模型單元數達到3 000萬左右，如果直接輸出STAR-CCM+自身格式*.ccm結果，數據量較大，因此，為減少數據量，采用STAR-CCM+輸出中間格式Ensighgt結果方式，由于選擇不可壓求解，密度為定常值，只輸出速度參量，供Actran讀取.

(2)CAA湍流氣動噪聲分析步驟如下:①首先利用Actran中ICFD的功能，將CFD基本量(速度、密度、壓力)轉換為聲源;②劃分聲學網格，建立Actran聲學分析模型，將①中所獲得的聲源用積分法插值到聲學網格上;③執行傅里葉轉換，將時域聲學量轉換為頻域量;④利用Actran計算聲傳播，導出預設場點的聲場云圖和聲壓頻響函數.

聲學計算域網格(見圖2)，以三輛編組列車總長度L為特征長度，來流方向取L，出口方向取3 L，外場高度0.5 L，寬度取0.3 L，車體離地面高度為實車運行時輪軌接觸點距離地面高度.采用一階線性四面體單元及六面體單元劃分，考慮到計算效率與精度的平衡，共劃分四面體單元15 253 473個，六面體單元4 003 738個，節點總數4 532 785個.網格劃分保留了許多列車附屬部件，并加密了復雜結構處的網格分布，保證較精細的刻畫其結構特征.

圖2 聲學計算域網格

3 仿真分析結果

列車高速行駛過程中形成湍流脈動噪聲源，如圖3所示，該聲源在以地面為邊界的半無界空間進一步向遠場傳播，形成聲傳播分布云圖［6］，如圖4所示，從分析結果可以看出，列車高速行駛過程中主要聲源集中在車頭、受電弓、轉向架以及車尾部等地方，這些地方是關注的重點，因此，在提取聲源時必須對其進行網格細化，以便保證提取的聲源精確.經過聲傳播計算后發現列車附近的聲場分布都比較大.

圖3 湍流脈動噪聲源聲壓級(dB(A))分布云圖

圖4 聲傳播計算域聲壓級(dB(A))分布云圖

4 仿真與試驗數據對比

以250 km/h速度工況為例就列車的仿真分析數據與試驗數據進行對比，試驗在同濟大學上海地面交通工具風洞中心的氣動-聲學風洞試驗平臺上進行.試驗段尺寸為27 m×17 m×12 m，噴口面積27 m2，試驗段沿射流方向有效長度15 m.試驗段按照半消聲室設計，來自于風機的噪聲及流道內的氣動噪聲主要通過多級消聲處理得到控制，致使試驗段的背景噪聲滿足高速列車氣動噪聲的試驗需求［7］.列車模型為某高速列車的1∶8縮尺模型，由頭車、中間車和尾車組成，包含了列車附屬結構細節特征.

圖5 流場外傳聲器測點分布(高度0.8 m)

流場外對比測點如圖5所示，對比結果如圖6所示.測點1在1 000、1 600、2 000 Hz處仿真數據與試驗數據吻合度較高，測點2在600、1 600、3000 Hz處仿真數據與試驗數據吻合度較高，測點3在600、1 400、2 000 Hz處仿真數據與試驗詩句吻合度較高，測點4在600、1200、2400 Hz處仿真數據與試驗數據吻合度較高.

圖6 流場外測點仿真與試驗結果對比圖

5 結論

(1)仿真與試驗對比分析表明建立的仿真分析模型基本能夠反映聲學風洞中縮尺模型的試驗情況，仿真分析數據與試驗數據吻合度較高，在某些特征量上基本一致，為以后的設計改進和新車型的開發提供了一套可行的方法;

(2)列車高速行駛過程中的氣動噪聲在車頭、車尾、受電弓以及轉向架表面A計權總聲壓級分別達到 98、104、121、113 dB(A)，今后設計中應在以上部位多采取降噪措施;

(3)為獲得精確的聲場計算結果，需要減少CFD采樣時間步，增加采樣時長，即增加CFD計算的瞬態數據量，以反映真實的聲場變化情況.

［1］MARTENS A，WEDEMANN J，MEUNIER N，et al.High Speed Train Noise-SoundSource Localization at Fast Passing Trains［C］.Deutsche Bahn AG，Sociedad Espanola de Acustica，S.E.A.，2009.

［2］LAUTERBACH A，EHRENFRIED K ，KROBER S，et al.Microphone ArrayMeasurementsonHigh-speed Trains in Wind Tunnels［C］.Berlin Beamforming Conference，2010.

［3］王丹，白俊強，黃江濤，等.基于轉捩/尺度適應模型與FW-H聲學方程的氣動噪聲數值模擬研究［J］.計算力學學報，2013(5):704-711.

［4］劉加利，張繼業，張衛華.高速列車車頭的氣動噪聲數值分析［J］.鐵道學報，2011(9):19-26.

［5］孫振旭，王一偉，安亦然.高速列車氣動噪聲的計算研究［J］.水動力學研究與進展(A 輯)，2010(5):660-668.

［6］MARTENS A，WEDEMANN J，MEUNIER N，et al.High Speed Train Noise-Sound Source Localization at Fast Passing Trains，Deutsche Bahn AG［C］.Sociedad Espanola de Acustica，S.E.A.，2009.

［7］LAUTERBACH A，EHRENFRIED K，KROBER S，et al.Microphone Array Measurements on High-speed Trains in Wind Tunnels［C］.Berlin Beam forming Conference，2010.