可穿透積分模型下 轉向架氣動噪聲貢獻分析

楊坤 張海峰 謝宜斌

為尋找高速列車主要噪聲源并提出解決方案，本文基于可穿透積分模型進行仿真模擬，計算得出轉向架氣動貢獻量，仿真結果發現：300km/h速度級下轉向架的噪聲貢獻量高達98.76%；速度增大轉向架對氣動噪聲的貢獻比例越大，車身的噪聲貢獻比例相對降低。

高速鐵路的噪聲中電弧噪聲、輪軌噪聲、氣動噪聲占總噪聲量的90%以上，而當列車高速運行時，空氣動力噪聲逐漸趨向主導地位。歷年來，研究者們對噪聲的測量手段不斷變化。1955年Curle成功解決了圓柱漩渦脫體誘發的噪聲等問題。1969年，Ffowcs Williams和Hawking提出FWH方程成為解決噪聲輻射問題的有效工具。國內外研究表明轉向架區域是車輛噪聲的主要噪聲源，而且隨列車速度增大轉向架的噪聲逐漸占據主導地位，本文將結合聲學積分方法與CAA/CFD數值模擬匹配的應用，通過人工構建可穿透的假想封閉邊界，提取近場輸入的流場脈動信息，利用遠場聲學等效近場聲學的手段，得出近場聲學噪聲值，然后計算轉向架噪聲在其中所占比例。

一、可穿透積分模型計算

本章采用CRH2單車身模型、帶轉向架模型2種模型，針對明線單車200km/h、300km/h速度進行數值仿真，做網格劃分，模型最小網格線尺度0.001m，總網格數約870萬（圖1）。

圖1 計算網格

在列車周圍足夠遠的位置人工構建可穿透半徑15m的圓柱形假想封閉邊界，提取的圓柱體網格點上的流場脈動信息，采用FW-H模型得到遠場的噪聲結果，分析轉向架對氣動噪聲的貢獻。考慮地面聲反射效應，近似取地面反射系數為1，利用鏡面反射模型描述地面上聲傳播的半無限空間模型，因此本文采用半圓柱形簡化模式。在下面的數值計算中，均采用這種積分邊界和網格形式，邊界積分單元16899個，積分節點24282個（圖2）。

圖2 簡化的可穿透積分邊界的積分網格和脈動信息

針對 200km/h、300km/h速度級下 CRH2單車身模型在距離軌線中心30m的位置安放積分監測點，得到測點聲級分別為84.44dBA、92.86dBA，為得到實際距離下距離車體4m遠，高1.2m處噪聲的測量值，需要將30m距離等效到4m距離，即噪聲級增加17.5dBA（20lg7.5），從而得到觀測點（4m，1.2m）處的A聲級分別為101.94dBA、110.36dBA。同理針對200km/h、300km/h速度級下 CRH2帶轉向架模型，在距離軌線中心20m的位置安放積分監測點，得到監測點的聲級分別為91.38dBA、101.88dBA，等效（4m，1.2m）處的A聲級分別為105.38dBA、115.88dBA（圖3-6）。

圖3 200km/h速度單車身模型時域圖

圖4 300km/h速度單車身模型時域圖

圖5 200km/h速度轉向架模型時域圖

圖6 300km/h速度轉向架模型時域圖

二、轉向架氣動噪聲貢獻分析

N個聲源的總聲壓級應為：

現在將車身和轉向架視為兩個噪聲源，則200km/h速度級下，二者在4m處觀測點產生的總聲壓級為105.38 dB(A)，單車身產生的噪聲級為101.94 dB(A)，帶入公式得到200km/h速度級下轉向架產生的噪聲級：

同理可得300km/h速度級下轉向架產生的噪聲級：

200km/h速度級下，車身+轉向架總噪聲級105.38dBA，車身噪聲級101.94dBA，轉向架噪聲級102.76dBA，車身噪聲貢獻比例96.73%，轉向架噪聲貢獻比例97.51%。300km/h速度級下，車身+轉向架總噪聲級115.88dBA，車身噪聲級110.36dBA，轉向架噪聲級114.45dBA，車身噪聲貢獻比例95.23%%，轉向架噪聲貢獻比例98.76%（表1）。

表1 不同速度級下車身和轉向架噪聲貢獻率

三、結語

本文將車身和轉向架分別作為噪聲源進行仿真模擬，計算200km/h和300km/h速度級下CRH2車單車身模型、帶轉向架模型的噪聲，計算車身和轉向架對于整車的噪聲貢獻比，得出以下結論：（1）轉向架產生的氣動噪聲級比車身產生的氣動噪聲級大；（2）隨著速度的增加，轉向架對氣動噪聲的貢獻比例從97.51%增大到98.76%，車身的噪聲貢獻比例從96.73%降低到95.23%。說明速度增加后，轉向架產生氣動噪聲比例逐漸提高，轉向架成為主要噪聲源，因此優化轉向架結構比優化車體所達到的降噪效果更為理想的。