高速列车气动噪声数值计算及降噪设计研究

作     者：王秀颖 

作者单位：大连交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张军

授予年度：2019年

学科分类：082304[工学-载运工具运用工程] 08[工学] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：高速列车 轨道效应 气动噪声 SNGR法 气动阻力 

摘      要：随着我国高速列车开行数量的增加,速度不断提高,噪声污染日益严重,尤其当速度超过300km/h情况下,高速列车气动噪声已超过轮轨噪声成为主要噪声源,因此开展高速列车气动噪声产生机理和控制研究具有重要意义。针对高速列车气动噪声问题,建立了高速列车声学仿真计算的计算流体动力学模型,对考虑轨道效应与不考虑轨道效应两种工况下的高速列车气动阻力及气动声学进行了计算和对比分析,并基于SNGR方法快速评估降噪设计方案。主要工作内容如下:(1)建立了高速列车声学仿真分析的计算流体动力学模型。根据CRH3型高速列车几何模型,分别建立了考虑轨道效应与不考虑轨道效应的高速列车仿真分析计算流体动力学模型,不考虑轨道效应时总网格数量达到2290万,考虑轨道效应时总网格数达到3300万。在不影响模型主要结构的基础上,对车体、转向架、受电弓及轨道等局部复杂区域进行简化,有限元模型包括头车、中间车、尾车、6个转向架以及受电弓,为了使计算更加接近实际情况,考虑轨道效应的有限元模型包含了路基、钢轨及轨枕等主要轨道结构;(2)高速列车气动阻力及表面噪声源计算分析。基于标准k-ε模型,分别对考虑轨道效应与不考虑轨道效应两种工况下,运行速度分别为250km/h、300km/h及350km/h时车外稳态流场进行了数值模拟计算,得到了列车纵向对称面上的压力系数、摩擦阻力系数及列车表面声功率级分布规律。计算结果表明,压力系数为正值且较大的位置,其摩擦阻力系数值较小,压力系数为负值且较小的位置,其摩擦阻力系数较大。表面声功率级分布规律与表面摩擦阻力系数分布规律相同。(3)高速列车远场气动噪声值计算。以稳态仿真计算结果作为初始条件,基于大涡模拟(LES)对高速列车车外流场进行瞬态计算,得到高速列车表面脉动压力;基于Lighthill声类比理论用FW-H方法对三种速度下考虑与不考虑轨道效应的远场气动噪声进行了计算,得到了远场气动噪声分布规律及监测点频谱特性。研究结果表明,考虑轨道效应后远场气动噪声总体分布规律及噪声频谱均发生较大变化;(4)利用SNGR方法对高速列车头车转向架部位进行了降噪设计研究。为了降低头车转向架部位气动噪声,在头车转向架部位增加了导流护板,运用声学软件Actran中的SNGR方法,基于高速列车稳态流场数据,快速计算得到了增加导流护板后列车外部近场噪声分布特性及远场噪声分布规律。计算结果表明,增加导流护板后车头部位置的气动噪声明显降低。