高速列车仿生非光滑表面减阻特性及其对噪声影响研究

作     者：胡华涛 

作者单位：华东交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱海燕

授予年度：2020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：车辆工程 高速列车 边界层控制 非光滑表面 减阻 降噪 

摘      要：随着轨道车辆领域配套设施的完善、列车行驶里程的扩大及运行速度的不断提升,对列车的研究正着重于如何减少其能源消耗、提高其乘坐舒适性。研究方法基于边界层理论,研究对象为现有线路大量保有的CRH3车型,将非光滑表面应用于列车不同部位,探究其对列车气动阻力及气动噪声影响。结合国内、外高速列车现状,对高速列车减阻、降噪研究必要性进行说明;从减阻、降噪角度出发,对国内列车外型的发展历史做了简单的阐述,并对减阻降噪技术做了较为系统的总结;对将非光滑表面运用于其它对象以实现减阻、降噪的应用进行了梳理;归纳了近二十年国内、外学者对于非光滑表面在高速列车不同部位的研究。相关的理论基础的掌握是做各种实验的基础,为了更加准确设置实验条件,对高速列车气动阻力和噪声理论做了基础描述;基于空气连续介质假设,介绍了质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、湍流控制方程、Lighthill声类比方程;并结合公式和图解释了边界层理论。通过三维建模软件PRO-E建立了CRH3的简化模型;之后将三维模型导入ICEM CFD进行网格划分;划分后的网格导入FLUENT软件中进行仿真计算,分析凸包、凹坑两种非光滑表面在列车不同位置随参数变化气动阻力和气动噪声的变化规律,并与光滑表面列车对比检验其减阻降噪性能。分析结果表明:非光滑结构中单元个体之间的阵列距离对非光滑表面大的减阻效果最明显。当凸包阵列距离、高度、半径分别为460mm、10mm、40mm且位于列车头、尾部流线型区域时,减阻1.77%,当列车流线型区域的凸包阵列距离为410mm、高度为10mm、半径为40mm的时列车表面各处降噪效果显著;当凹坑阵列距离为350mm,深度为10mm,半径为80mm且位于列车头、尾部流线型区域时,减阻效果最明显,达5.26%,当流线型区域凹坑阵列距离为350mm,深度为10mm,半径为60mm时,列车各处的降噪效果显著。最后,通过对列车车身的气动特性研究,分别从宏观和微观两个角度解释了非光滑表面应用后的减阻、降噪机理,研究结果表明:非光滑表面应用能够有效的减少列车车身的黏性阻力,增加列车的压差阻力,但是适当参数的非光滑表面列车的黏性阻力减少量大于压差阻力增大量,使得整体气动阻力下降;另外,适当位置处的非光滑表面能够减少湍流附面层之间的压力脉动幅值,从而减少噪声值。