探析氣動(dòng)噪聲的城際列車空調(diào)導(dǎo)流罩外形優(yōu)化論文
城際軌道交通是指在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口稠密的城市群區(qū)域主要中心城市之間或在某一大城市軌道交通通勤圈范圍內(nèi)修建的便捷、快速、運(yùn)力大的客運(yùn)軌道交通系統(tǒng)，城際軌道交通的核心移動(dòng)裝備是城際列車. 盡管城際列車的運(yùn)行速度比高速列車要低，但其氣動(dòng)噪聲已成為其主要的噪聲源之一，和高速列車氣動(dòng)噪聲有類似的特性. 目前，針對(duì)高速列車的主要?dú)鈩?dòng)噪聲源，如: 頭車、轉(zhuǎn)向架、受電弓、車廂連接處的研究較多，對(duì)空調(diào)導(dǎo)流罩產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲研究較少，但空調(diào)導(dǎo)流罩作為車身上的突出物，設(shè)計(jì)不合理時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重氣流分離而產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲. 城際列車的空調(diào)導(dǎo)流罩也存在同樣的問題，在設(shè)計(jì)過程中其氣動(dòng)噪聲仍然是城際列車研發(fā)的關(guān)鍵問題之一.
列車在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲可分為兩類: 一類是由于流場(chǎng)中穩(wěn)定的特征結(jié)構(gòu)引起的氣動(dòng)噪聲，類似于法國(guó)TGV 列車在列車頂端的受電弓導(dǎo)流罩，可以視為剪切邊界層和聲波分別處理的氣動(dòng)噪聲源; 另一類是由于湍流脈動(dòng)引發(fā)的氣動(dòng)噪聲，這類噪聲源主要集中在列車壁面的湍流邊界層內(nèi)，或者流動(dòng)發(fā)生分離的位置，如空調(diào)導(dǎo)流罩，若設(shè)計(jì)不合理在其前后緣和側(cè)面都會(huì)有分離產(chǎn)生.
本文主要采用NLAS 方法，對(duì)時(shí)速250 km/h某城際列車的聲源特性進(jìn)行數(shù)值分析，重點(diǎn)研究空調(diào)導(dǎo)流罩的近場(chǎng)噪聲特性，并對(duì)導(dǎo)流罩局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，比較了優(yōu)化外形與原始外形的噪聲特性差異.
1 計(jì)算模型
采用NLAS 方法求解噪聲之前，需要先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)的RANS 計(jì)算. 在RANS 計(jì)算中采用非線性各向異性湍流模式cubic k-epsilon 模式.時(shí)速250 km/h 城際列車的聲源特性分析模
型為三節(jié)車廂編組，為真實(shí)反映列車實(shí)際運(yùn)行場(chǎng)景，將軌道等地面結(jié)構(gòu)納入了模型中，模型規(guī)模為2 200 萬單元. 在模型中，對(duì)列車附屬部件和尾流區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理. 三節(jié)車廂編組城際列車的聲源特性分析區(qū)域: 以三輛編組列車的總長(zhǎng)度L 為特征長(zhǎng)度，來流方向取1L，出口方向取2L; 外場(chǎng)高度取0. 53L，寬度取0. 8L，車體離地面的高度為0. 002 35L ( 實(shí)車運(yùn)行時(shí)輪軌接觸點(diǎn)距離地面的高度).
進(jìn)行穩(wěn)態(tài)RANS 計(jì)算時(shí)，設(shè)定入口來流速度為250 km/h，假定列車靜止，則地面為運(yùn)動(dòng)壁面，且運(yùn)行速度與來流速度相同. 在遠(yuǎn)場(chǎng)邊界位置設(shè)定為特征線邊界條件，出口為壓力出口，壓力設(shè)置為1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓. 假定來流溫度為288. 15 K，粘性與溫度滿足Sutherland 定律; 進(jìn)行NLAS 氣動(dòng)噪聲計(jì)算時(shí)，將入口、遠(yuǎn)場(chǎng)、出口邊界設(shè)定為NLAS外場(chǎng)邊界，且在這三個(gè)位置分別設(shè)置3 層吸收層以防止聲波的反射對(duì)內(nèi)流場(chǎng)區(qū)域造成污染. 進(jìn)行湍流脈動(dòng)量重構(gòu)時(shí)Fourier 級(jí)數(shù)項(xiàng)設(shè)定為200. NLAS 的時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定為2e-5 s，計(jì)算總時(shí)間步數(shù)設(shè)定為15 000 步，計(jì)算模擬時(shí)長(zhǎng)0. 3 s.
2 結(jié)果分析
時(shí)速250 km/h 城際列車的空調(diào)導(dǎo)流罩附近的流線可以看出，司機(jī)室空調(diào)導(dǎo)流罩流線比較光滑，沒有形成較強(qiáng)的湍動(dòng)能; 客室空調(diào)導(dǎo)流罩接近直角的連接方式，使得其前方以及下游均出現(xiàn)了較強(qiáng)的渦系，增加了導(dǎo)流罩區(qū)域的邊界層厚度.
城際列車共有八個(gè)空調(diào)導(dǎo)流罩，司機(jī)室和客室的空調(diào)導(dǎo)流罩噪聲測(cè)點(diǎn)布置. 司機(jī)室流罩上的四個(gè)測(cè)點(diǎn)1、2、3、4 分別對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)編號(hào)為13 690 835、189 358、9 881 411 和47 327.這四個(gè)測(cè)點(diǎn)的'聲壓級(jí)隨頻率的變化曲線可以看出，下游測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)要比上游測(cè)點(diǎn)的低，最大聲壓級(jí)出現(xiàn)在導(dǎo)流罩的上游上方側(cè)棱處.
客室空調(diào)導(dǎo)流罩的三個(gè)測(cè)點(diǎn)1、2、3 分別對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)編號(hào)為5 470 758、9 881 150 和6 942 553.這三個(gè)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)隨頻率的變化曲線可以看出，客室空調(diào)導(dǎo)流罩的最大噪聲出現(xiàn)在上游上方側(cè)邊上，高達(dá)116. 6 dBA. 這種噪聲分布規(guī)律與之前的分析是一致的，即最大值出現(xiàn)在上游側(cè)邊，上游噪聲大于下游噪聲. 客室空調(diào)導(dǎo)流罩側(cè)邊與車體幾乎垂直，上游側(cè)邊的上游與下游側(cè)邊的下游流場(chǎng)區(qū)域易發(fā)生流動(dòng)分離形成強(qiáng)渦旋，所以，這些位置的噪聲水平要比司機(jī)室空調(diào)導(dǎo)流罩區(qū)域高.接下來將針對(duì)司機(jī)室空調(diào)導(dǎo)流罩和客室空調(diào)導(dǎo)流罩上的噪聲軸向空間分布特性進(jìn)行分析.取司機(jī)室空調(diào)導(dǎo)流罩上的測(cè)點(diǎn)3 位置，客室空調(diào)導(dǎo)流罩上測(cè)點(diǎn)2 位置，即上游上方側(cè)邊測(cè)點(diǎn)為例進(jìn)行比較. 因?yàn)樵撥嚾v編組，因此共八個(gè)測(cè)點(diǎn).
可以看出: 客室空調(diào)導(dǎo)流罩聲壓級(jí)均在115 dBA 以上，接近受電弓的空調(diào)導(dǎo)流罩聲壓級(jí)最大值為123. 5 dBA. 另外，司機(jī)室空調(diào)導(dǎo)流罩附近的聲壓級(jí)均比客室空調(diào)導(dǎo)流罩的小，在110 dBA 以下.
3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化
經(jīng)過數(shù)值分析，時(shí)速250 km/h 三節(jié)車廂編組城際列車客室空調(diào)導(dǎo)流罩前緣順流特性不理想，需要對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化. 優(yōu)化后空調(diào)導(dǎo)流罩外形結(jié)構(gòu). 優(yōu)化模型在客室空調(diào)導(dǎo)流罩的上游上方正中、上方側(cè)邊以及下游上方側(cè)邊分別設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，共三個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)1、2、3 分別對(duì)應(yīng)編號(hào)為15 768 232、15 771 904和15 634 199，這三個(gè)測(cè)點(diǎn)的聲壓頻譜曲線可以看到，優(yōu)化模型第二空調(diào)導(dǎo)流罩區(qū)域最大A 計(jì)權(quán)聲壓級(jí)得到了有效抑制，三個(gè)測(cè)點(diǎn)最大A 計(jì)權(quán)聲壓級(jí)不超過110 dBA，遠(yuǎn)小于原始方案.客室空調(diào)導(dǎo)流罩噪聲幅值的下降，主要表現(xiàn)在導(dǎo)流罩上游上方側(cè)邊測(cè)點(diǎn)上. 由于優(yōu)化模型在導(dǎo)流罩的四個(gè)邊緣以及四個(gè)角點(diǎn)位置均進(jìn)行了順流處理，因而無論任何方向的氣流流經(jīng)時(shí)均不會(huì)產(chǎn)生大幅擾動(dòng)，所以，氣動(dòng)噪聲得到了有效抑制.
4 結(jié)論
時(shí)速250 km/h 三節(jié)車廂編組城際列車的聲源特性分析表明:
( 1) 對(duì)同一個(gè)空調(diào)導(dǎo)流罩而言，其最大噪聲聲壓級(jí)出現(xiàn)在導(dǎo)流罩的上游上方側(cè)棱上，其下游測(cè)點(diǎn)噪聲聲壓級(jí)要比上游測(cè)點(diǎn)低;
( 2) 對(duì)客室導(dǎo)流罩模型的四個(gè)邊緣和四個(gè)角點(diǎn)進(jìn)行了形狀優(yōu)化，保證任何方向的氣流流經(jīng)時(shí)均不會(huì)產(chǎn)生大幅擾動(dòng)，從而氣動(dòng)噪聲得到有效抑制.
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