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高速列车气动噪声特性分析与降噪研究

刘加利  
【摘要】:随着列车运行速度的提高,气动噪声成为高速列车噪声中越来越重要的组成部分。研究高速列车气动噪声的预测方法及控制方法具有重要的意义。针对高速列车气动噪声问题,本文建立高速列车车外及车内气动噪声的计算方法,研究主要气动噪声源部位的远场辐射气动噪声特性。建立高速列车流线型头型的多目标优化设计模型,对高速列车流线型头型进行减阻降噪优化设计。建立低压环境下真空管道高速列车空气动力学计算模型,研究真空管道高速列车的气动阻力和气动噪声源特性。 根据高速列车近地面运行的实际情况,分别由FW-H方程和Kirchhoff方法出发,利用半自由空间的Green函数,推导考虑地面效应的高速列车远场声学积分公式,并研究地面声阻抗对高速列车远场气动噪声的影响。由于地面效应的存在,原来的自由声场相当于真实列车声场和镜像列车声场的叠加,且作用于镜像列车上的法向运动速度和力源与真实列车上的相同。考虑到空气介质往往是运动的,由广义Lighthill方程出发,推导考虑介质运动和地面效应的高速列车远场声学积分公式。 建立高速列车远场气动噪声计算的气动声学模型方法和混合计算方法,对高速列车车头及受电弓远场气动噪声进行计算分析。气动声学模型方法和混合计算方法得到的远场测点的声压频谱基本相同。高速列车车头远场气动噪声具有宽频特性,主要能量集中在1800Hz~2800Hz。高速列车受电弓远场气动噪声频带较窄,主要能量集中在100~700Hz。高速列车车头和受电弓的远场测点的等效连续A计权声压级近似与列车速度的对数成线性关系。高速列车的头部控制线形状对高速列车远场气动噪声具有较明显的影响,平直纵向剖面线和方形水平剖面线组合下的头型所产生的气动噪声最小,鼓形纵向剖面线和锥形水平剖面线组合下的头型所产生的气动噪声最大。 基于计算流体动力学和统计能量分析法建立高速列车车内气动噪声的计算方法。根据统计能量分析法的基本原理,建立高速列车车内气动噪声计算模型,并计算模型中各个子系统的基本参数,即模态密度、内损耗因子和耦合损耗因子。利用大涡模拟方法获得各个车身子系统上的平均脉动压力谱,进而对高速列车车内气动噪声进行计算分析。从线性计权声压级来看,司机室声腔和乘客室声腔的声压具有低频特性。从A计权声压级来看,司机室声腔和乘客室声腔的声压的显著频带范围较宽,司机室声腔的噪声能量主要集中在100Hz~2000Hz,乘客室声腔的噪声能量主要集中在50Hz~2000Hz。司机室声腔和乘客室声腔的线性计权声压级和A计权声压级均与列车速度的对数近似成线性关系。 建立高速列车流线型头型的多目标优化设计方法,以气动阻力和偶极子噪声源为优化目标,对高速列车流线型头型进行多目标自动优化设计。利用CATIA软件建立高速列车三维参数化模型,提取出5个优化设计变量,利用自编MATLAB程序和CATScript脚本文件实现高速列车流线型头型的自动变形。采用脚本文件和批处理命令实现高速列车空气动力学计算网格的自动划分及高速列车绕流流场的自动计算,利用多目标遗传算法NSGA-Ⅱ对优化设计变量进行自动更新,实现高速列车流线型头型的多目标自动寻优设计。通过研究优化目标与优化变量之间的相关性,得到影响优化目标的关键优化设计变量,进而得到关键优化设计变量和优化目标之间的非线性关系。通过与原始流线型头型气动性能的对比发现,优化后的流线型头型最大可使高速列车的气动阻力降低4.54%,使高速列车的偶极子噪声源减少4.95dB。为减少多目标优化计算时间,利用径向基神经网络建立高速列车空气动力学计算的近似计算模型,为提高近似计算模型在整个优化设计空间内的近似效果,采用最优拉丁方设计方法获得径向基神经网络的输入和输出。近似计算模型得到的气动阻力的预测值与实际值的误差小于1%,而偶极子噪声源的预测值与实际值的误差小于3dB,近似计算模型具有较好的近似效果,且采用近似计算模型优化计算获得的Parto前沿与采用真实模型优化计算获得的Pareto前沿相差不大。 建立低压(0.01atm~0.1atm)环境下真空管道高速列车空气动力学计算的流体模型、数学模型和数值模型,研究管道压力、阻塞比和列车速度对高速列车阻力系数、气动阻力、偶极子噪声源和四极子噪声源的影响,并以明线上运行速度为400km/h的高速列车气动阻力为限值,确定出真空管道高速交通系统的最佳管道压力、阻塞比和列车速度关系。在低压环境下,真空管道中的空气流动可以采用连续介质模型描述。高速列车的气动阻力系数基本上与管道压力和列车速度无关,主要依赖于阻塞比。高速列车的气动阻力与管道压力成线性关系,与列车速度成平方关系,且随着阻塞比的增加而增大。高速列车偶极子噪声源和四极子噪声源均与列车速度的对数近似成线性关系,当列车速度为600km/h时,四极子噪声源较小,偶极子噪声源占据主导地位,随着列车速度的提高,四极子噪声源变得明显,并占据主导地位。为模拟更稀薄环境下的真空管道空气流动特性,建立适用于滑移区和过渡区稀薄气体流动的格子Boltzmann模型,并对二阶速度滑移边界条件进行检验。研究发现,Guo模型、Hisa模型、Zhang模型表现较好。采用Guo模型对滑移区和过渡区的稀薄气体流动进行数值模拟,发现当稀薄参数取1.64时,计算得到的无量纲速度剖面与Karniadakis给出的无量纲速度剖面吻合很好,从而验证了计算模型及计算程序的正确性。


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