探析氣動(dòng)噪聲的城際列車(chē)空調導流罩外形優(yōu)化論文
城際軌道交通是指在經(jīng)濟發(fā)達、人口稠密的城市群區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修建的便捷、快速、運力大的客運軌道交通系統，城際軌道交通的核心移動(dòng)裝備是城際列車(chē). 盡管城際列車(chē)的運行速度比高速列車(chē)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(chē)氣動(dòng)噪聲有類(lèi)似的特性. 目前，針對高速列車(chē)的主要氣動(dòng)噪聲源，如: 頭車(chē)、轉向架、受電弓、車(chē)廂連接處的研究較多，對空調導流罩產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲研究較少，但空調導流罩作為車(chē)身上的突出物，設計不合理時(shí)會(huì )產(chǎn)生嚴重氣流分離而產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲. 城際列車(chē)的空調導流罩也存在同樣的問(wèn)題，在設計過(guò)程中其氣動(dòng)噪聲仍然是城際列車(chē)研發(fā)的關(guān)鍵問(wèn)題之一.
列車(chē)在運行時(shí)產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲可分為兩類(lèi): 一類(lèi)是由于流場(chǎng)中穩定的特征結構引起的氣動(dòng)噪聲，類(lèi)似于法國TGV 列車(chē)在列車(chē)頂端的受電弓導流罩，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(lèi)是由于湍流脈動(dòng)引發(fā)的氣動(dòng)噪聲，這類(lèi)噪聲源主要集中在列車(chē)壁面的湍流邊界層內，或者流動(dòng)發(fā)生分離的位置，如空調導流罩，若設計不合理在其前后緣和側面都會(huì )有分離產(chǎn)生.
本文主要采用NLAS 方法，對時(shí)速250 km/h某城際列車(chē)的聲源特性進(jìn)行數值分析，重點(diǎn)研究空調導流罩的近場(chǎng)噪聲特性，并對導流罩局部結構進(jìn)行優(yōu)化設計，比較了優(yōu)化外形與原始外形的噪聲特性差異.
1 計算模型
采用NLAS 方法求解噪聲之前，需要先進(jìn)行穩態(tài)的RANS 計算. 在RANS 計算中采用非線(xiàn)性各向異性湍流模式cubic k-epsilon 模式.時(shí)速250 km/h 城際列車(chē)的聲源特性分析模
型為三節車(chē)廂編組，為真實(shí)反映列車(chē)實(shí)際運行場(chǎng)景，將軌道等地面結構納入了模型中，模型規模為2 200 萬(wàn)單元. 在模型中，對列車(chē)附屬部件和尾流區域的網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理. 三節車(chē)廂編組城際列車(chē)的聲源特性分析區域: 以三輛編組列車(chē)的總長(cháng)度L 為特征長(cháng)度，來(lái)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(chē)體離地面的高度為0. 002 35L ( 實(shí)車(chē)運行時(shí)輪軌接觸點(diǎn)距離地面的高度).
進(jìn)行穩態(tài)RANS 計算時(shí)，設定入口來(lái)流速度為250 km/h，假定列車(chē)靜止，則地面為運動(dòng)壁面，且運行速度與來(lái)流速度相同. 在遠場(chǎng)邊界位置設定為特征線(xiàn)邊界條件，出口為壓力出口，壓力設置為1 個(gè)標準大氣壓. 假定來(lái)流溫度為288. 15 K，粘性與溫度滿(mǎn)足Sutherland 定律; 進(jìn)行NLAS 氣動(dòng)噪聲計算時(shí)，將入口、遠場(chǎng)、出口邊界設定為NLAS外場(chǎng)邊界，且在這三個(gè)位置分別設置3 層吸收層以防止聲波的反射對內流場(chǎng)區域造成污染. 進(jìn)行湍流脈動(dòng)量重構時(shí)Fourier 級數項設定為200. NLAS 的時(shí)間步長(cháng)設定為2e-5 s，計算總時(shí)間步數設定為15 000 步，計算模擬時(shí)長(cháng)0. 3 s.
2 結果分析
時(shí)速250 km/h 城際列車(chē)的空調導流罩附近的流線(xiàn)可以看出，司機室空調導流罩流線(xiàn)比較光滑，沒(méi)有形成較強的湍動(dòng)能; 客室空調導流罩接近直角的連接方式，使得其前方以及下游均出現了較強的渦系，增加了導流罩區域的邊界層厚度.
城際列車(chē)共有八個(gè)空調導流罩，司機室和客室的空調導流罩噪聲測點(diǎn)布置. 司機室流罩上的四個(gè)測點(diǎn)1、2、3、4 分別對應測點(diǎn)編號為13 690 835、189 358、9 881 411 和47 327.這四個(gè)測點(diǎn)的'聲壓級隨頻率的變化曲線(xiàn)可以看出，下游測點(diǎn)的聲壓級要比上游測點(diǎn)的低，最大聲壓級出現在導流罩的上游上方側棱處.
客室空調導流罩的三個(gè)測點(diǎn)1、2、3 分別對應測點(diǎn)編號為5 470 758、9 881 150 和6 942 553.這三個(gè)測點(diǎn)的聲壓級隨頻率的變化曲線(xiàn)可以看出，客室空調導流罩的最大噪聲出現在上游上方側邊上，高達116. 6 dBA. 這種噪聲分布規律與之前的分析是一致的，即最大值出現在上游側邊，上游噪聲大于下游噪聲. 客室空調導流罩側邊與車(chē)體幾乎垂直，上游側邊的上游與下游側邊的下游流場(chǎng)區域易發(fā)生流動(dòng)分離形成強渦旋，所以，這些位置的噪聲水平要比司機室空調導流罩區域高.接下來(lái)將針對司機室空調導流罩和客室空調導流罩上的噪聲軸向空間分布特性進(jìn)行分析.取司機室空調導流罩上的測點(diǎn)3 位置，客室空調導流罩上測點(diǎn)2 位置，即上游上方側邊測點(diǎn)為例進(jìn)行比較. 因為該車(chē)三輛編組，因此共八個(gè)測點(diǎn).
可以看出: 客室空調導流罩聲壓級均在115 dBA 以上，接近受電弓的空調導流罩聲壓級最大值為123. 5 dBA. 另外，司機室空調導流罩附近的聲壓級均比客室空調導流罩的小，在110 dBA 以下.
3 結構優(yōu)化
經(jīng)過(guò)數值分析，時(shí)速250 km/h 三節車(chē)廂編組城際列車(chē)客室空調導流罩前緣順流特性不理想，需要對其進(jìn)行結構優(yōu)化. 優(yōu)化后空調導流罩外形結構. 優(yōu)化模型在客室空調導流罩的上游上方正中、上方側邊以及下游上方側邊分別設置一個(gè)測點(diǎn)，共三個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)1、2、3 分別對應編號為15 768 232、15 771 904和15 634 199，這三個(gè)測點(diǎn)的聲壓頻譜曲線(xiàn)可以看到，優(yōu)化模型第二空調導流罩區域最大A 計權聲壓級得到了有效抑制，三個(gè)測點(diǎn)最大A 計權聲壓級不超過(guò)110 dBA，遠小于原始方案.客室空調導流罩噪聲幅值的下降，主要表現在導流罩上游上方側邊測點(diǎn)上. 由于優(yōu)化模型在導流罩的四個(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(wú)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 結論
時(shí)速250 km/h 三節車(chē)廂編組城際列車(chē)的聲源特性分析表明:
( 1) 對同一個(gè)空調導流罩而言，其最大噪聲聲壓級出現在導流罩的上游上方側棱上，其下游測點(diǎn)噪聲聲壓級要比上游測點(diǎn)低;
( 2) 對客室導流罩模型的四個(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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