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Numerical Analysis of Aerodynamic Noise of Motor Car Bogie for High-Speed Trains

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Academic year: 2021

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(1) 南 交 通 大 学 学 报 西 第51 卷 第 5期 2016 年 10 月 JOURNAL OF SOUTHWEST JIAOTONG UNIVERSITY 文 章编号:02582724(2016)0587008 DOI:10. 3969 / j. issn. 02582724. 2016. 05. 008. . . Vol. 51 No. 5 Oct. 2016. 高速列车动车转向架气动噪声数值分析 张亚东, 张继业, 张 亮, 李 田. (西 南 交 通 大 学 牵 引 动 力 国 家 重 点 实 验 室 ,四 川成 都610031). 研 究 高 速 列 车 动 车 转 向 架 气 动 噪 声 特 性 ,建立了动车转向架空气动力学模型 ,采用定常RNG kε 湍 摘 要:为 流 模 型 与 宽 频 带 噪 声 源 模 型 对 其 气 动 噪 声 声 源 进 行 初 步 探 讨 ,并 结 合 非 定 常LES 大涡模拟与Lighthill 声学比拟 理 论 进 行 了 远 场 气 动 噪 声 分 析 究 结 果 表明 :动车转向架气动噪声源为轮对 、构架 、牵引电机1、枕梁 、垂向减 .研 振 器 、抗 侧 滚 扭 杆 等 结 构 的 迎 风 侧 凸 起 部 位 ,且 构 架 对 动 车 转 向 架 远 场 气 动 噪 声 的 贡 献 最 大 ,其 次为轮对和抗侧 滚 扭 杆 ,然 后 为 垂 向 减 振 器 和 枕 梁 ,牵 引电机1、牵引电机2、空气弹簧和横向减振器对远场气动噪声的贡献较 .动 .在 小 车 转 向 架 远 场 气 动 噪 声 是 宽 频 噪 声 ,具 有 衰 减 特 性 、幅 值 特 性 和 气 动 噪 声 指 向 性 低 频部分能量较大 ,中 . 分 布 规 律 不 随 运 行 速 度 的 改 变 而 变 化 心 频 率 为25、50 Hz,且 速 列 车 ;动 车 转 向 架 ;气 动 噪 声 ;大 涡 模 拟 ;Lighthill 声 学 比 拟 理 论 ;噪 声 贡 献 量 关键词:高 中图分类号:U270. 2;TB115 文献标志码:A Numerical Analysis of Aerodynamic Noise of Motor Car Bogie for HighSpeed Trains. ,. ,. ,. ZHANG Yadong ZHANG Jiye ZHANG Liang LI Tian. (State Key Laboratory of Traction Power,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China). :In order to study the aerodynamic noise characteristics of motor car bogie in highspeed trains,an aerodynamic model of motor car bogie was established, a preliminary study on the aerodynamic noise source of the motor car bogie was made using the steadystate RNG kε turbulence model and the broadband noise source model,and the farfield aerodynamic noise was analyzed by combined use of the transientstate large eddy simulation (LES )and Lighthill s acoustic analogue theory. The results show that the wheel set,bogie frame,traction motor1 ,bolster,vertical shock absorber,antirolling torsion bar and other protruding parts on the windward side are the aerodynamic noise source of the bogie. Among them,bogie frame has the largest contribution to the total farfield aerodynamic noise of the bogie, the wheel set and antirolling torsion bar have the secondary contribution ,and the vertical shock absorber and bolster have the third contribution amount. Compared to the above components,the traction motor1 ,traction motor2 ,air spring and lateral shock absorber have less contribution to the total noise. In addition,the farfield noise of the motor car bogie is a broadband noise,characterized by attenuation,amplitude and aerodynamic noise directivity. The main energy of the noise in the low frequency band is concentrated at the centre frequencies 25 and 50 Hz, and the power spectral density distribution does not change with the train speed. Key words:highspeed train;motor car bogie;aerodynamic noise;large eddy simulation;Lighthills acoustic analogue theory;noise contribution Abstract. 收稿日期:20150319 基金项目:高 速 铁 路 基 础 研 究 联 合 基 金 资 助 项 目 (U1234208 );中 央 高 校 基 本 科 研 业 务 费 资 金 资 助 项 目 (2682014CX042 ) 亚 东 (1987 — ),男 ,博 士 研 究 生 ,研 究 方 向 为 高 速 转 向 架 气 动 噪 声 特 性 分 析 及 降 噪 ,Email:aliyzyd@ 163. com 作者简介:张 亚 东 ,张 继 业 ,张 亮 ,等 速 列 车 动 车 转 向 架 气 动 噪 声 数 值 分 析 [J]. 西 南 交 通 大 学 学 报 ,2016 ,51 (5 ):870877. . 高 引文格式:张.

(2) 第5 期 张亚东,等:高速列车动车转向架气动噪声数值分析 871 满 足 交 通运输体系安全 、高效 、可靠和舒适 本 文 进 行 数 值 计 算 时 ,同 时 考 虑 高 速 列 车 动 车 为 与此同时产 转 性 的 需 要 ,我 国 高速铁路发展迅速 向 架 的 细 微 结 构 ,例 如 横 向 减 振 器 、垂 向 减 振 器 、 .但 蛇 形 减 振 器 、空 气 弹 簧 和 抗 侧 滚 扭 杆 等 结 构 的 空 生 了 诸 多 空 气 动 力 学 问 题 ,包 括 气 动 阻 力 、列 车 风 、 抗 动 力 学 模 型 究 得 到 动 车 转 向 架 的 漩 涡 分 布 特 .研 横 风 安 全 性 能 、列 车 交 会 压 力 波 、气 动 噪 声 等 ,这 些 气 、气 动 噪 声 声 源分布特点 ,以及远场气动噪声的 问 题 均 与 高 速 列 车 转 向 架 密 切 相 关 .而 转 向 架 是 高 性 减 特 性 、幅 值 特 性 、气 动 噪 声 指 向 性 等 规 律 ,同 时 速 列 车 结 构 中 最 重 要 的 部 件 之 一 ,位 于 车 辆 最 下 部 衰 到 各 噪 声 源 对 动 车 转 向 架 气 动 噪 声 的 贡 献 量 .研 车 体 与 轨道之间 牵引和引导车辆沿着轨道行 得 .它 成 果 可 为 研 制设计高速动车转向架初期的结构 驶 ,并 承 受 和 传 递来自车体及线路的各种载荷 ,同 究 . 化 、气 动 噪 声 改 进 等 提 供 工 程 参 考 依 据 时 缓 和 其 作用力 ,它是保证高速列车以200 km / h 优 及以上速度安全平稳运行品质的关键部件之 车转向架气动噪声数值分析理论 一[]. 研 究 表明 ,低速运行时 ,列车阻力中的气动 1 动 阻力所占比例很小 ,但当速度达到200 和 1. 1 大涡模拟理论计算方法 涡 模拟(large eddy simulation,LES)控制方 ,气动阻力在总阻力中所占的比例将 [ ]大 300 km / h 时 [ ] 不 可 压 缩 粘性流体的NS 方程 ,LES 中大 上 升 到70% 和80% 左右,且转向架阻力占整车 程 为 度 的 速 度 为 滤 波 速 度 ,其 定 义 为 气 动 阻 力 的20% 以上 .高 速带来的噪声问题更为 尺 严 重 ,当 列 车 的 运 行 速 度 超 过300 km / h 时 ,气 动 噪 u珔(y,t) = ∫G(y,y′,Δ)u (y)dy′, (1) 声 超 过 轮 轨 噪 声 成 为 主 要 噪 声 声 源 ,且 转 向 架 是 高 式 :u珔为 滤 波 速 度 分 量 ; 速 列 车 气 动 噪 声 的 主 要 声 源 部 位[ ]. 所 以 ,研 究 高 中 (y,y′,Δ)为 滤 波 函 数 ,描 述 过 滤 网 格 的 大 小 . 速 列 车 转 向 架 的 气 动 噪 声 特 性 、主 要 声 源 对 总 噪 声 G假 定 过 滤 过 程 和 求 导 过 程 可 交 换 ,把 该 函 数 用 的 贡 献 量 等 对 高速列车减阻降噪具有重要的工程 于 不 可 压 缩粘性流体的NS 方程 ,不管其形式如 参 考 意 义 . ,总 可 得 到 : 当前多数对高速列车转向架空气动力学性能 何 u .数 的 研 究 采 用 试 验 研 究 和 数 值 模 拟 方 法 值 模 拟 主 珔 = 0, (2) x 要 针 对 转 向 架 与整车阻力关系及整车远场气动噪 珔u 珔u u珔 1 珋 p τ μ  u珔 珔 , (3) + = - + + 声 特 性 .由 于 转 向架结构的复杂性 ,大多数数值计 t x ρ x ρ x x x 算 过 多 地 简 化 了 转 向 架 结 构 ,或 者 采 用 缩 比 模 型 研 珔τ = (u u - u珔u珔), 究 转 向 架 气 动 噪 声 特 性 ,但 对 组 成 转 向 架 各 部 件 的 式 中 :珔τ 为 亚 格 子 尺 度 雷诺应力 ,是需要模型化的 气 动 噪 声 问 题 研 究 甚 少 献[7 ]通过对动车转向 新 .文 知 量 . 架 的 气 动 阻 力 分 析 ,得 出 头 车 第 一 个 转 向 架 阻 力 是 未 为 使 方 程组封闭 ,根据Smagorinsky 的基本亚 中 间 车 第 二 个 转 向 架 阻 力 的4 倍 以 上 ,在 侧 风 作用 格 , 子 尺度应力(subgridscale streese,SGS )模型 下 转 向 架 阻 力 占 列 车 总 阻 力 的40% 左 右 献[8 ] 假 .文 定 诺 应 力 具 有 如 下 形 式 SGS 雷 采 用 分 离 涡 数 值 计 算 方 法 ,研 究 了 横 风 中 高 速 列 车 (4) 转 向 架 在 时 域 、频域的非定常气动力特性 ,得到基 τ - τ 3δ = - 2μ 珔S , 本 气 动 力 在 时 域 内 具 有 随 机 波 动 性 ,在 频 域 内 存 在 式 中 :δ 为 单 位 张 量 的 分 量 ; 明 显 的 主 频 段1. 664 ~ 12. 990 Hz. 文献 [9]通过在 μ 为 亚 格 子 湍 流 粘 性 系 数 ; 头 尾 车 第 一 个 转 向 架 处 安 装 裙 板 并 进 行 数 值 研 究 , 珔 S 为 求 解 尺 度 下 的 应 变 张 量 的 分 量 , 结 果 表 明整车阻力减少较多 .文 献 [10]重点研究 珔S = 1 珔u + 珔u . (5) 了 以 简 单转向架(只考虑轮对和枕梁结构的转向 2 ( x x ) 架 )为 噪 声 源 的 高速列车气动噪声问题 ,分析了优 1. 2 计算气动声学方法 化 转 向 架 裙 板 后 ,转 向 架 对 远 场 噪 声 评 估 点 的 气 动 计算气动声学(computational aeroacoustics, 噪 声 降 噪 效果 献[11 ]基于延迟独立涡模拟方 CAA)中普遍使用声类比法 .文 , Ffowcs Williams [ ] 法 ,对 只 包 括 轮 对 和 构架结构的1∶ 10 缩比简化转 Hawking 方 程 (简 称FWH 方 程 )的 微 分 形 式 为 向 架 流 场 特 性 和 偶 极 子 分 布 规 律 进 行 了 预 测 ,并 通 1  ( a t - x ) p′ = t [ρv δ(f) f]- . 过 风 洞 试 验 验 证 了 数 值 模 拟 结 果 的 正 确 性 1. 12. i. i. 36. i. i. i. 2. i. i. j. i. j. ij. i. i. i. j. i. i. ij. j. j. ij. kk ij. ij. i. ij. ij. i. ij. i. j. j. i. ij. 13. 2. 2. 0. 2. 2 i. n. Δ. 2. j.

(3) 西 南 交 通 大 学 学 报 第51 卷 和 高 度分别为25L、12W 和6H,动车转向架长度  [n pδ(f) f]+ xx [T H(f)], (6) 度 x 宽 度W = 3. 068 m,高 度H = 1. 115 m, L = 3. 477 m, 式 中 :p′为 气 体 压 强 ; 轮 对 踏 面 与 轨 道 所 处 地 面 之 间 的 距 离 为0. 2 m. 法 向 方 向 ; n 为 动 车 转 向 架 来 流 方 向 截 面 为 速 度 入 口 边 界 ,正 声 速 ; a 为 后 方 截 面 为 压 力出口边界 ,左侧 、右侧和正上方截 v 为 法 向 速 度 ; 面 设 置 为 对 称 边 界 ,动 车 转 向 架 表 面 设 置 为 无 滑 移 静 压 强 ; p为 壁 面 的wall 边 界 了模拟地面效应 ,地面设置为 .为 力 张 量 的 分 量 , T 为 Lighthill 压 滑 移 地 面 ,其 滑 移 速 度 为 动 车 转 向 架 的 运 行 速 度 . T = ρu u + P - a ρδ ; 由 于 动 车 转 向 架 结 构 比 较 复 杂 ,因 此 采 用 非 结 数 ; Dirac delta 函 δ(f)为 构 化 网 格 ,如 图3 所示 .计 算过程中采用网格自适 数 H(f)为 Heaviside 函 . 应 技 术 ,不 断 调 整 网 格 密 度 ,以 保 证 计 算 精 度 更 .为 FWH 模 型表达式表示声压是由于瞬态变化 加 精 确 的 考 虑 动 车 转 向 架 表 面 对 流 体 流 动 的 影 响 , 的 质 点 力 和 加 速 度 引 起 ,式(6 )右边分别为单极子 在 其 表 面进行边界层网格划分 ,边界层增长率为 速列车以一定 1. 2、总 声 源 、偶 极 子 声 源和四极子声源 .高 厚 度 为10 mm 的5 层三棱柱网格 ,计算域 的 速 度 行 驶 时 ,车身表面可以看作是刚性的 ,体积 网 格 量 约 为2 515 万 . [ ] 脉 动 量 几 乎 为0,所以可不考虑单极子声源项 . 文 献 [15]指出 ,流场中四极子声源与偶极子声源 .

(4) . 强 度 之 比 正 比 于 马 赫 数 的 平 方 ,而 高 速 列 车 的 运 动. . 仍 属 于 低 速 运 动 ,其 四 极 子 声 源 噪 声 强 度 远 小 于 偶  极 子 声 源 ,故 四 极子声源项可忽略 .即 本文只考虑  偶 极 子 声 源 引 起的高速列车动车转向架气动噪声    问 题 . 872. 2. Δ. i. ij. i. i. j. i. 0. n. ij ij. i. j. ij. 2 0. ij. . 14. .  . . . . . . 2 . . 动车转向架气动噪声计算模型. 图计 算 区 域 及 边 界 设 置. 2 Fig. 2 Computational domain and boundary setting. 计算模型 常高速列车转向架可分为动力转向架(又 通 称 动 车 转 向 架 )和 非 动 力转向架(拖车转向架),本 文 主 要 以 动 车 转 向 架 为 分 析 对 象 车 转 向 架 主 要 .动 包 括 轮 对 、轴 箱 、一 系 悬 挂 ,构 架 、二 系 悬 挂 、牵 引 电 机 和 枕 梁7 部 分 ,结 构 如 图1 所 示 .. 2. 1 . 图动 车 转 向 架 表 面 网 格. 3 Fig. 3 Surface meshes of motor car bogie. 3 . 动车转向架气动噪声特性. 动车转向架流场特性 出垂直于z 轴的纵向速度流线图 图 4给 .由 图4 可 以 看 出 ,转向架区域的气流流速变慢 ,在有 的 区 域 产 生 了 一 定 的 漩 涡 风 侧 轴 箱 与 构 架 之 间 .迎 图1 动 车 转 向 架 简 化 模 型 的 外 侧 、牵 引 电 机后侧 、空气弹簧与抗蛇形减振器 Fig. 1 Simplified model of motor car bogie 之 间 的 临 近 区 域 均 存 在 不 同 尺 度 不 同 方 向 的 漩 涡 , 尤 其 是 在 迎 风 侧 轴 箱 与 构 架 之 间 、空 气 弹 簧 与 抗 蛇 算区域、边界条件及网格划分 2. 2 计 计 算 区 域 如图2 所示 ,流场计算区域长度 、宽 形 减 振 器 的 邻 近 区 域 形 成 了 较 大 的 漩 涡 ,此 位 置 位 3. 1 .

(5) 第5 期 张亚东,等:高速列车动车转向架气动噪声数值分析 873 于 构 架 侧 梁 外 侧 进 行 动 车 转 向 架 流 线 型 优 化 设 参 考 文 献 [4]关于列车表面最大声功率级P .在 列 车 运 行 速 度 之 间 的 关 系 计及减阻降噪时 ,需要考虑该区域的流场分布 与 特 性 (7) . P = alg(v / v )+ b, 车转向架气动噪声声源特性 常 系 数 ;v = 200 km / h. 式 中 :a、b 为 3. 2 动 图 5为 动 车 转 向 架 以350 km / h 运 行 时 的 声 功 进一步寻求动车转向架最大声功率与运行速 率 级 分 布 云 图 图5 可 见 ,迎 风 侧 大 部 分 表 面 ,即 度 的 对 应 函 数 关 系 .由 . 轮 对 、构 架 、牵引电机1、枕梁 、垂向减振器和抗侧 图6 给出动车转向架表面最大声功率级与运 滚 扭 杆 等 声 功率级均达到112 dB 以上 速 度 的 关 系 中迎风 行 图6 可知 ,动车转向架的最大声 .其 .由 侧 的 垂 向 减 振 器 、抗 侧 滚 扭 杆 和 枕 梁 的 表 面 声 功 率 功 率 级 随 着 运 行 速 度 的 增 加 而 显 著 增 大 ,且 动 车 转 最 高 架 最 大 声 功 率 级 与 运 行 速 度 满 足 以 下 函 数 关 系 : .可 见 ,迎 风侧凸起部位为动车转向架的气动 向 噪 声 源 ,且 此 气动噪声源区域发生在气流易分离 、 (8) P = 79. 726 lg(v / v )+ 124. 042. . 湍 流 运 动 较 剧 烈 处 动车转向架最大表面声功率级与运行速度满 足 以 下 函 数 关 系 P = 59. 795 lg(v / v )+ 121. 105. (9) m. m. 0. 0. m. 0. m. 0. . . . .  .    

(6)  . .      .  . . . . . . . .   . 图6 最 大 声 功 率 级 与 转 向 架 速 度 的 函 数 关 系 (v = 200 km / h) Fig. 6 Function relationship of the maximum sound power level and motor bogie running speed (v = 200 km / h) 0. 0. 动车转向架远场气动噪声特性 了 研 究 动 车 转 向 架 远 场 气 动 噪 声 分 布 特 性 , 为 以动车转向架前后轮对中心(距地面高度为 原 点 ,以25 m 为半径 ,在xz 平面以5° 0. 688 m)为 间 隔 布 置 一 周 噪 声 评 估点 ,在xy 平面和yz 平面以 隔 分 别 布 置 半 周 噪 声 评 估 点 5° 间 . 动车转向架远场气动噪声计算的噪声评估点 布 置 与 坐 标 平 面 的 对 应 关 系 如 图7 所 示 文 规定 .本 xz 平 面 为 垂 向平面 ,xy 平面为纵向平面 ,yz 平面 为 横向平面 ,动车转向架正前方 、正左方 、正后方 、 正 右 方测点编号依次为y 、y 、y 、y ,动车转向架 正 上 方 测 点 编 号 为xz (横向平面与纵向平面噪声 评 估 点 的 交 汇 处 ). 通 常 以 声 压 级 形 式 对 高 速 铁 路 噪 声 进 行 评 价 , 本 文 采 用 等 效 连 续A 计权声压级 ,根据ISO3095— 定义 ,等效连续A 计权声压级L 的计算 2005 的 [ ] 式为 3. 3 . 图4 动 车 转 向 架 截 面 流 线 图 Fig. 4 Streamline diagram in longitudinal sections of the motor car bogie. 1. 2. 3. 4. 19. 图动 车 转 向 架 声 功 率 分 布 云 图. 5 Fig. 5 Sound power contours of the motor car bogie. A. 16.

(7) 西 南 交 通 大 学 学 报 第51 卷 高速列车以200、250、300、350 和 图 p (t) 8 为 1 L = 10 lg ( ∫ dt ) , 10 ) ( Δt p 行 时 ,垂 向 、纵 向 和 横向平面噪声评估 400 km / h 运 式 中 :Δt 为 测 量 时 间 间 隔 , 点 的 等 效 连 续A 计 权 声 压 级 分 布 对 比 图 . Δt = 0. 5 s; 由 图8 可 见 以 下 特 性 : 瞬 时A 计 权 声 压 ,Pa; p (t)为 (1)衰 减 特 性 基 准 声 压 ,p = 20 μPa. p 为 运行速度分别为200、250、300、350 和 ,垂 向 噪 声评估点的等效连续A 计权 400 km / h 时 声 压级平均增加幅度为2. 96 dBA →2. 56 dBA → 2. 22 dBA→1. 94 dBA. 说 明随着动车转向架运行 速度的增大 ,垂向平面的噪声评估点等效连续A 计 权 声 压 级 增 加 幅 度 逐 渐 减 小 余 两 平 面 均 有 同 .其 . 样 的 分 布 规 律 (2)幅 值 特 性 各 平面噪声评估点的声压级在θ = 0°、90°、 180° 、 270° 时 均出现最大值 ;垂向平面声压级最大 值 位 于θ = 90° (噪声评估点y )、θ = 270° (噪声评 图7 远 场 气 动 噪 声 评 估 点 分 布 Fig. 7 Distribution of farfield 估 点y )处 ;纵 向 平 面 和横向平面声压级最大值均 aerodynamic noise evaluation points 位 于θ = 90° (噪声评估点xz )处 ,为113. 1 dBA 利用快速傅里叶变换将远场测点的声压转换 (动车转向架以350 km / h 运行);不同运行速度 到 频 域 ,并 采 用A 频 域 计 权 表[ ]对 频 域 进 行 修 正 , 下 ,垂 向 噪声评估点最大值和最小值声压级相差 然 后 再 利 用 傅 里 叶 逆 变 换 将 频 域 声 压 转 换 到 时 域 , 18. 8 ~ 21. 2 dBA,纵 向 噪 声 评 估 点 最 大 值 和 最 小 值 即 可得到测点的A 计权声压p (t ),进而利用 声 压 级相差19. 3 ~ 21. 8 dBA,横向噪声评估点最 . 算 出 测 点 的 等 效 连 续A 计 权 声 压 级 式 (10)计 大 值 和 最 小 值 声 压 级 相 差22. 0 ~ 26. 2 dBA. 874. Δt. A. 2 A. 2 0. 0. A. 0. 0. y. y1. y4. 2. 4. 19. 17. A. (a)垂 向 平 面. (b)纵 向 平 面. (c)横 向 平 面. 图远 场 气 动 噪 声 评 估 点 的 声 压 级 分 布 图 ( ). 8 Fig. 8 Sound pressure level SPL distribution of aerodynamic noise evaluation points. (3)气 动 噪 声 指 向 特 性 动 车 转 向 架 气 动 噪 声 是 典 型 的 偶 极 子 噪 声 ,在 圆 形 噪 声评估点中 ,噪声辐射表现出很强的对称 性 ;声 源 主 要 辐 射方向为来流枕梁正上方 ,其次为 横 向 正 左方和正右方 ,最后为来流正前方和正后 方 明 动 车 转 向架的气动噪声在垂向 、纵向和横 .表 向 平 面 内 具 有 明 显 的 气 动 噪 声 指 向 性 . 图9 为动车转向架以350 km / h 运行时 ,噪声 评 估 点xz 的1 / 3 倍 频 程 分 布 图 图9 可 见 ,当 中 .由 . 19. 心 频 率 为25 和50 Hz 时 ,主 频 能 量较大 车转向 .动 架 的 气 动 噪 声 能 量 主 要 集 中 在 高 频 部 分 ,随 着 运 行 速 度 的 增 大 ,其 主 要 能 量 向 高 频 部 分 转 移 且 呈 现 增 大 趋 势 外 ,分析动车转向架以200、250、300 和 .此 行时的1 / 3 倍频程可见 ,中心频率25 400 km / h 运 和50 Hz 为 动 车转向架的固有中心频率且在低频 部 分 能 量较大 ,分布规律不随运行速度的改变而 变 化 . 图10 为 动 车转向架以350 km / h 运行时噪声.

(8) 第5 期 张亚东,等:高速列车动车转向架气动噪声数值分析 875 评 估 点xz 的 功 率 谱 密度图 图10 可见 ,动车转 度 可 见 ,功 率 谱 密 度 的 分 布 规 律 不 随 运 行 速 度 的 改 .由 向 架 远 场 气 动 噪 声 是 宽 频 噪 声 ,在 很 宽 的 频 率 内 存 变 而 变 化 ,其 幅 值 随 运 行 速 度 的 增 加 而 增 大 . 在 ,主 要 能 量 集 中 在28 ~ 44. 7 kHz 频率范围内 .当 ,功 率 谱 密 度的值很小 ;当频 频 率 小 于11. 2 kHz 时 率 在11. 2 ~ 28 kHz 时 ,功率谱密度随频率的增加 显 著 增 大 ;当 频 率 大 于44. 7 kHz 时 ,功率谱密度迅 速 减 小 . 19. . .  . . .  . .  . . . .  . . . . . . . . .

(9) . 图10 远 场 气 动 噪 声 评 估 点 的 功 率 谱 密 度. . . Fig. 10 Power spectral density of farfield aerodynamic noise evaluation points. . . . . . . . . . . . . . . . .  .

(10) . . . 4 .

(11). 图9 远 场 气 动 噪 声 评 估 点 的1 / 3 倍 频 程. 动车转向架远场气动噪声声源贡 献量分析. 图11 所 示 为 动 车 转 向 架 各 部 件 分 别 作 为 噪声 源 以350 km / h 运行时得到的等效连续A 计权声 分 析 动 车 转 向 架 不 同 运 行 速 度 下 的 功 率 谱 密 压 级 对 比 曲 线 . Fig. 9 1 / 3 octave band centre frequency of farfield aerodynamic noise evaluation points. (a)构 架. . (b)轮 对. (c)枕 梁. (f)空 气 弹 簧 、横 向 减 振 器 (d)抗 侧 滚 扭 杆 、垂 向 减 振 器 (e)牵 引 电 机1、牵 引 电 机2 图11 各 部 件 作 为 噪 声 源 的 远 场 气 动 噪 声 在 垂 向 平 面 的 声 压 级 对 比 图 Fig. 11 SPL comparison of the farfield aerodynamic noise on vertical plane for components of noise sources. . .因 由图11 可看出 ,采用1 个噪声评估点的声压 级 评 价 动 车 转 向架远场气动噪声无意义 此 ,可.

(12) 西 南 交 通 大 学 学 报 第51 卷 0° , 根 据 能 量 叠 加 原 理 ,采 用 声 压 级 的 平 均 值 的远场气动噪声指向性很明 90° , 180° , 270° 处 动 车 转 向 架 最大 显 ,最 大 声 压 级 达 到76. 5 dBA,与 1 (11) 声 η = 10 lg ( ∑ 10 ), I 压 级 相 差32. 7 dBA. … ,I, i = 1, 2, 束语 式 中 :η 为 第i 个 噪 声 评 估 点 所 得 到 的等效连续A 5 结 计 权 声 压 级 ; 文 主 要 进行了某型动车转向架的气动性能 本 测 点 总 数 I为 . 及 气 动 噪 声 研 究 ,探讨了动车转向架的流场特性 、 在 垂 向 平 面 中 ,I = 71. 由 图11 可 见 : 气 动 噪 声 声 源 分 布 、远 场 噪 声 传 播 及 动 车 转 向 架 各 (1)构架(η = 85. 45 dBA)对动车转向架远 部 件 对 远 场 总 噪 声 的 贡 献 量 等 问 题 ,对 动 车 转 向 架 场总噪声的贡献最大 ,其次为轮对(η = 气 动 噪 声 机 理 、衰减特性 、幅值特性及气动噪声指 79. 74 dBA),然 后为抗侧滚扭杆(η = 向 于 车 体 底 板 等 结 性 等 均 进 行 了 较 深 入 的 研 究 .关 79. 31 dBA)、 垂 向 减 振 器 (η = 78. 97 dBA)和枕梁 构 对 动 车 转 向 架 气 动 噪 声 的 影 响 需 要 进 一 步 研 究 . (η = 78. 52 dBA). 牵引电机1 (η = 77. 42 dBA)、 (1)轮 对 、构架 、牵引电机1、枕梁 、垂向减振 牵 引 电机2 (η = 77. 18 dBA )、空气弹簧(η = 器 、抗 侧 滚 扭 杆 等 部 件 的 迎 风 侧 凸 起 位 置 为 动 车 转 横向减振器(η = 64. 52 dBA)对远 向 75. 19 dBA)和 架 的 气 动 噪 声源 ,且迎风侧的垂向减振器 、抗侧 . 场 总 噪 声 的 贡 献 量 较 小 滚 扭 杆 和 枕 梁 对气动声源的贡献量最大 此 ,对 .因 (2)对 比 构 架 与 动 车 转 向 架 的 声 压 级 可 见 ,在 气 动 声 源 贡 献 较 大 的 部 位 进 行 结 构 设 计 ,降 噪 效 果 最大声压级相差9. 9 dBA;在θ = 会 180° 处 θ = 0° 和 . 很 显 著 最 大声压级相差3. 5 dBA. 可见构架 (2)动 270° 处 90° 和 车 转 向 架 在 各 平 面 内 具 有 衰 减 特 性 、幅 270° 处 在 的远场噪声辐射能量最多 ,指 值 θ = 90° 和 .动 车 转 向 架 远 场 气 特 性 和 气 动 噪 声 指 向 特 性 等 向 性 较 明 显 . 动噪声是宽频噪声 ,主要能量集中在28 ~ (3)轮 对 在 垂 向 平 面θ = 90° 和270° 处 的 气动 44. 7 kHz 范 围 内 频部分的主要能量集中在中 .低 噪 声 指 向 性很明显 ,最大声压级达到101. 6 dBA, 心 频 率为25 和50 Hz 附近 ,且分布规律不随运行 与 动 车 转 向 架 最 大 声 压 级 相 差4. 3 dBA. 速 度 的 改 变 而 变 化 . (4)枕 梁 的 气动噪声指向性主要在垂向平面 (3)对 动 车 转向架远场气动噪声总噪声贡献 的θ = 180° 处 ,在θ = 180° 处枕梁声压级与转向架 量 最 多 的 部 件 依 次 为 构 架 、轮 对 、抗 侧 滚 扭 杆 、垂 向 声 压 级相差12. 2 dBA,θ = 0°,90°,270° 处的最大 减 振 器 和 枕 梁 引电机1、牵引电机2、空气弹簧 .牵 声 压 级 分 别 相 差23. 6、13. 3 和13. 3 dBA. 和 横 向 减 振 器 对 远 场 总 噪 声 的 贡 献 量 较 小 . (5 )抗侧滚扭杆在θ = 0°,40°,90°,130°, 的远场噪声辐射较强 ,且 参考文献: 180° , 230° , 270° , 320° 处 气 动 噪 声 指 向 性 明 显 ,平 均 声 压 级 达 到79. 3 dBA, [1] 王伯铭. 高速动车组总体及转向架[M]. 成都:西南 最 大 声 压 级 与 动 车 转 向 架 声 压 级 相 差23. 5 dBA. 交 通 大 学 出 版 社 ,2014:2832. (6)垂 向 减 振器在垂向平面内的气动噪声指 [2] GAWTHORPE R G. Train drag reduction from simple design changes[J]. International Journal of Vehicle 向 性 不 明 显 ,其 与转向架声压级比较 ,最大声压级 Design,1982 ,3 (3 ):263274. 相 差25. 3 dBA. [ 3 ] KITAGAWA T, NAGAKURA K. Aerodynamic noise (7)牵 引 电 机1 主要对动车转向架在垂向平 generated by Shinkansen cars[J]. Journal of Sound and 面θ = 0°,85°,180°,275°处 的 远 场 气 动噪声辐射有 Vibration,2000 ,231 (5 ):913924. 贡 献 ,牵 引 电机2 主要对动车转向架在垂向平面 [4] MELLET C,L TOURNEAUX F,POISSON F,et al. 的远场气动噪声辐射有贡 95° , 180° , 265° 处 θ = 0° , High speed train noise emission:latest investigation of 献 ,其 中 在θ = 0° 和180° 处 对 远 场 气 动 噪 声 辐 射 的 the aerodynamic / rolling noise contribution[J]. Journal 贡 献 最 大 ,气 动 噪 声 指 向 性 很 明 显 . of Sound and Vibration,2006 ,293 (3 ):535546. (8)空 气 弹 簧在垂向平面内的远场气动噪声 [5] NAGAKURA K. Localization of aerodynamic noise 辐 射 指 向 性 不 明确 ,其与转向架声压级比较 ,最大 sources of Shinkansen train[J]. Journal of Sound and 声 压 级 相 差29. 4 dBA. 横 向 减 振 器 在 垂 向 平 面θ = Vibration,2006 ,293 (3 ):547556. 876. I. 0. 1η i. I. i =1. i. I. I. I. I. I. I. I. I. I.

(13) 第5 期. 张亚东,等:高速列车动车转向架气动噪声数值分析. [6] 高 阳 ,王 毅 刚 ,王 金 田 ,等 学 风 洞 中 的 高 速 列 车 模 . 声 型 气 动 噪 声 试验研究[J]. 声学技术 ,2013,32 (6 ): 506510. GAO Yang. ,WANG Yigang, WANG Jintian, et al.. Testing study of aerodynamic noise for highspeed train. 877. : , ( ):38993904. [11] ZHU J Y,HU Z W,THOMPSON D J.. of Central South University Science and Technology. ,. 2011 42 12. Analysis of. aerodynamic and aeroacoustic behaviour of a simplified. []. highspeed train bogie J .. Noise and Vibration. [] Technical Mitigation for Rail Transportation Systems,2015 ,126 : 489496. , , ( ):506510. . 高 [7] 郑 循 皓 ,张 继 业 ,张卫华 速列车转向架空气阻力 [12] GARNIER E,SAGAUT P,ADAMS N. Large eddy 的 数 值 模 拟 [J]. 交通运输工程学报 ,2011,11 (2 ): simulation for compressible flows[M]. [S. l. ]: 4551. Springer,2009 :172184. [13] FFOWCSWILLIAMS J E,HAWKINGS D L. Sound ZHENG Xunhao, ZHANG Jiye, ZHANG Weihua. model in aeroacoustic wind tunnel J .. Acoustic 2013 32 6. Numerical simulation of aerodynamic drag for highspeed. generation by turbulence and surfaces in arbitrary. [] motion[J]. Philosophical Transactions for the Royal Society of London, Series A, Mathematical and , , ( ):4551. Physical Sciences,1969 ,264 (1151 ):321342. . 横 [8] 郗 艳 红 ,毛 军 ,高 亮 ,等 风 作 用 下 高 速 列 车 转 向 架 非 定 常 空 气 动 力 特 性 [J]. 中南大学学报 :自然科学 [14] 郑拯宇 ,李人宪 速列车表面气动噪声偶极子声 . 高 ,2011, 版 ,2014,45(5):17051714. 源 分 布数值分析[J ]. 西南交通大学学报 XI Yanhong, MAO Jun, GAO Liang, et al. 46 (6 ):9961002. Aerodynamic force / moment for highspeed train bogie in ZHENG Zhengyu,LI Renxian. Numerical analysis of crosswind field[J]. Journal of Central South University: aerodynamic dipole source on highspeed train Science and Technology,2014 ,45 (5 ):17051714. surface[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, . 裙 2011 ,46 (6 ):9961002. [9] 杨 志 刚 ,高 羽 ,等 板 安 装 对 高 速 列 车 气 动 性 ?,陈 能 影响的数值分析[J ]. 计算机辅助工程 ,2010, [15] LIGHTHILL M J. On sound generated 19 (3 ):1621. aerodynamically: part 1 : general theory[J]. YANG Zhigang, GAO Zhe, CHEN Yu, et al. Proceedings of the Royal Society of London,Series A, Numerical analysis on influence on aerodynamic Mathematical and Physical Sciences,1952 ,211 :564 train bogie J . Journal of Traffic and Transportation. Engineering 2011 11 2. performance of highspeed train caused by installation of. []. skirt plates J . Computer Aided Engineering. 587.. ,2010, [16] ISO.. ISO 30952005 Railway applicationacoustics. 19 (3 ):1621. measurement of noise emitted by railbound vehicles[S]. [S. l. ]:ISO,2005. [10] 黄 莎 ,杨 明智 ,李志伟 ,等 速列车转向架部位气 . 高 动 噪 声 数值模拟及降噪研究[J]. 中南大学学报 : [17] 马 大 猷 代声学理论基础[M]. 北京 :科学出版 . 现 自 然 科 学 版 ,2011,42(12):38993904. 社 ,2004:5759. HUANG Sha, YANG Mingzhi, LI Zhiwei, et al. Aerodynamic noise numerical simulation and noise (中文编辑:秦萍玲 英文编辑:兰俊思) reduction of highspeed train bogie section[J]. Journal.

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参照

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