高速列车受电弓变截面弓杆及车体仿生表面声学特性仿真研究.pdf

2023年 第13卷 第3期Vol.13 No.3 2023铁 路 节 能 环 保 与 安 全 卫 生Railway Energy Saving&Environmental Protection&Occupational Safety and Health环境保护Environment Protection2023年第13卷第3期高速列车受电弓变截面弓杆及车体仿生表面声学特性仿真研究柳润东，潘永琛，何财松，李晏良，刘兰华（中国铁道科学研究院集团有限公司 节能环保劳卫研究所，北京 100081）摘要：高速列车气动噪声主要由结构诱导涡旋及结构表面的流体压力梯度变化形成，针对这2种噪声产生机制，结合DES分离涡模拟方法及Lighthill声比拟理论，计算了受电弓变截面弓杆及仿生表面织构2种气动降噪方式的声学特性，计算结果表明：通过本体结构及表面优化均可有效降低高速列车气动噪声；弓杆截面型式的改变会影响周边压力场的分布特性，进而改变结构自身表面声功率特性，实现降噪的效果；仿生表面织构通过在结构阵列面上形成二次涡群来降低结构表面气动噪声；倒角式横杆、椭圆形臂杆及菱形凹坑表面声学特性优于其他结构型式。关键词：高速列车；气动噪声；变截面弓杆；仿生表面；数值模拟中图分类号：U264.34 文献标识码：A DOI：10.16374/ki.issn2095-1671.2023.00280 引言气动噪声是指流体自身或与其他物体之间相互作用引起流体扰动而辐射的噪声，即不规则的流体自身运动或是流体与固体间相互运动所激发的流体内部应力与压力扰动在介质中的传播现象。高速列车运行时，空气流经车体表面曲面和不连续结构及一些结构部件处时，一般会发生流动分离、回流和涡旋脱落等复杂的流动现象，主要的气动声源与该现象紧密相关。随着列车速度的进一步提高，气动噪声在高速铁路总噪声中将占据主导地位，对环境噪声的影响也更为明显。国内外对高速列车气动噪声均开展过大量研究，如THOMPSON D J等1对高速列车气动噪声的预测及控制技术进行了讨论分析；POISSON F2通过数值分析方法研究了高速列车气动噪声的产生机理；IKEDA M等3对受电弓外形优化及应用表面多孔材料进行研究后认为结构外形改变及应用多孔材料可有效降低高速列车气动噪声；孙振旭等4对国内高速列车气动噪声的研究进展进行了总结，详细介绍了气动噪声研究的一系列实验及仿真方法，并对气动噪声优化方向进行了阐述；贾尚帅等5通过风洞试验，得到了高速列车整车、受电弓及转向架的气动噪声特性，认为气动噪声是一类宽频噪声，受电弓杆件结构诱发的噪声在收稿日期：2023-03-21修订日期：2023-05-18基金项目：中国铁道科学研究院集团有限公司科研开发基金项目(2021YJ162)作者简介：柳润东(1990)，男，河北石家庄人，副研究员，工学博士，主要从事铁路和城市轨道交通噪声与振动控制研究。文章编号：2095-1671（2023）03-0019-0619环境保护铁 路 节 能 环 保 与 安 全 卫 生2023年第13卷第3期中高频，而结构表面诱发的噪声主要在中低频，仿真计算结果验证了气动噪声数值计算方法的正确性，获得了高速列车气动噪声声能量分布；张亚东等6 对高速列车受电弓各部件的气动噪声特性进行了数值仿真分析，计算了受电弓各部件对总噪声的贡献量，认为碳滑板、平衡臂及上下臂杆等对远场气动噪声的贡献量最大，受电弓以开口方式运行噪声降低明显。国内学者对高速列车气动噪声的控制技术也开展了大量的研究，如乔渭阳等7回顾了仿生学气动噪声控制技术的研究历史并讨论其研究进展，认为需进一步加强基于湍流学的仿生降噪机理研究。刘海涛等8研究了受电弓气动噪声的产生机理，并对受电弓杆件截面形状进行了优化改进，认为部分降低气动噪声的设计方案反而会使气动阻力增加。汪久根等9应用计算流体力学基本理论及仿生设计方法，在高速列车车厢表面设计了雪花表面织构，并基于宽频噪声源模型计算了车厢表面的气动噪声分布，研究了不同排列方式的雪花基元的降噪效果。林世才等10以Prandtl边界层理论和摩擦噪声理论为基础，仿真分析了圆坑织构对摩擦噪声分布的影响，认为优化深径比可以明显降低结构表面的摩擦噪声。高速列车受电弓为杆件结构，列车行驶过程中气流绕过这些杆件产生脱落涡，从而产生明显的有调噪声，因而针对杆件外形进行优化对于受电弓减阻降噪具有重要意义。高速列车结构表面产生的低频噪声占据了气动噪声声能量的主要部分。本文主要针对高速列车最大声功率级出现的受电弓结构，以及对低频噪声影响较大的表面噪声进行了降噪方案设计，对受电弓变截面弓杆及车体表面仿生织构开展了仿真计算，对比了不同杆件及仿生表面织构的声功率级特性。1 计算方法及计算工况1.1基本控制方程高速列车气动噪声仿真方法主要有直接噪声模拟方法(Direct Noise Computation，DNC)和混合求解方法。直接求解方法由于计算效率限制，并不适合外形复杂、部件众多的高速列车气动噪声仿真，工程上主要采用混合求解方法。本文采用计算流体力学(Computation Fluid Dynamics，CFD)与Lighthill声学比拟积分法相结合的混合求解方法，获取不同截面弓杆与不同表面织构的流场及声场分布。该方法包含声源模拟和声传播求解2个步骤，首先通过CFD计算获得流场信 息，再 选 用 分 离 涡(Detached-Eddy Simulation，DES)模拟方法进行湍流计算；其次通过Lighthill基本方程将近场流动构造出气动声源。Lighthill气动声学基本控制方程为22-c202=2Tijyiyj（1）式中：Tij为 Lighthill 张量，Tij=ij-eij+ij(p)-c20ij(p)；ij为单位张量；eij为粘性应力张量，eij=xj(ixj+jxi-23ijkxk)；=-0，0为空气密度，为密度波动量；p=p-p0，p0为流场压力初值，p为流场压力脉动量；c0为声速。Lighthill方程反映了流体中声波运动方程与流场参数之间的关系，是研究固体边界及运动物体诱发流体噪声的基础方程，但由于方程中的声扰动量是一个极小量，而远场噪声所涉及的空间又极大，直接求解方程较难。Curle将Lighthill理论进行深入发展，充分考虑了流场中固体结构的影响，获得了Lighthill-Curle方程，即(x，y)-0=14c20 xixj0Vij|x-yd3y+xi0Vpni|x-yd2y （2）式中：方程右侧第一项为Tij导致的四极子声源，第二项为气体在固体边界上的压力脉动引起的偶极子噪声源。假定各向同性湍流场的Curle声功率模型可以计算得到偶极子声源产生的气动噪声，该模型可以表示高速气流在固体表面上产生的压力波动，并获得湍流边界层以低马赫数在结构表面产生的声功率级。1.2计算模型及边界条件选择受电弓变截面弓杆及车体仿生织构表面2类模型开展计算。高速列车受电弓为杆件结构，其杆件截面形状对20高速列车受电弓变截面弓杆及车体仿生表面声学特性仿真研究 柳润东 等2023年第13卷第3期环境保护受电弓气动噪声影响较大，受电弓结构上部横杆多为矩形截面，上下臂杆多为类圆形截面，如图1a所示。针对受电弓横杆设置矩形截面、半圆形截面、圆弧式截面及倒角式截面等结构型式，针对受电弓臂杆设置圆形截面、椭圆形截面及2种波浪形截面等结构型式，计算域及模型如图1b所示。为保持计算边界条件完全一致，将需要对比的4类横杆及4类臂杆分别放置在同一个计算域中，并且设置一定的间距，防止各杆件的流场相互影响。对于车体表面降噪技术，本文分别计算了圆形凸起、菱形表面及雪花状表面3类仿生表面，如图1c所示。自然界的生物等经过长时间的进化，自身的结构外形不断得到优化，使其能够最好的适应周围环境，3类仿生表面即分别来自座头鲸头部凸起、鲨鱼皮菱形表面织构及自然雪花。座头鲸头部和鳍状肢都分布有一层凸包结构，这种凸包结构可以改善周围流体的流动特性，不仅能够减小在水中游走时的阻力，还能降低座头鲸运动时产生的噪声，座头鲸圆形凸起如图2a所示。实践证明以鲨鱼皮为蓝本设计的泳衣能够降低游泳者的阻力，因而考虑仿生鲨鱼皮的表面织构，并在结构物表面设计菱形表面织构，也有可能降低结构表面气动噪声，鲨鱼皮表面如图2b所示。雪花在空中降落到地面，一方面空气中的水分子会结晶到雪花上；另一方面，雪花与空气摩擦，使摩擦阻力大的部位材料溶化，最后落到地面的雪花形状是与空气摩擦阻力最小，气动噪声也最低，雪花表面结构如图2c所示。计算网格均采用Trim切割体网格，在弓杆及表面织构结构区域进行网格加密，计算域左侧设置为速度入口，右侧为压力出口，其他为对称壁面，稳态流场计算采用剪切应力输运(Shear Stress Transport，SST)k-模型，计算总迭代1 000步，通过监控残差曲线、气动力和关键点速度，确定迭代达到收敛后使用DES分离涡模拟方法开始瞬态计算，时间步长为10-3 s，总共计算100个时间步，之后提取结构周边压力场分布及表面声功率级分布，横杆、臂杆及表面织构3类计算工况如表1所示。表1计算工况表工况工况1工况2工况3计算模型变截面弓杆-横杆(矩形横杆、倒角边横杆、半圆边、圆弧边)变截面弓杆-臂杆(圆柱杆、椭圆柱杆、变截面1、变截面2)仿生表面织构(圆柱、菱形、雪花)速度级/(km/h)250、300、350、400、450a b c 图 1受电弓变截面弓杆及仿生表面计算模型a b c 图 2仿生表面织构自然原型21环境保护铁 路 节 能 环 保 与 安 全 卫 生2023年第13卷第3期2 计算结果分析2.1变截面弓杆计算结果以350 km/h速度级为典型计算工况，提取变截面弓杆横杆及臂杆周边压力场分布，如图3所示。需对比的结构模型均放置在同一个计算域中，可以确保网格尺度、收敛格式及边界条件的一致性；同样以350 km/h为典型速度，提取横杆及臂杆表面声功率级分布如图4所示，采用同样的方式计算其他速度级下变截面弓杆的表面声功率级，计算结果如图5所示。由图3可知，高速气流流经弓杆结构后流动发生分离，在杆件迎风区域形成正压区，杆件上下区域形成负压区，在杆件尾流区域基本是负压区，但随后形成正负交替的漩涡脱落区，对于不同截面形状的弓杆，附近流场的正负压区域范围会发生较大的变化，同时尾流的涡旋脱落也与杆件截面密切相关，对于类 /dB/dB/(km/h)/(km/h)1 225030035040045025030035040045090951001051101151209095100105110a b 图5变截面弓杆表面最大声功率级图 4变截面弓杆声功率级分布云图a b 图 3变截面弓杆压力分布云图22高速列车受电弓变截面弓杆及车体仿生表面声学特性仿真研究 柳润东 等2023年第13卷第3期环境保护圆形臂杆截面，其负压区范围则更小一些。由图4可知，对于不同结构型式的变截面弓杆，其表面声功率级差异较大。由图5可知，倒角式截面的表面声功率级降低最为明显，比矩形柱截面型式降低89 dB。臂杆截面型式的改变会影响周边压力场分布特性，进而改变结构自身表面声功率特性，其中椭圆柱体的表面声功率级最小，原因是椭圆截面减小了迎风面积，增大了发声区域的面积，进而降低了最大声功率级。2.2仿生织构表面计算结果以350 km/h速度级为典型工况，通过同样的计算方法获得了圆柱、菱形及雪花状仿生织构周边的压力场分布云图和声功率级分布特性，如图6所示。提取出3类仿生表面不同速度级下的最大声功率级数据，如图7所示。由图6和图7可知，通过仿生表面流场结构发现在结构周边内部形成了二次涡，并且涡结构的旋向是向着有利于外流场流动的方向，由于在结构表面布置了一系列圆柱状、菱形或雪花状凹坑，每个凹坑内部都形成二次涡，组合起来则形成了二次涡群。二次涡群会将上方的高速流体与底部的仿生结构面分隔开来，一方面使二次涡群下方的流体保持较为低速流动a b c 图6不同仿生结构表面压力分布及声功率级分布/dB/(km/h)25030035040045095100105110115120125图7不同仿生织构表面最大声功率级23环境保护铁 路 节 能 环 保 与 安 全 卫 生2023年第13卷第3期的状态，起到了更高速度下稳定流场的作用；另一方面，二次涡群上方的高速流体从二次涡上流过，减少了高速流体与结构壁面的直接摩擦，从而起到降低结构表面气动噪声的作用，由声压级分布云图及声功率级数据对比可知，菱形凹坑在3类仿生表面中的声功率级最小。3 结论由上述研究结果可知：（1）通过本体结构中杆件截面结构及表面结构优化均可有效降低高速列车气动噪声；（2）弓杆截面型式的改变会影响周边压力场的分布特性，进而改变结构自身表面声功率特性，实现降噪的效果；（3）仿生表面织构通过在结构阵列面上形成二次涡群来降低结构表面气动噪声；（4）倒角式横杆、椭圆形臂杆及菱形凹坑表面声学特性要优于其他结构型式。参考文献：1 THOMPSON D J，IGLESIAS E L，LIU X，et al.Recent Developments in the Prediction and Control of Aerodynamic Noise from High-speed TrainsJ.International Journal of Rail Transportation，2015，3(3)：119-150.2 POISSON F.Railway Noise Generated by High-Speed TrainsJ.Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design，2015，126(1)：457-480.3 IKEDA M，MITSUMOJI T，SUEKI T，et al.Aerodynamic Noise Reduction in Pantographs by Shape-smoothing of the Panhead and Its Support and by Use of Porous Material in Surface CoveringsJ.Quarterly Report of Rtri，2010，51(4)：220-226.4 孙振旭，姚永芳，杨焱，等.国内高速列车气动噪声研究 进 展 概 述 J.空 气 动 力 学 学 报，2018，36(3)：385-397.5 贾尚帅，张文敏，韩铁礼，等.高速动车组气动噪声试验与仿真分析J.应用声学，2021，40(4)：611-618.6 张亚东，张继业，张卫华.高速受电弓气动噪声特性分析J.铁道学报，2017，39(5)：47-56.7 乔渭阳，仝帆，陈伟杰，等.仿生学气动噪声控制研究的历史、现状和进展J.空气动力学学报，2018，36(1)：98-121.8 刘海涛，徐志龙.基于仿生非光滑结构的高速列车受电弓杆件减阻降噪研究J.噪声与振动控制，2018，38(S1)：269-272.9 汪久根，陈仕洪.Koch雪花表面织构设计与高铁空气摩擦噪声分析J.机械工程学报，2014，50(7)：78-83.10林世才，汪久根.圆坑织构高速列车气固界面的摩擦噪声分析J.交通运输工程学报，2012，12(3)：53-59.Simulation Research on Acoustic Characteristics of Pantograph Pole with Variable Section and Bionic Surface of High-speed TrainLIU Rundong，PAN Yongchen，HE Caisong，LI Yanliang，LIU Lanhua(Energy Saving&Environmental Protection&Occupational Safety and Health Research Institute，China Academy of Railway Sciences Co.,Ltd.，Beijing 100081，China)Abstract:The aerodynamic noise of high-speed train is mainly formed by the structure induced vortex and the change of fluid pressure gradient on the structure surface.Aiming at the two noise generation mechanisms,the acoustic characteristics of two aerodynamic noise reduction methods,variable section pantograph bar and bionic surface texture are calculated combined with DES separated vortex simulation method and Lighthill acoustic analogy theory.The calculation results show that:the aerodynamic noise of high-speed train can be effectively reduced through body structure and surface optimization.The change of cross-section type of bow bar will affect the distribution characteristics of peripheral pressure field,and further change the sound power characteristics of the structure surface to achieve the effect of noise reduction.Bionic surface texture can reduce the aerodynamic noise on the structure surface by forming secondary vortices on the structure array surface.The surface acoustic characteristics of chamfered cross bar,elliptical arm bar and diamond pit are better than other structure types.Keywords:High-speed train；Aerodynamic noise；Variable section pantograph pole；Bionic surface；Numerical simulation24