李朝威

(中國北車集團(tuán) 長春軌道客車股份有限公司技術(shù)中心，吉林 長春 130062)

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基于氣動噪聲的城際列車空調(diào)導(dǎo)流罩外形優(yōu)化

李朝威

(中國北車集團(tuán) 長春軌道客車股份有限公司技術(shù)中心，吉林 長春 130062)

采用NLAS方法對某時速250 km/h城際列車進(jìn)行氣動噪聲數(shù)值分析，重點(diǎn)研究了空調(diào)區(qū)域噪聲源的分布特性.根據(jù)仿真分析結(jié)果對客室空調(diào)導(dǎo)流罩的四個邊緣和四個角點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后導(dǎo)流罩的最大聲壓級為110 dBA，比原方案的聲壓級降低6 dBA.

氣動噪聲；城際列車；空調(diào)單元；優(yōu)化設(shè)計

0 前言

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裝備是城際列車[1-2].盡管城際列車的運(yùn)行速度比高速列車要低，但其氣動噪聲已成為其主要的噪聲源之一，和高速列車氣動噪聲有類似的特性.目前，針對高速列車的主要?dú)鈩釉肼曉?，如：頭車、轉(zhuǎn)向架、受電弓、車廂連接處的研究較多[3-5]，對空調(diào)導(dǎo)流罩產(chǎn)生的氣動噪聲研究較少，但空調(diào)導(dǎo)流罩作為車身上的突出物，設(shè)計不合理時會產(chǎn)生嚴(yán)重氣流分離而產(chǎn)生氣動噪聲.城際列車的空調(diào)導(dǎo)流罩也存在同樣的問題，在設(shè)計過程中其氣動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)行時產(chǎn)生的氣動噪聲可分為兩類[6-7]：一類是由于流場中穩(wěn)定的特征結(jié)構(gòu)引起的氣動噪聲，類似于法國TGV列車在列車頂端的受電弓導(dǎo)流罩[8]，可以視為剪切邊界層和聲波分別處理的氣動噪聲源；另一類是由于湍流脈動引發(fā)的氣動噪聲，這類噪聲源主要集中在列車壁面的湍流邊界層內(nèi)，或者流動發(fā)生分離的位置，如空調(diào)導(dǎo)流罩，若設(shè)計不合理在其前后緣和側(cè)面都會有分離產(chǎn)生.

本文主要采用NLAS方法，對時速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)流罩的近場噪聲特性，并對導(dǎo)流罩局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)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(wěn)態(tài)的RANS計算.在RANS計算中采用非線性各向異性湍流模式cubic k-epsilon模式[9-11].

時速250 km/h城際列車的聲源特性分析模型為三節(jié)車廂編組(參見圖1)，為真實反映列車實際運(yùn)行場景，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度L為特征長度，來流方向取1L，出口方向取2L；外場高度取0.53L，寬度取0.8L，車體離地面的高度為0.002 35L(實車運(yùn)行時輪軌接觸點(diǎn)距離地面的高度)，如圖2所示.

(a)幾何模型

(b)受電弓 (c)客室空調(diào)

圖1 列車聲源特性分析模型

圖2 列車聲源特性分析的計算域

進(jìn)行穩(wěn)態(tài)RANS計算時，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)動壁面，且運(yùn)行速度與來流速度相同.在遠(yuǎn)場邊界位置設(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氣動噪聲計算時，將入口、遠(yuǎn)場、出口邊界設(shè)定為NLAS外場邊界，且在這三個位置分別設(shè)置3層吸收層以防止聲波的反射對內(nèi)流場區(qū)域造成污染.進(jìn)行湍流脈動量重構(gòu)時Fourier級數(shù)項設(shè)定為200.NLAS的時間步長設(shè)定為2e-5 s，計算總時間步數(shù)設(shè)定為15 000步，計算模擬時長0.3 s.

2 結(jié)果分析

時速250 km/h城際列車的空調(diào)導(dǎo)流罩附近的流線如圖3所示.由圖3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.

圖3 空調(diào)導(dǎo)流罩區(qū)域流線

城際列車共有八個空調(diào)導(dǎo)流罩，司機(jī)室和客室的空調(diào)導(dǎo)流罩噪聲測點(diǎn)布置如圖4所示.司機(jī)室流罩上的四個測點(diǎn)1、2、3、4分別對應(yīng)測點(diǎn)編號為13 690 835、189 358、9 881 411和47 327.圖5給出了這四個測點(diǎn)的聲壓級隨頻率的變化曲線，由圖可以看出，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(xiàn)在導(dǎo)流罩的上游上方側(cè)棱處.

(a)司機(jī)室空調(diào)(b)客室空調(diào)

圖4 空調(diào)導(dǎo)流罩噪聲測點(diǎn)布置示意圖

(a)測點(diǎn)1(b)測點(diǎn)2

(c)測點(diǎn)3(d)測點(diǎn)4

圖5 司機(jī)室空調(diào)測點(diǎn)聲壓級-頻率曲線

客室空調(diào)導(dǎo)流罩的三個測點(diǎn)1、2、3分別對應(yīng)測點(diǎn)編號為5 470 758、9 881 150和6 942 553.圖6給出了這三個測點(diǎn)的聲壓級隨頻率的變化曲線，從圖6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)邊的下游流場區(qū)域易發(fā)生流動分離形成強(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.

(a)測點(diǎn)1 (b)測點(diǎn)2

(c)測點(diǎn)3

接下來將針對司機(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)流罩上的測點(diǎn)3位置，客室空調(diào)導(dǎo)流罩上測點(diǎn)2位置，即上游上方側(cè)邊測點(diǎn)為例進(jìn)行比較.因為該車三輛編組，因此共八個測點(diǎn).表1給出了這八個測點(diǎn)對應(yīng)的最大噪聲聲壓級.

由表1可以看出：客室空調(diào)導(dǎo)流罩聲壓級均在115 dBA以上，接近受電弓的空調(diào)導(dǎo)流罩聲壓級最大值為123.5 dBA.另外，司機(jī)室空調(diào)導(dǎo)流罩附近的聲壓級均比客室空調(diào)導(dǎo)流罩的小，在110 dBA以下.

表1 測點(diǎn)最大A計權(quán)聲壓級

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

經(jīng)過數(shù)值分析，時速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)如圖7所示.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)置一個測點(diǎn)，共三個測點(diǎn)(參見圖7)，測點(diǎn)1、2、3分別對應(yīng)編號為15 768 232、15 771 904和15 634 199，這三個測點(diǎn)的聲壓頻譜曲線如圖8所示.可以看到，優(yōu)化模型第二空調(diào)導(dǎo)流罩區(qū)域最大A計權(quán)聲壓級得到了有效抑制，三個測點(diǎn)最大A計權(quán)聲壓級不超過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)邊測點(diǎn)上.由于優(yōu)化模型在導(dǎo)流罩的四個邊緣以及四個角點(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)時均不會產(chǎn)生大幅擾動，所以，氣動噪聲得到了有效抑制.

圖7 優(yōu)化后空調(diào)導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)示意圖

(a)測點(diǎn)1 (b)測點(diǎn)2

(c)測點(diǎn)3

4 結(jié)論

時速250 km/h三節(jié)車廂編組城際列車的聲源特性分析表明：

(1)對同一個空調(diào)導(dǎo)流罩而言，其最大噪聲聲壓級出現(xiàn)在導(dǎo)流罩的上游上方側(cè)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(dǎo)流罩模型的四個邊緣和四個角點(diǎn)進(jìn)行了形狀優(yōu)化，保證任何方向的氣流流經(jīng)時均不會產(chǎn)生大幅擾動，從而氣動噪聲得到有效抑制.

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Optimization Design of Intercity Train HVAC Unit based on Aerodynamic Noise

LI Chaowei

(R&D Center Changchun Railway Vehicles Co.,Ltd,Changchun 130062,China)

Aerodynamic numerical analysis of 250 km/h intercity train was accomplished,and noise characteristics of its air-conditioned area was analyzed by NLAS method.Then 4 edges and corners of the air deflector was optimized.The maximum SPL of the improved air deflector is 6 dBA lower than the original design.

aerodynamic noise;intercity trains;HVAC unit;optimize design

1673-9590(2015)03-0039-04

2014-05-19

國家科技部863課題資助項目(2011AA11A103)

李朝威(1982-),女，工程師,碩士研究生，主要從車輛空調(diào)系統(tǒng)領(lǐng)域的研究E-mail:lichaowei@cccar.com.cn.

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