劉曉日，羅江澤，趙 哲，黎 蘇，李 揚(yáng)

(河北工業(yè)大學(xué) 能源與環(huán)境工程學(xué)院，天津 300401)

隨著社會(huì)的發(fā)展，高速列車(chē)越來(lái)越多地出現(xiàn)在人們的生活中，因其高速特性，乘坐高鐵出行極大地縮短了人們的乘車(chē)時(shí)間。但諸多因素阻礙了高速列車(chē)的進(jìn)一步發(fā)展，最突出的問(wèn)題便是其高速行駛時(shí)巨大的行車(chē)阻力對(duì)電力資源極大的需求以及噪聲對(duì)人們正常生活的影響，因此降低高速列車(chē)的行車(chē)阻力和噪聲近年來(lái)成為人們研究的熱點(diǎn)[1]。列車(chē)的氣動(dòng)阻力與速度的平方成正比，隨著列車(chē)速度的提高，氣動(dòng)阻力在總阻力中所占比例逐漸增加，列車(chē)速度超過(guò)一定值時(shí)，氣動(dòng)阻力成為高速列車(chē)的主要阻力[2]。通過(guò)高速列車(chē)氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠有效降低氣動(dòng)阻力、提高高速列車(chē)的氣動(dòng)性能[3]。對(duì)于時(shí)速為250～300 km·h-1的高速列車(chē)來(lái)說(shuō)，總阻力的75%～80%起因于外部氣動(dòng)阻力[4]。高速列車(chē)的頭部對(duì)周?chē)諝饬鲌?chǎng)具有決定性的影響，從列車(chē)頭部著手改善車(chē)體外形是研究的重點(diǎn)[5]。當(dāng)列車(chē)的運(yùn)行速度達(dá)到300 km·h-1，列車(chē)運(yùn)行所產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲將會(huì)超過(guò)輪軌噪聲，成為高速列車(chē)的主要噪聲[6]。文獻(xiàn)[4]將理論分析、實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬相結(jié)合，對(duì)不同型號(hào)的高速列車(chē)各種行駛環(huán)境下的空氣動(dòng)力特性以及噪聲源進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[7]建立3種縱向剖面線和3種水平剖面線組合下的9種高速列車(chē)頭型，研究了頭部控制線形狀對(duì)高速列車(chē)氣動(dòng)噪聲的影響。文獻(xiàn)[8]通過(guò)對(duì)鐵路車(chē)輛噪聲源機(jī)理和噪聲源位置的分析，提出了降低噪聲的方法。文獻(xiàn)[9]研究了不同速度下高速列車(chē)周?chē)鲌?chǎng)的變化，得出氣動(dòng)噪聲在很寬的頻帶內(nèi)存在，是1種寬頻噪聲；控制列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的脈動(dòng)壓力，能夠減少氣動(dòng)噪聲。文獻(xiàn)[10]對(duì)4種不同頭部外形高速列車(chē)的氣動(dòng)性能進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)表明車(chē)頭外形越細(xì)長(zhǎng)，對(duì)減阻越有利。文獻(xiàn)[11]對(duì)鼻尖高度、排障器前端伸縮量、轉(zhuǎn)向架區(qū)域擋板傾角等關(guān)鍵設(shè)計(jì)變量進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)以及與氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)噪聲的相關(guān)性分析，在此基礎(chǔ)上提出了綜合性能較佳的新頭型氣動(dòng)外形。文獻(xiàn)[12]對(duì)高速列車(chē)的流線型頭型進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的列車(chē)氣動(dòng)阻力減小了4.15%。

本文應(yīng)用等比例同距離方法對(duì)高速列車(chē)頭部進(jìn)行模型構(gòu)建，將車(chē)頭長(zhǎng)度設(shè)置成模型變化的唯一參數(shù)，從理論上保證了模型的相似性。寬頻噪聲模型采用的RNG k-epsilon模型做定常計(jì)算，F(xiàn)W-H聲學(xué)模型采用大渦模擬(LES)模型進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算，同時(shí)對(duì)高速列車(chē)的表面壓力、阻力、升力、氣動(dòng)噪聲偶極子聲源、遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)噪聲特性進(jìn)行分析，并總結(jié)出這些參數(shù)隨車(chē)頭長(zhǎng)度的變化規(guī)律，將同一速度、不同高速列車(chē)模型附近的脈動(dòng)壓力分布規(guī)律和遠(yuǎn)聲場(chǎng)信息進(jìn)行對(duì)比分析。

1 計(jì)算模型

1.1 理論基礎(chǔ)

寬頻噪聲模型采用的RNG k-epsilon模型做定常計(jì)算，F(xiàn)W-H聲學(xué)模型采用大渦模擬(LES)模型進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算。

RNG k-epsilon方程為

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(1)

(2)

式中：GK表示由于平均速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；Gb表示由于浮力而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；YM代表在可壓縮湍流中波動(dòng)膨脹的貢獻(xiàn)對(duì)總耗散率的貢獻(xiàn)；αK和αε分別表示k和ε的逆普朗得系數(shù)；Sk和Sε為自定義有源項(xiàng)。

大渦模擬(LES)控制方程為

(3)

(4)

對(duì)于高速列車(chē)氣動(dòng)噪聲的研究，常采用萊特希爾(Lighthill)的理論,用單極子、偶極子和4極子聲源來(lái)代表氣動(dòng)噪聲源。單極子和偶極子聲源分布于物體的表面，4極子聲源分布于物體周?chē)牧黧w空間。當(dāng)分析問(wèn)題時(shí)，因?yàn)閷⑦\(yùn)動(dòng)的固體視為剛體，所以忽略了單極子聲源。Lighthill總結(jié)了流場(chǎng)中4極子和偶極子所產(chǎn)生的聲強(qiáng)比為ΙQ/Ιd∝(Uo/ao)2H(R)，其中的Uo為物體運(yùn)動(dòng)的速度，ao為當(dāng)?shù)芈曀佟Ｓ纱丝傻?，氣?dòng)噪聲中4極子聲源與偶極子聲源強(qiáng)度之比正比于馬赫數(shù)的平方。本文中設(shè)定高鐵的運(yùn)動(dòng)速度約為0.285馬赫，屬于低馬赫運(yùn)動(dòng)，其4極子源噪聲強(qiáng)度遠(yuǎn)小于偶極子源，故4極子源也可忽略不計(jì)。流體對(duì)固體的脈動(dòng)壓力不能產(chǎn)生流體中的聲波而是固體中的振動(dòng)波，只有固體對(duì)流體的起伏力能導(dǎo)致聲波的產(chǎn)生，高速列車(chē)的噪聲源可簡(jiǎn)化成偶極子聲源。在做這種簡(jiǎn)化時(shí)聲源的尺寸應(yīng)遠(yuǎn)小于其向外輻射聲波的波長(zhǎng)，而高速列車(chē)的長(zhǎng)度大，所以在高速列車(chē)的表面分布有無(wú)窮多個(gè)偶極子聲源。因此，了解高速列車(chē)表面的氣動(dòng)偶極子分布規(guī)律，是降低高速列車(chē)氣動(dòng)噪聲的基礎(chǔ)。

不同聲源的聲輻射場(chǎng)是不同的，而運(yùn)動(dòng)聲源的聲輻射場(chǎng)又不同于靜止聲源的聲輻射場(chǎng)，流場(chǎng)中勻速運(yùn)動(dòng)固壁表面所誘發(fā)的氣動(dòng)偶極子聲源的空間聲輻射指向特性與諸多因素相關(guān)，譬如物體的運(yùn)動(dòng)速度、脈動(dòng)壓力的頻率、偶極子的運(yùn)動(dòng)方向和觀察者方向的夾角等。在實(shí)際的監(jiān)測(cè)過(guò)程中還需考慮運(yùn)動(dòng)聲源的多普勒效應(yīng)，隨著聲源與接受者之間距離的縮短，收到的聲波頻率較高。綜上所述，獲得高速列車(chē)周?chē)穆晥?chǎng)信息是非常困難的[13]，需要設(shè)置有限個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)這些點(diǎn)的變化情況來(lái)推測(cè)整個(gè)聲場(chǎng)的變化[14]。

1.2 幾何模型

在改變車(chē)頭長(zhǎng)度的同時(shí)車(chē)頭曲面也會(huì)發(fā)生變化，保證不同長(zhǎng)度的車(chē)頭曲面的相似性是研究問(wèn)題的基礎(chǔ)。如圖1所示，選定1條主軸線，主軸線起始于水平樣條控制線和橫向樣條控制線的交點(diǎn)，沿水平方向終止于車(chē)身控制線所在的平面。主軸線的長(zhǎng)度即表示車(chē)頭的長(zhǎng)度，使得生成車(chē)頭曲面的控制線和主軸線通過(guò)若干條距離控制線(圖中未標(biāo)記線條均為距離控制線)相關(guān)聯(lián)，即可在改變主軸線的同時(shí)使得頭型控制線改變。按上述方法應(yīng)用進(jìn)行三維建模，在車(chē)頭曲面生成過(guò)程中車(chē)頭形狀僅由水平、橫向樣條控制線和車(chē)身形狀控制線決定。車(chē)頭的長(zhǎng)度由主軸線的長(zhǎng)度確定，在生成5～13 m車(chē)頭長(zhǎng)度過(guò)程中僅通過(guò)改變主軸線的長(zhǎng)度，便可得到不同的模型形狀。車(chē)尾和車(chē)頭長(zhǎng)度是相同的。

圖1 高速列車(chē)簡(jiǎn)化模型形狀控制線

高速列車(chē)運(yùn)行時(shí)通常為6～8節(jié)車(chē)廂，每節(jié)車(chē)廂的長(zhǎng)度在24～27 m范圍內(nèi)，總長(zhǎng)度超過(guò)200 m。中國(guó)還開(kāi)始試驗(yàn)運(yùn)行世界首列加長(zhǎng)版16輛編組列車(chē)，總長(zhǎng)度將超過(guò)400 m。由于高速列車(chē)外形較為復(fù)雜，考慮到計(jì)算規(guī)模，有必要對(duì)其外形進(jìn)行簡(jiǎn)化。列車(chē)行駛時(shí)，氣流在中間車(chē)的結(jié)構(gòu)層趨于穩(wěn)定，在各個(gè)中間車(chē)脈動(dòng)壓力情況較為一致，因此本文建立了由3節(jié)車(chē)廂組成的列車(chē)模型，包括頭車(chē)、尾車(chē)和1節(jié)中間車(chē)。由于車(chē)頭長(zhǎng)度為變量，本文的列車(chē)模型長(zhǎng)度范圍為70～86 m。圖2為高速列車(chē)簡(jiǎn)化模型，圖3為5個(gè)長(zhǎng)度不同的列車(chē)模型頭部對(duì)比。

圖2 高速列車(chē)簡(jiǎn)化模型

圖3 車(chē)頭長(zhǎng)度分別為5，7，9，11，13 m時(shí)模型頭部側(cè)視圖

1.3 網(wǎng)格劃分

在列車(chē)周?chē)? m的空間區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,流動(dòng)區(qū)域的其他部分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格比非結(jié)構(gòu)化具有網(wǎng)格生成的速度快、質(zhì)量好、網(wǎng)格數(shù)量少的特點(diǎn)，并且在結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的生成過(guò)程中通過(guò)控制邊線的節(jié)點(diǎn)數(shù)以及節(jié)點(diǎn)的分布規(guī)律，使得從高速列車(chē)由內(nèi)到外網(wǎng)格由密變疏，以更加準(zhǔn)確地捕捉高速列車(chē)周?chē)男〕叨葴u。因此，針對(duì)高速列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)和聲場(chǎng)模擬過(guò)程中存在的巨大空間區(qū)域，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的應(yīng)用可以極大方便地解決由非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格導(dǎo)致的數(shù)值模擬計(jì)算精度差問(wèn)題。本文中不同模型的網(wǎng)格數(shù)量因不同車(chē)頭長(zhǎng)度的改變而不同，5 m時(shí)總網(wǎng)格數(shù)量約為923萬(wàn)個(gè)，13 m時(shí)網(wǎng)格數(shù)量約為1 275萬(wàn)個(gè)。流場(chǎng)域網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 流場(chǎng)域網(wǎng)格劃分

1.4 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

在簡(jiǎn)化模型2 m區(qū)域之內(nèi)采用了非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其他區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。為減少由于網(wǎng)格帶來(lái)的計(jì)算誤差，保證數(shù)值模擬的精準(zhǔn)度，取車(chē)頭長(zhǎng)度為9 m的模型，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格使用4種不同數(shù)量的網(wǎng)格，不同網(wǎng)格方案的不同主要體現(xiàn)在非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格數(shù)量的差異，按照非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格數(shù)量從小到大分別將4種方案命名為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ。以k-epsilon穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)結(jié)果下求得的阻力作為評(píng)估網(wǎng)格質(zhì)量的指標(biāo)，由表1可得。隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，所得出的阻力也逐漸增大。通過(guò)相鄰方案的阻力相對(duì)變化率可以看出由模型Ⅲ到模型Ⅳ，阻力變化率僅為1.0%，遠(yuǎn)小于模型Ⅱ及Ⅲ對(duì)應(yīng)的5.5%和5.6%。考慮到阻力變化率和節(jié)省計(jì)算機(jī)資源，本文采用第Ⅲ種網(wǎng)格方案。

表1 不同網(wǎng)格方案對(duì)比

1.5 計(jì)算區(qū)域及邊界條件

如圖5所示，高速列車(chē)正前方來(lái)流方向截面為入口邊界，設(shè)置為速度入口條件，速度為350 km·h-1。正后方截面為出口邊界，設(shè)置為壓力出口條件。高速列車(chē)的左側(cè)、右側(cè)和正上方截面設(shè)置為對(duì)稱(chēng)邊界，列車(chē)表面設(shè)置為無(wú)滑移壁面邊界。為了模擬地面效應(yīng)，地面設(shè)置為滑移地面，其滑移速度為列車(chē)運(yùn)行速度。列車(chē)與地面之間的距離為0.376 m。圖中L，W和H分別代表高速列車(chē)簡(jiǎn)化模型的長(zhǎng)寬高[15]，整個(gè)計(jì)算域的長(zhǎng)度為4L，寬度為24W，高為10H。

圖5 計(jì)算區(qū)域尺寸(m)

2 動(dòng)力特性結(jié)果

2.1 壓力

由圖6可知，當(dāng)高速列車(chē)車(chē)頭長(zhǎng)度為5 m，速度為350 km·h-1時(shí)，車(chē)尖壓力最大處達(dá)到5 665 N。隨后沿車(chē)頭壓力逐漸降低，一直降低到負(fù)壓區(qū)，在車(chē)頭與車(chē)身連接處達(dá)到最小值-4 405 N，再沿車(chē)身方向壓力值先小幅度上升，隨后維持在1個(gè)固定值保持不變。在達(dá)到車(chē)尾與車(chē)身連接過(guò)渡區(qū)域時(shí)壓力再次降低，達(dá)到與車(chē)頭和車(chē)身連接過(guò)渡區(qū)域相同的負(fù)壓值，并且負(fù)壓區(qū)出現(xiàn)的區(qū)域和負(fù)壓值沿車(chē)身中間面呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)趨勢(shì)。到車(chē)尾部，壓力值逐漸增大直至車(chē)尾末達(dá)到1 158 N。

圖6 車(chē)頭長(zhǎng)度為5 m時(shí)列車(chē)表面壓強(qiáng)分布云圖

對(duì)比5～13 m不同車(chē)頭長(zhǎng)度的高速列車(chē)表面壓力分布均有相同的壓力分布趨勢(shì)，且最大壓力值保持在5 560～5 750 N之間(因計(jì)算誤差有小幅度波動(dòng))，但最小壓力值呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。若曲線擬合方程為Y=-9 702.571 43+1 337.428 57x-52.857 14x2，則R2=0.988 6。擬合曲線如圖7所示。

2.2 阻力和升力

由圖8可知隨著車(chē)頭長(zhǎng)度的增加，氣流的分離減弱，壓差阻力呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，變化趨勢(shì)趨向平緩，由5 m時(shí)的2 649.37 N減小至13 m時(shí)的500.46 N。摩擦阻力呈線性上升趨勢(shì)，由5 m時(shí)的6 457.21 N增長(zhǎng)到13 m時(shí)7 327.75 N。在壓差阻力和黏性阻力的綜合作用下總阻力呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)。由此可得，通過(guò)增加車(chē)頭長(zhǎng)度來(lái)減少阻力會(huì)有1個(gè)極限值，過(guò)大的車(chē)頭長(zhǎng)度反而會(huì)使得阻力增加。

圖7 最小靜壓力隨車(chē)頭長(zhǎng)度的變化

氣動(dòng)阻力擬合曲線方程：

Y=6 424.59-963.64x+39.36x2，

R2=0.979

摩擦阻力曲線擬合方程：

Y=5 923.95+107.79x，R2=0.998

總阻力曲線擬合方程：

Y=15 462-2 037.88x+179.02x2-5.19x3，R2=0.988

圖8 阻力隨車(chē)頭長(zhǎng)度變化曲線

由圖9可知高速列車(chē)車(chē)頭長(zhǎng)度為5 m，是升力的絕對(duì)值，最大為598.34 N。將車(chē)頭長(zhǎng)度為7～15m的列車(chē)模型升力值取絕對(duì)值之后，均小于200 N，并無(wú)明顯差異。這表明車(chē)頭長(zhǎng)度過(guò)小將導(dǎo)致升力的絕對(duì)值過(guò)大，車(chē)頭長(zhǎng)度大于等于7 m之后升力的絕對(duì)值趨于穩(wěn)定。負(fù)的升力值讓列車(chē)在輪軌上平穩(wěn)行駛，但如果負(fù)升力值過(guò)大，將產(chǎn)生過(guò)大的摩擦阻力，為克服摩擦阻力將消耗過(guò)多的電力資源。

圖9 升力隨車(chē)頭長(zhǎng)度變化趨勢(shì)

3 氣動(dòng)噪聲

3.1 聲功率級(jí)分布特性

對(duì)比5～13 m不同長(zhǎng)度的高速列車(chē)簡(jiǎn)化模型表面偶極子聲功率級(jí)分布云圖可知，列車(chē)表面的最大聲功率級(jí)出現(xiàn)在車(chē)頭部位，車(chē)身部位的聲功率級(jí)比車(chē)頭部位進(jìn)一步減小，并且保持一定，不隨車(chē)身變化。車(chē)身與車(chē)尾連接處聲功率級(jí)較大，直至車(chē)尾盡頭聲功率級(jí)處于比較低的水平。隨著車(chē)頭長(zhǎng)度的增加，車(chē)頭部位最大聲功率級(jí)呈現(xiàn)出減小趨勢(shì)，兩者的關(guān)系接近線性，如圖11所示。若擬合函數(shù)定義為y=-0.955x+106.33，則R2=0.97。而車(chē)身部分并無(wú)差別，車(chē)身與車(chē)尾連接處聲功率級(jí)呈現(xiàn)出減小趨勢(shì)，尾車(chē)的聲功率級(jí)分布更加均勻。

圖10 5～13 m長(zhǎng)度車(chē)頭的列車(chē)表面聲功率級(jí)分布對(duì)比云圖

圖11 最大聲功率級(jí)隨車(chē)頭長(zhǎng)度變化趨勢(shì)

3.2 遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)特性

根據(jù)數(shù)值模擬所得到的聲場(chǎng)結(jié)果，在距軌道25 m遠(yuǎn)、距地面高3.5 m的區(qū)域，布置11個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，列車(chē)行駛方向依次為1～11監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖12所示。監(jiān)測(cè)點(diǎn)3和9分別對(duì)應(yīng)車(chē)身段的起點(diǎn)和終點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)2和點(diǎn)10分別對(duì)應(yīng)列車(chē)的起點(diǎn)和終點(diǎn)，相鄰監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的距離為10 m。

圖12 遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)噪聲數(shù)值仿真監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布示意圖

從圖13可以看出，隨著車(chē)頭長(zhǎng)度的增加，點(diǎn)1和點(diǎn)11的聲壓級(jí)呈現(xiàn)出減少趨勢(shì)。點(diǎn)1聲壓級(jí)減少趨勢(shì)較為緩和，總共下降3.67 dB，而車(chē)頭長(zhǎng)度從5 m到7 m點(diǎn)11聲壓級(jí)下降較大，達(dá)到7.06 dB，隨后大致保持不變；點(diǎn)2和點(diǎn)10聲壓級(jí)并無(wú)明顯變化，和車(chē)身部位相對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)總體上呈現(xiàn)出增大趨勢(shì)，由9 m至11 m聲壓級(jí)增大幅度最大。由于高速列車(chē)模型為簡(jiǎn)化模型，并沒(méi)有包括輪轂、轉(zhuǎn)向架和受電弓等復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，因此仿真得到的聲壓級(jí)較小。

圖13 各個(gè)數(shù)值仿真監(jiān)測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)隨車(chē)頭變化情況

針對(duì)和車(chē)身部位相對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)3—9呈現(xiàn)出的增大趨勢(shì)，為更好地對(duì)比其差別，將車(chē)頭長(zhǎng)度一定時(shí)的這7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)求和之后取平均值，如圖14所示。由圖可見(jiàn)，隨著車(chē)頭長(zhǎng)度的增加，車(chē)身部位所對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)的平均聲壓級(jí)呈現(xiàn)出非線性的增加趨勢(shì)，車(chē)頭長(zhǎng)度在5～13 m范圍內(nèi)，聲壓級(jí)增長(zhǎng)幅度呈增大趨勢(shì)，若擬合方程為Y=75.94-0.95x+0.087x2，則R2=0.953 5。

由7個(gè)聲壓級(jí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)可以看出高速列車(chē)遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓級(jí)的大致規(guī)律，車(chē)身對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)大致相等，沿兩端方向聲壓級(jí)開(kāi)始逐漸降低，沿頭車(chē)方向比沿尾車(chē)方向聲壓級(jí)降低緩慢。一般認(rèn)為，高速列車(chē)氣動(dòng)噪聲的生成和其表面的脈動(dòng)壓力有關(guān)，現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行分析。

圖14 車(chē)身部位所對(duì)應(yīng)數(shù)值仿真監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平均聲壓級(jí)

圖15中(a)—(e)分別列出了5～13 m高速列車(chē)中軸線的縱向和水平橫截面動(dòng)壓力云圖。由圖可知，車(chē)體附近的脈動(dòng)壓力值較大，且沿著中軸線成對(duì)稱(chēng)分布，脈動(dòng)壓力的最大值出現(xiàn)在車(chē)身與車(chē)頭、車(chē)尾的連接處，此處曲面的曲率變化大，旋渦脫落較大，氣流擾動(dòng)較為劇烈。隨著車(chē)頭長(zhǎng)度的增加，連接處的曲面曲率值減小，最大脈動(dòng)壓力值呈現(xiàn)出減小趨勢(shì)。脈動(dòng)壓力影響的范圍也出現(xiàn)了變化，沿橫向的影響范圍減少，但隨著車(chē)頭長(zhǎng)度的增加，較大動(dòng)壓在縱向的影響區(qū)域變大。由此可知，高速列車(chē)附近的脈動(dòng)壓力值的大小和分布狀況決定了監(jiān)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)，脈動(dòng)壓力在縱向上的增加會(huì)使得車(chē)身所對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)迅速上升，可知通過(guò)控制高速列車(chē)車(chē)頭的長(zhǎng)度，不僅可影響氣動(dòng)噪聲的影響范圍，還可減少遠(yuǎn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)。

圖15 高速列車(chē)周邊脈動(dòng)壓力隨車(chē)頭長(zhǎng)度變化對(duì)比云圖

車(chē)頭長(zhǎng)度為9 m，速度為350 km·h-1時(shí)數(shù)值仿真監(jiān)測(cè)點(diǎn)6的頻譜圖如圖16所示。由(a)可知遠(yuǎn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)在很寬的頻率內(nèi)存在，低于400 Hz時(shí)聲壓級(jí)逐步增大，400～1 600 Hz時(shí)聲壓級(jí)呈現(xiàn)出由大變小的趨勢(shì)，1 600～5 000 Hz范圍內(nèi)聲壓級(jí)值較為穩(wěn)定。為了使聲音的客觀物理量和人耳聽(tīng)覺(jué)感受近似取得一致，人們一般對(duì)測(cè)量得到的聲音進(jìn)行A計(jì)權(quán)處理，將其進(jìn)行A計(jì)權(quán)之后噪聲低頻成分進(jìn)行衰減，所得結(jié)果如圖(b)所示。低頻所占的比重降低，從低頻到高頻聲壓級(jí)逐漸升高，當(dāng)頻率到達(dá)1 000 Hz時(shí)所對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)最大為65.5 dB，1 000～5 000 Hz時(shí)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)緩慢減小。

圖16 車(chē)頭長(zhǎng)度為9 m時(shí)數(shù)值仿真監(jiān)測(cè)點(diǎn)6的頻譜圖

將車(chē)頭長(zhǎng)度分別為5和13 m時(shí)遠(yuǎn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)6的頻譜圖相對(duì)比可得聲壓級(jí)的增大在一個(gè)很寬的頻率范圍內(nèi)存在，如圖17所示。在低于300 Hz時(shí)13 m所對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)有所降低，在300～700 Hz范圍內(nèi)兩者基本持平，在700～5 000 Hz范圍內(nèi)13 m所對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)大于5 m時(shí)，在1 400～2 250 Hz范圍內(nèi)13 m所對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)超出5 m的較多。

圖17 車(chē)頭長(zhǎng)度分別為5和13 m時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)6的頻譜對(duì)比

在車(chē)頭長(zhǎng)度為9 m，速度為350 km·h-1時(shí)模型車(chē)頭鼻尖處設(shè)置脈動(dòng)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在得到充分震蕩的脈動(dòng)壓力時(shí)程曲線以后，進(jìn)行傅里葉變換得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的聲壓頻譜圖，脈動(dòng)壓力時(shí)程曲線圖均呈現(xiàn)出類(lèi)似圖18所示的波動(dòng)，脈動(dòng)壓力的峰值有所差異，所得結(jié)果和圖15中相同。頻譜圖均呈現(xiàn)出圖19的趨勢(shì)，各點(diǎn)的氣動(dòng)噪聲在很寬的頻譜內(nèi)存在，無(wú)明顯主頻率，隨著頻率的增大，幅值逐漸減小。

圖18 車(chē)頭長(zhǎng)度為5 m時(shí)數(shù)值仿真監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的脈動(dòng)壓力時(shí)程曲線

為得到本模型下最佳的車(chē)頭長(zhǎng)度，根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算得到的阻力變化規(guī)律(圖8)和遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平均聲壓級(jí)(圖14)，表2列出了隨著車(chē)頭長(zhǎng)度的變化阻力相對(duì)降低率和聲壓級(jí)的相對(duì)增長(zhǎng)率。從表2中可以看出，車(chē)頭長(zhǎng)度由9 m到11 m阻力相對(duì)降低率為最低1.4%,而聲壓級(jí)的增長(zhǎng)率達(dá)到最大為4.7%，由此可得在此模型下最佳的車(chē)頭長(zhǎng)度為9 m。

圖19 車(chē)頭長(zhǎng)度為5 m時(shí)數(shù)值仿真監(jiān)測(cè)點(diǎn)1聲壓級(jí)頻譜

表2 阻力和聲壓級(jí)隨車(chē)頭長(zhǎng)度變化規(guī)律對(duì)比

4 結(jié) 論

(1)高速列車(chē)的阻力隨著車(chē)頭長(zhǎng)度的增加呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，因?yàn)閴翰钭枇﹄S著車(chē)頭長(zhǎng)度的減少是有限的，而黏性阻力與車(chē)頭長(zhǎng)度成線性關(guān)系。高速列車(chē)的升力隨著車(chē)頭長(zhǎng)度的增加亦呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)。

(2)隨著車(chē)頭長(zhǎng)度的增加，車(chē)頭部位最大聲功率級(jí)呈現(xiàn)出減小趨勢(shì)，關(guān)系接近線性，而車(chē)身部分并無(wú)差別，車(chē)身與車(chē)尾連接處聲功率級(jí)呈現(xiàn)出減小趨勢(shì)，尾車(chē)的聲功率級(jí)分布更加均勻。

(3)數(shù)值模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平均聲壓級(jí)呈現(xiàn)出非線性的增加趨勢(shì)，結(jié)合阻力的變化趨勢(shì)，可得最佳的車(chē)頭長(zhǎng)度為9 m，在此車(chē)頭長(zhǎng)度下阻力尚未開(kāi)始增長(zhǎng)，遠(yuǎn)場(chǎng)數(shù)值模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平均聲壓級(jí)的增加幅度并不大，即可減小行車(chē)阻力同時(shí)控制噪聲對(duì)環(huán)境的污染。

(4)隨著車(chē)頭長(zhǎng)度的增加，高速列車(chē)附近的最大動(dòng)壓值逐漸減小，在模型表面設(shè)置的數(shù)值模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)呈現(xiàn)出隨機(jī)震蕩，進(jìn)行傅里葉變換之后，隨著頻率的增大，聲壓級(jí)幅值逐漸減?。贿h(yuǎn)場(chǎng)數(shù)值模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)的增大，是由于在700～5 000 Hz范圍內(nèi)聲壓級(jí)的增大導(dǎo)致。