張長亮，劉海濤，周 新，楊春輝，肖 乾

（華東交通大學(xué) 載運(yùn)工具與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330013）

隨著我國高速列車的不斷提速，由列車產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲將逐漸超越輪軌噪聲成為主導(dǎo)。在未來，更高速等級(jí)的高速列車在噪聲方面的主要問題將會(huì)是氣動(dòng)噪聲問題。

受電弓位于列車頂部，由多個(gè)桿件組成，在高速氣流中會(huì)產(chǎn)生顯著的氣動(dòng)噪聲。由于列車頂部的防護(hù)隔離手段有限，受電弓氣動(dòng)噪聲對(duì)周圍環(huán)境的噪聲污染更為顯著。國外學(xué)者較早就開展了受電弓降噪研究，并提出了眾多的改進(jìn)方案。受益于國家高鐵發(fā)展戰(zhàn)略的影響，近年來我國針對(duì)高速列車受電弓氣動(dòng)特性、氣動(dòng)噪聲領(lǐng)域的研究也得到了快速發(fā)展。張亞東等[1]在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中模擬分析了高速列車以250 km/h 運(yùn)行時(shí)受電弓氣動(dòng)噪聲特性，得出受電弓產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲集中在迎風(fēng)側(cè)區(qū)域的弓頭、底架、絕緣子等部件中的結(jié)論。劉海濤等[2]基于仿生學(xué)設(shè)計(jì)了6 種桿件結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)鋸齒結(jié)構(gòu)的橢圓外形結(jié)構(gòu)桿件對(duì)于降低受電弓的氣動(dòng)噪聲有顯著效果。侍榮春等[3]對(duì)受電弓桿件建立類高爾夫圓柱桿件的氣動(dòng)噪聲模型，研究結(jié)果表明圓柱表面球缺型凹坑設(shè)計(jì)使得圓柱桿件升力、阻力系數(shù)出現(xiàn)較高頻率的波動(dòng)，遠(yuǎn)場(chǎng)氣動(dòng)噪聲高頻部分的聲壓級(jí)變大。Cao 等[4]探討了鴿子羽毛的降噪性能，并在受電弓桿件表面進(jìn)行了非對(duì)稱截面桿件的仿生設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的非對(duì)稱截面桿件尾部渦流的脫落得到有效控制，優(yōu)化后的模型在高頻區(qū)域受電弓氣動(dòng)噪聲值明顯降低。IKEDA 等[5－6]沿桿件軸向方向?qū)⑹茈姽沁M(jìn)行了打孔優(yōu)化處理，在具有連續(xù)通孔受電弓弓角的結(jié)構(gòu)中，連續(xù)射流與剪切層之間的相互作用會(huì)引起明顯的窄帶噪聲。Bearman和Owen[7]在受電弓桿件迎風(fēng)面和背風(fēng)面上引入了展向波紋，發(fā)現(xiàn)在迎風(fēng)面上展向波紋的波長和振幅對(duì)減阻和抑制旋渦脫落有重要作用，但在背風(fēng)面上減阻效果影響不大。Darekar和Sherwin[8]通過對(duì)前后表面均具有展向波紋的直方桿進(jìn)行數(shù)值模擬，證實(shí)了展向波紋對(duì)減阻的影響。Lam 和Lin[9]在沿翼展方向引入正弦變化的橫截面，將波紋度的概念擴(kuò)展到圓柱體，發(fā)現(xiàn)圓柱體模型的平均力系數(shù)和波動(dòng)力系數(shù)顯著降低。展向波紋結(jié)構(gòu)對(duì)于降低氣動(dòng)噪聲具有一定效果，但受電弓弓頭的展向波紋結(jié)構(gòu)參數(shù)與降噪性能的關(guān)系還缺乏深入研究。

在本研究中，將展向波紋結(jié)構(gòu)引入到弓頭桿件的迎風(fēng)面和背風(fēng)面，基于波長和波紋幅度兩個(gè)參數(shù)建立8組受電弓弓頭展向波紋結(jié)構(gòu)模型。弓頭展向波紋結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)重點(diǎn)在研究波長和波紋幅度對(duì)模型氣動(dòng)特性的影響，通過流體計(jì)算軟件FLUENT進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)計(jì)算求解，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型來計(jì)算穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)，在此基礎(chǔ)上通過大渦模擬計(jì)算瞬態(tài)流場(chǎng)，基于氣動(dòng)噪聲混合計(jì)算方法，將瞬態(tài)流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果通過積分插值映射到聲學(xué)網(wǎng)格上，并通過計(jì)算獲取氣動(dòng)噪聲聲源及傳播過程。通過對(duì)考察范圍內(nèi)的弓頭展向波紋結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，獲得較優(yōu)性能的展向波紋結(jié)構(gòu)參數(shù)模型。

1 計(jì)算理論及方法

1.1 流體流動(dòng)的控制方程

對(duì)受電弓弓頭展向波紋結(jié)構(gòu)模型的周圍流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真，模擬高速列車60 m/s的運(yùn)行速度，由于氣流流速小于0.3 倍馬赫數(shù)，可認(rèn)定空氣不可壓縮。完整的三維N-S方程守恒形式如式（1）所示。

式中：U、F的表達(dá)式如式（2）所示。

式中：ρ、E、H、p、T分別為密度、總能、總焓、壓強(qiáng)和溫度；δij為克羅尼柯爾符號(hào)；μ,λ,κ分別為第一、第二黏性系數(shù)和熱傳導(dǎo)系數(shù)；τij=為黏性應(yīng)力張量。

1.2 寬頻噪聲模型

本研究中采用寬頻噪聲模型對(duì)展向波紋結(jié)構(gòu)桿件進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算求解。寬頻帶噪聲模型聲功率計(jì)算公式如式（3）所示。其中：u是湍流速度，l是湍流特征尺度，c0是聲速，α為模型常數(shù)。

對(duì)于湍動(dòng)能k和湍動(dòng)能耗散率ε，式（3）可以改寫成式（4）形式。

其中：Mt=模型中設(shè)置αε=0.1。

氣動(dòng)噪聲聲功率級(jí)如式（5）所示。

式中：Pref是參考聲壓，取10-12W/m3。

2 弓頭展向波紋結(jié)構(gòu)研究方法

2.1 弓頭展向波紋結(jié)構(gòu)模型參數(shù)化建模

建立弓頭展向波紋結(jié)構(gòu)波紋桿件模型，典型的高速列車受電弓上的接觸條橫截面寬度和高度幾乎相同，因此桿件的橫截面實(shí)際上被近似為正方形，如圖1所示，其中D=0.04 m為固定值，ω是波峰到波谷的振幅，λ為波長，上游最遠(yuǎn)的橫截面稱為“峰”，下游最遠(yuǎn)的橫截面稱為“谷”。選擇無量綱波長λ/D為2 和4，無量綱波紋度ω/D為0.12、0.24、0.36 和0.48。兩個(gè)參數(shù)交叉組合，建立8 組參數(shù)化模型，如表1 所示。高速列車在行駛過程中受電弓弓頭結(jié)構(gòu)處于無限大且無邊界的氣流當(dāng)中，在流場(chǎng)仿真計(jì)算中，僅考慮受電弓附近的流場(chǎng)受到擾動(dòng)，因此對(duì)展向波紋結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行局部流場(chǎng)空氣域的設(shè)計(jì)。如圖2、表1所示，在（x，y，z）方向上的域大?。↙x，Ly，Lz）分別為20D、75D、40D，將模型緊貼壁面，以防止側(cè)邊氣流的渦旋造成干擾。

圖1 展向波紋模型結(jié)構(gòu)圖

圖2 展向波紋模型空氣域圖

表1 展向波紋結(jié)構(gòu)參數(shù)和空氣域范圍

2.2 弓頭展向波紋結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方法

對(duì)展向波紋結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立有限元模型。為了更好地模擬高速列車運(yùn)行環(huán)境，需要給計(jì)算域一個(gè)入流速度，以計(jì)算域左側(cè)ABCD 面為速度入口，右側(cè)EFGH 面為氣流壓力出口，ACEG面、BDFH面、ABEF面以及BDFH面為對(duì)稱邊界，弓頭展向波紋結(jié)構(gòu)設(shè)置為具有固定壁面，如表2所示。為了更好地分析展向波紋結(jié)構(gòu)附近以及尾流區(qū)流場(chǎng)變化，分別在模型周圍和尾流區(qū)域建立兩重密度盒子來更好地捕捉流場(chǎng)的變化。進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)從860 萬增加至900 萬時(shí)，數(shù)值模擬的結(jié)果誤差在5%以內(nèi)，本文計(jì)算模型的有限元網(wǎng)格總數(shù)量為900萬左右，如圖3所示。

表2 邊界條件

圖3 三維有限元網(wǎng)格模型

2.3 弓頭展向波紋結(jié)構(gòu)流場(chǎng)后處理方法

弓頭展向波紋結(jié)構(gòu)流場(chǎng)計(jì)算分為穩(wěn)態(tài)計(jì)算和瞬態(tài)計(jì)算。穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型的入口邊界定義為速度入口，本文以入流速度60 m/s 來模擬仿真列車的運(yùn)行時(shí)速；出口邊界定義為壓力出口，其中表壓為0，速度垂直于入口進(jìn)入，回流湍流強(qiáng)度和回流湍流黏度比均為1%；噪聲模型采用寬頻帶噪聲模型、標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，基于最小二乘單元進(jìn)行梯度離散，選用2階迎風(fēng)的壓力離散格式，并選用SIMPLEC 算法進(jìn)行迭代計(jì)算。

采用大渦模擬進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算求解，亞格子模型為Wale，壓力速度耦合算法采用Couple算法。本文計(jì)算分析的時(shí)間步長為10-4s，計(jì)算500 個(gè)時(shí)間步長數(shù)，每20 個(gè)迭代步數(shù)輸出一個(gè)EnSight Case Gold 文件，為提高計(jì)算精度采樣頻率設(shè)置為10 000 Hz，本文中分析的最高頻率為2 000 Hz。

2.4 弓頭展向波紋結(jié)構(gòu)聲場(chǎng)后處理方法

ACTRAN 中通過離散傅里葉變換將穩(wěn)態(tài)求解的時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)；采用無線元和有限元相結(jié)合的方法對(duì)模型進(jìn)行直接頻域相應(yīng)計(jì)算；以展向波紋結(jié)構(gòu)模型為中心，以半徑R=1.18 m建立180°的極坐標(biāo)半圓，以1°為間隔建立180個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖4所示，通過噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)來分析展向波紋結(jié)構(gòu)模型的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲頻譜和指向性。

圖4 展向波紋結(jié)構(gòu)模型遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)

3 弓頭展向波紋結(jié)構(gòu)降噪分析

在60 m/s 的來流速度工況下，對(duì)不同波紋度ω和波長λ組合的8 組弓頭展向波紋結(jié)構(gòu)模型以及直方桿模型的流場(chǎng)、聲場(chǎng)模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。圖5至圖13給出了200 Hz處的噪聲云圖。

圖5 λ/D=2、ω/D=0.12時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型噪聲云圖

圖6 λ/D=2、ω/D=0.24時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型噪聲云圖

圖7 λ/D=2、ω/D=0.36時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型噪聲云圖

圖8 λ/D=2、ω/D=0.48時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型噪聲云圖

圖9 λ/D=4、ω/D=0.12時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型噪聲云圖

圖10 λ/D=4、ω/D=0.24時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型噪聲云圖

圖11 λ/D=4、ω/D=0.36時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型噪聲云圖

圖12 λ/D=4、ω/D=0.48時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型噪聲云圖

圖13 直方桿模型噪聲云圖

由圖可以看出，當(dāng)來流定常以定常速度繞過模型桿件時(shí)，弓頭展向波紋結(jié)構(gòu)模型桿件和直方桿模型兩側(cè)均周期性地脫落出旋轉(zhuǎn)方向相反、排列規(guī)則的雙列線渦，該現(xiàn)象為典型的卡門渦街現(xiàn)象。直方桿模型在均勻來流速度60 m/s工況下的輻射聲壓級(jí)明顯高于展向波紋結(jié)構(gòu)模型；對(duì)于λ/D=2、λ/D=4 的展向波紋結(jié)構(gòu)模型，隨著波紋幅度ω的增加，輻射的聲壓級(jí)逐級(jí)降低，其中λ/D=2、ω/D=0.48 和λ/D=4、ω/D=0.48時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型的輻射聲壓級(jí)小于其他參數(shù)模型，降噪性能較好；對(duì)于ω/D=0.12 時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型，隨著波長λ的增加，λ/D=2 時(shí)的模型桿件輻射聲壓級(jí)小于λ/D=4 時(shí)的輻射聲壓級(jí)，降噪性能也更優(yōu)；對(duì)于ω/D=0.24 時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型，隨著波長的增加，λ/D=2 和λ/D=4 時(shí)的模型桿件輻射噪聲區(qū)別不大；但當(dāng)ω/D=0.36、ω/D=0.48時(shí)，隨著波長的增加，λ/D=2 時(shí)的模型桿件輻射聲壓級(jí)較λ/D=4時(shí)有明顯減小趨勢(shì)。

3.1 弓頭展向波紋結(jié)構(gòu)波長的影響

研究弓頭展向波紋結(jié)構(gòu)波長λ對(duì)氣動(dòng)噪聲的影響，對(duì)波紋幅度ω為定值的展向波紋結(jié)構(gòu)模型和直方桿模型在R=1.18 m 測(cè)點(diǎn)91 處的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲頻譜進(jìn)行分析。由圖14 可知，在40 Hz～200 Hz 頻率范圍內(nèi)，λ/D=2、ω/D=0.12時(shí)展向波紋結(jié)構(gòu)模型較λ/D=4、ω/D=0.12時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型和直方桿模型聲壓級(jí)明顯降低，在280 Hz～1 400 Hz頻率范圍內(nèi)，λ/D=2、ω/D=0.12 和λ/D=4、ω/D=0.12 時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型聲壓級(jí)低于直方桿模型；λ/D=2、ω/D=0.12 和λ/D=4、ω/D=0.12時(shí)展向波紋結(jié)構(gòu)模型與直方桿模型在200 Hz處均存在峰值聲壓級(jí)，峰值聲壓級(jí)分別為107.24 dB、111.04 dB、109.32 dB；λ/D=2、ω/D=0.12和λ/D=4、ω/D=0.12 時(shí)展向波紋結(jié)構(gòu)模型的總聲壓級(jí)為137.75 dB 和137.82 dB，直方桿模型的總聲壓級(jí)為137.32 dB，λ/D=2、ω/D=0.12和λ/D=4、ω/D=0.12時(shí)展向波紋結(jié)構(gòu)模型無明顯降低氣動(dòng)噪聲作用。

圖14 λ/D=2、ω/D=0.12和λ/D=4、ω/D=0.12時(shí)展向波紋結(jié)構(gòu)模型和直方桿模型的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲頻譜

圖15 所示為λ/D=2、ω/D=0.12 和λ/D=4、ω/D=0.12時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型和直方桿的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲指向性，直方桿模型的聲壓級(jí)在0°～15°、90°～170°的輻射角范圍內(nèi)均大于λ/D=2、ω/D=0.12和λ/D=4、ω/D=0.12 時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型。在15°～75°的輻射角范圍內(nèi)，λ/D=2、ω/D=0.12 時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型的聲壓級(jí)小于λ/D=4、ω/D=0.12 時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型和直方桿模型。在輻射角165°附近，λ/D=2、ω/D=0.12時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型聲壓級(jí)最小。

圖15 λ/D=2、ω/D=0.12和λ/D=4、ω/D=0.12時(shí)展向波紋結(jié)構(gòu)模型和直方桿模型的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲指向性

由圖16 可知在160 Hz～2 000 Hz 頻率范圍內(nèi)，λ/D=2、ω/D=0.24 時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型較λ/D=4、ω/D=0.24時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型和直方桿模型聲壓級(jí)明顯降低；λ/D=2、ω/D=0.24和λ/D=4、ω/D=0.24時(shí)展向波紋結(jié)構(gòu)模型在200 Hz處存在峰值聲壓級(jí)，峰值聲壓級(jí)大小為99.40 dB、103.75 dB；λ/D=2、ω/D=0.24和λ/D=4、ω/D=0.24時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型的總聲壓級(jí)為132.54 dB、135.66 dB，λ/D=2、ω/D=0.24 和λ/D=4、ω/D=0.24時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型總聲壓級(jí)較直方桿模型降低了4.78 dB、1.66 dB。

圖16 λ/D=2，ω/D=0.24和λ/D=4，ω/D=0.24時(shí)展向波紋結(jié)構(gòu)模型和直方桿模型的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲頻譜

由圖17 可知直方桿模型的聲壓級(jí)在38°～45°、80°～165°的輻射角范圍內(nèi)均大于λ/D=2、ω/D=0.24和λ/D=4、ω/D=0.24時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型。在45°～60°的輻射角范圍內(nèi)，λ/D=2、ω/D=0.24時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型的聲壓級(jí)小于λ/D=2、ω/D=0.24 時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型和直方桿模型。在輻射角55°附近，λ/D=2、ω/D=0.24 時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型聲壓級(jí)最小。

圖17 λ/D=2、ω/D=0.24和λ/D=4、ω/D=0.24時(shí)展向波紋結(jié)構(gòu)模型和直方桿模型的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲指向性

從圖18可以看出在260 Hz～2 000 Hz頻率范圍內(nèi)，λ/D=2、ω/D=0.36時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型較λ/D=4、ω/D=0.36時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型和直方桿模型聲壓級(jí)明顯降低；在40 Hz～120 Hz頻率范圍內(nèi)，λ/D=4、ω/D=0.36 時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型較λ/D=2、ω/D=0.36時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型和直方桿模型聲壓級(jí)有所降低；λ/D=4、ω/D=0.36 時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型在200 Hz 處仍存在峰值聲壓級(jí)，峰值聲壓級(jí)為102.90 dB，λ/D=2、ω/D=0.36時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型已無峰值；λ/D=2、ω/D=0.36 和λ/D=4、ω/D=0.36 時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型的總聲壓級(jí)為129.26 dB、134.27 dB，較直方桿模型降低了8.06 dB、3.05 dB。

圖18 λ/D=2、ω/D=0.36和λ/D=4、ω/D=0.36時(shí)展向波紋結(jié)構(gòu)模型和直方桿模型的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲頻譜

圖19 中直方桿模型的聲壓級(jí)在80°～165°的輻射角范圍內(nèi)均大于λ/D=2、ω/D=0.36 和λ/D=4、ω/D=0.36時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型。在75°～135°的輻射角范圍內(nèi)，λ/D=2、ω/D=0.36 時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型的聲壓級(jí)小于λ/D=4、ω/D=0.36 時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型和直方桿模型。在輻射角120°附近，λ/D=2、ω/D=0.36時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型聲壓級(jí)最小。

圖19 λ/D=2、ω/D=0.36和λ/D=4、ω/D=0.36時(shí)展向波紋結(jié)構(gòu)模型和直方桿模型的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲指向性

由圖20 可以看出在200 Hz～300 Hz、580 Hz～2 000 Hz 頻率范圍內(nèi)，λ/D=2、ω/D=0.48 時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型較λ/D=4、ω/D=0.48 時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型和直方桿模型的聲壓級(jí)明顯降低；而在0～80 Hz、420 Hz～480 Hz 頻率范圍內(nèi)，λ/D=4、ω/D=0.48時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型的聲壓級(jí)較λ/D=2、ω/D=0.48時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型和直方桿模型有所降低；λ/D=2、ω/D=0.48和λ/D=4、ω/D=0.48時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型已無峰值出現(xiàn)；λ/D=2、ω/D=0.48和λ/D=4、ω/D=0.48 時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型總聲壓級(jí)為128.17 dB、130.7 dB，較直方桿模型降低了9.15 dB、6.65 dB。

圖20 λ/D=2、ω/D=0.48和λ/D=4、ω/D=0.48時(shí)展向波紋結(jié)構(gòu)模型和直方桿模型的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲頻譜

圖21 中直方桿模型的聲壓級(jí)在82°～170°的輻射角范圍內(nèi)均大于λ/D=2、ω/D=0.48和λ/D=4、ω/D=0.48 時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型。在30°～60°、70°～120°的輻射角范圍內(nèi)，λ/D=2、ω/D=0.48時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型的聲壓級(jí)小于λ/D=4、ω/D=0.48 的展向波紋結(jié)構(gòu)模型和直方桿模型。在輻射角15°附近，λ/D=2、ω/D=0.48 時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型聲壓級(jí)最小。

圖21 λ/D=2、ω/D=0.48和λ/D=4、ω/D=0.48時(shí)展向波紋結(jié)構(gòu)模型和直方桿模型的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲指向性

當(dāng)波紋幅度ω一定時(shí)，隨著波長λ的增加，展向波紋結(jié)構(gòu)模型的總聲壓級(jí)有所增大；小波紋幅度的λ/D=2、ω/D=0.12 和λ/D=4、ω/D=0.12 時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型沒有明顯降低氣動(dòng)噪聲作用，而其他參數(shù)的展向波紋結(jié)構(gòu)均有明顯降噪效果；當(dāng)波紋幅度ω/D=0.36、ω/D=0.48時(shí)，展向波紋結(jié)構(gòu)在低頻段已無峰值聲壓級(jí)。

3.2 弓頭展向波紋結(jié)構(gòu)波紋幅度的影響

為進(jìn)一步分析弓頭展向波紋結(jié)構(gòu)波紋幅度ω對(duì)氣動(dòng)噪聲的影響，對(duì)波長λ/D=2 為定值的展向波紋結(jié)構(gòu)模型和直方桿模型在R=1.18 m 測(cè)點(diǎn)91 處的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲頻譜進(jìn)行分析。由圖22可知在240 Hz～380 Hz頻率范圍內(nèi)，λ/D=2、ω/D=0.36時(shí)展向波紋結(jié)構(gòu)模型較其他參數(shù)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型和直方桿模型聲壓級(jí)有所降低；在1 081 Hz～2 000 Hz 頻率范圍內(nèi)，λ/D=2、ω/D=0.48 時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型較其他參數(shù)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型和直方桿模型聲壓級(jí)顯著降低。

圖22 λ/D=2且ω/D=0.12、λ/D=2且ω/D=0.24、λ/D=2且ω/D=0.36和λ/D=2且ω/D=0.48時(shí)展向波紋結(jié)構(gòu)模型和直方桿模型的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲頻譜

圖23為λ/D=2且ω/D=0.12、λ/D=2且ω/D=0.24、λ/D=2 且ω/D=0.36 和λ/D=2 且ω/D=0.48 時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型和直方桿模型的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲指向性，直方桿模型的聲壓級(jí)在88°～120°的輻射角范圍內(nèi)均大于展向波紋結(jié)構(gòu)模型。在28°～60°、75°～100°的輻射角范圍內(nèi)，λ/D=2、ω/D=0.48 時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型的聲壓級(jí)小于λ/D=2、ω/D=0.12 和λ/D=2、ω/D=0.24以及λ/D=2、ω/D=0.36 時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型和直方桿模型。在輻射角8°附近，λ/D=2、ω/D=0.48 時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型聲壓級(jí)最小。

圖23 λ/D=2且ω/D=0.12、λ/D=2且ω/D=0.24、λ/D=2且ω/D=0.36和λ/D=2且ω/D=0.48時(shí)展向波紋結(jié)構(gòu)模型和直方桿模型的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲指向性

圖24為波長λ/D=4為定值的展向波紋結(jié)構(gòu)模型和直方桿模型在R=1.18 m 測(cè)點(diǎn)91 處的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲頻譜。在40 Hz～1 000 Hz 頻率范圍內(nèi)，λ/D=4、ω/D=0.36時(shí)展向波紋結(jié)構(gòu)模型較其他參數(shù)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型和直方桿模型聲壓級(jí)有所降低；在260 Hz～2 000 Hz 頻率范圍內(nèi)，λ/D=4、ω/D=0.48 時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型較其他參數(shù)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型和直方桿模型聲壓級(jí)顯著降低。

圖24 λ/D=4且ω/D=0.12、λ/D=4、且ω/D=0.24、λ/D=4且ω/D=0.36和λ/D=4且ω/D=0.48時(shí)展向波紋結(jié)構(gòu)模型和直方桿模型的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲頻譜

圖25 中直方桿模型的聲壓級(jí)在90°～170°的輻射角范圍內(nèi)均大于λ/D=4且ω/D=0.12、λ/D=4且ω/D=0.24、λ/D=4 且ω/D=0.36 和λ/D=4 且ω/D=0.48 時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型。在22°～40°、80°～120°的輻射角范圍內(nèi)，λ/D=4、ω/D=0.48 時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型的聲壓級(jí)小于λ/D=2 且ω/D=0.12、λ/D=2 且ω/D=0.24、λ/D=2 且ω/D=0.36 時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型和直方桿模型。在輻射角20°附近，λ/D=4、ω/D=0.48時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型聲壓級(jí)最小。當(dāng)波長λ一定時(shí)，隨著波紋幅度ω的增加，展向波紋結(jié)構(gòu)模型的總聲壓級(jí)逐漸降低；小波長λ/D=2 的展向波紋結(jié)構(gòu)模型的降噪性能要優(yōu)于λ/D=4的展向波紋結(jié)構(gòu)模型；且λ/D=2、ω/D=0.48 時(shí)的降噪性能最優(yōu)，其總聲壓級(jí)較直方桿模型降低了9.15 dB。

圖25 λ/D=4且ω/D=0.12、λ/D=4且ω/D=0.24、λ/D=4且ω/D=0.36和λ/D=4且ω/D=0.48時(shí)展向波紋結(jié)構(gòu)模型和直方桿模型的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲指向性

4 仿真結(jié)果分析

表3 為8 組展向波紋結(jié)構(gòu)模型和直方桿模型的氣動(dòng)阻力值和遠(yuǎn)場(chǎng)R=1.18 m處的總聲壓級(jí)。

從表3 中可以看出，λ/D=2、ω/D=0.36 時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型的減阻性能最優(yōu)，較直方桿模型的氣動(dòng)阻力值降低了2.29 N；λ/D=2、ω/D=0.48時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型的降噪性能最優(yōu)，較直方桿模型的總聲壓級(jí)在遠(yuǎn)場(chǎng)R=1.18 m 處降低了9.15 dB；λ/D=2 且ω/D=0.12、λ/D=4 且ω/D=0.12 時(shí)展向波紋結(jié)構(gòu)模型無明顯降低氣動(dòng)噪聲作用；λ/D=2、ω/D=0.24和λ/D=4、ω/D=0.24時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型總聲壓級(jí)較直方桿模型降低了4.78 dB、1.66 dB；λ/D=2、ω/D=0.36 和λ/D=4、ω/D=0.36時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型總聲壓級(jí)較直方桿模型降低了8.06 dB、3.05 dB；λ/D=2、ω/D=0.48和λ/D=4、ω/D=0.48時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型總聲壓級(jí)較直方桿模型降低了9.15 dB、6.65 dB。Liu 等[10]對(duì)受電弓展向波紋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了消聲室內(nèi)噪聲風(fēng)洞試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明展向波紋結(jié)構(gòu)的峰值頻率為195 Hz，高波紋幅度降噪效果明顯，波長對(duì)聲壓級(jí)的影響較小。本文通過數(shù)值模擬得到的峰值頻率為200 Hz，對(duì)于不同的波長λ/D=2、λ/D=4，展向波紋結(jié)構(gòu)降噪效果不明顯，而隨著波紋幅度ω的增加，展向波紋結(jié)構(gòu)的總聲壓有明顯降低，這與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的結(jié)果有著良好的一致性。

表3 展向波紋結(jié)構(gòu)模型的阻力值及監(jiān)測(cè)點(diǎn)噪聲值

5 結(jié)語

本研究從噪聲云圖、遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲頻譜曲線、遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲指向性3 個(gè)方面對(duì)8 組展向波紋結(jié)構(gòu)模型和直方桿模型進(jìn)行優(yōu)化分析，得出了以下結(jié)論：

（1）λ/D=2、ω/D=0.48時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型在遠(yuǎn)場(chǎng)R=1.18m處的聲壓級(jí)最小，降噪性能最優(yōu)，較直方桿模型的總聲壓級(jí)降低了9.15 dB；

（2）λ/D=2、ω/D=0.36時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型的減阻性能最優(yōu)，較直方桿模型的氣動(dòng)阻力值降低了2.29 N；

（3）當(dāng)波長λ/D=2、λ/D=4 時(shí)，隨著波紋度ω的增加，展向波紋結(jié)構(gòu)模型的總聲壓級(jí)逐漸降低；

（4）當(dāng)波紋度ω/D=0.12、ω/D=0.24、ω/D=0.36、ω/D=0.48時(shí)，隨著波長λ的增加，展向波紋結(jié)構(gòu)模型的總聲壓級(jí)逐漸增大；

（5）在輻射角8°附近，λ/D=2、ω/D=0.48 時(shí)的展向波紋結(jié)構(gòu)模型聲壓級(jí)最小。

本文的研究中只選取了8組展向波紋結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行仿真分析，要獲得氣動(dòng)性能更優(yōu)的結(jié)構(gòu)，還需要進(jìn)行多組結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化以及開展多元耦合的展向波紋結(jié)構(gòu)研究。