張長亮

(鄭州地鐵集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450000)

地鐵列車受電弓位于列車頂部，由多個(gè)桿件組成，列車在隧道中行駛會(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)噪聲污染對(duì)市民造成了嚴(yán)重影響。近年來，國內(nèi)外針對(duì)受電弓氣動(dòng)特性、氣動(dòng)噪聲的研究取得了一定進(jìn)展。張亞東等通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)M分析得出，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[1]。Bearman和Owen發(fā)現(xiàn)，受電弓迎風(fēng)面上展向波紋的波長和振幅對(duì)減阻降噪具有重要作用[2]。劉海濤等研究發(fā)現(xiàn)，λ/D=2、ω/D=0.48的受電弓弓頭展向波紋結(jié)構(gòu)模型桿件對(duì)于降低氣動(dòng)噪聲具有明顯的效果，且與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的結(jié)果有著良好的一致性[3]。展向波紋結(jié)構(gòu)對(duì)于降低氣動(dòng)噪聲具有一定效果，但受電弓弓頭展向波紋穿孔結(jié)構(gòu)特性與降噪性能的關(guān)系還缺乏深入研究。

本研究對(duì)λ/D=2、ω/D=0.48的展向波紋結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行波峰、波谷、波峰波谷耦合穿孔優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過流體計(jì)算軟件FLUENT進(jìn)行流場的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)計(jì)算求解，以及ACTRAN聲學(xué)網(wǎng)格計(jì)算獲取氣動(dòng)噪聲聲源及傳播過程。對(duì)考察范圍內(nèi)的受電弓弓頭展向波紋穿孔結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行優(yōu)化分析，并研究其減阻降噪機(jī)理。

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穿孔結(jié)構(gòu)模型的周圍流場進(jìn)行數(shù)值仿真，模擬地鐵列車的運(yùn)行速度，由于氣流流速小于0.3倍馬赫數(shù)，可認(rèn)定空氣為不可壓縮流動(dòng)。完整的三維N-S方程守恒形式如式(1)。

(1)

式中U、F的表達(dá)式如式(2)。

(2)

1.2 寬頻噪聲模型

采用寬頻噪聲模型對(duì)展向波紋結(jié)構(gòu)桿件穩(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)。

(3)

式中，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。

(4)

氣動(dòng)噪聲聲功率級(jí)如式(5)。

(5)

式中，Pref是參考聲壓，取10-12W/m3。

2 研究方法

2.1 弓頭展向波紋結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模

研究表明λ/D=2、ω/D=0.48的展向波紋結(jié)構(gòu)模型降噪性能要優(yōu)于其他參數(shù)模型及直方桿模型。通過對(duì)λ/D=2、ω/D=0.48的展向波紋結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行穿孔優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)模型進(jìn)行三種穿孔方式處理，建立波峰穿孔模型、波谷穿孔模型及波峰波谷穿孔模型。圖1為展向波紋模型結(jié)構(gòu)圖，其中：D=0.04 m為固定值，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”。在Creo中對(duì)λ/D=2、ω/D=0.48的展向波紋結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行穿孔設(shè)計(jì)，在波峰建立截面為12 mm×8 mm矩形孔的波峰穿孔模型、在波谷建立截面為8 mm×8 mm矩形孔的波谷穿孔模型，以及兩者耦合的波峰波谷穿孔模型，如圖2所示。對(duì)三種穿孔模型的展向波紋結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分、流場穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)計(jì)算求解及遠(yuǎn)場噪聲頻譜和指向性分析，并研究其降噪機(jī)理。

圖1 展向波紋模型結(jié)構(gòu)圖

(a)波峰穿孔模型 (b)波谷穿孔模型 (c)波峰波谷穿孔模型

2.2 穿孔結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格劃分方法

對(duì)弓頭展向波紋穿孔結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并建立有限元模型。為了更好分析流場變化，分別在模型周圍和尾流區(qū)域建立兩重密度盒子捕捉流場的變化。進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)從880 W增加至950 W時(shí)，數(shù)值模擬結(jié)果誤差在4%以內(nèi)，計(jì)算模型的有限元網(wǎng)格總數(shù)量為950 W左右。

2.3 流場后處理方法

弓頭展向波紋結(jié)構(gòu)流場計(jì)算分為穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)計(jì)算求解。穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型的入口邊界定義為速度入口，模擬仿真地鐵列車的運(yùn)行時(shí)速；出口邊界定義為壓力出口，速度垂直于入口進(jìn)入，回流湍流強(qiáng)度和黏度比均為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，選用二階迎風(fēng)的壓力離散格式，并選用SIMPLEC算法進(jìn)行迭代計(jì)算。

瞬態(tài)計(jì)算求解采用大渦模擬，壓力速度耦合算法采用Couple算法。計(jì)算分析的時(shí)間步長為10-4s，共計(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)結(jié)果文件，為提高計(jì)算精度采樣頻率設(shè)置104 Hz，分析的最高頻率為2 000 Hz。

2.4 聲場后處理方法

聲學(xué)軟件ACTRAN中，利用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)；以展向波紋穿孔結(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)測點(diǎn)，如圖3所示，通過遠(yuǎn)場噪聲監(jiān)測點(diǎn)分析弓頭展向波紋穿孔結(jié)構(gòu)模型的噪聲頻譜和聲學(xué)指向性。

圖3 遠(yuǎn)場噪聲監(jiān)測點(diǎn)

3 降噪分析

模擬地鐵列車60 km/h運(yùn)行速度工況，對(duì)弓頭展向波紋穿孔結(jié)構(gòu)模型結(jié)果進(jìn)行分析。波峰、波谷和波峰波谷三組穿孔模型在200 Hz下噪聲云圖的尾流區(qū)域均存在明顯的卡門渦街現(xiàn)象。其中，靠近桿件模型附近尾流區(qū)域的渦旋強(qiáng)烈，而波峰波谷模型的尾流區(qū)域范圍及幅值都顯著低于波峰模型和波谷模型，因而有著更好的氣動(dòng)性能。

分析R=1.18 m測點(diǎn)91處的遠(yuǎn)場噪聲頻譜可知：在100～160 Hz、280～360 Hz頻率范圍內(nèi)，波峰波谷穿孔模型較波峰穿孔模型和波谷穿孔模型的聲壓級(jí)有所降低；在180～360 Hz、380～480 Hz頻率范圍內(nèi)，波谷穿孔模型較波峰波谷穿孔模型和波峰穿孔模型的聲壓級(jí)顯著降低；波峰波谷穿孔模型的總聲壓級(jí)較波峰穿孔模型和波谷穿孔模型分別降低了0.51 dB和0.37 dB。

分析R=2 m測點(diǎn)91處的遠(yuǎn)場噪聲頻譜可知：在260～440Hz頻率范圍內(nèi)，波峰波谷穿孔模型較波峰穿孔模型和波谷穿孔模型的聲壓級(jí)有所降低；在180～260 Hz、380～480 Hz頻率范圍內(nèi)，波谷穿孔模型較波峰波谷穿孔模型和波峰穿孔模型的聲壓級(jí)顯著降低；在0～2 000 Hz范圍內(nèi)，波峰波谷穿孔、波谷穿孔模型的聲壓級(jí)曲線均低于波峰穿孔模型，波峰穿孔模型的降噪性能要弱于波谷穿孔和波峰波谷穿孔模型；波峰波谷穿孔模型的總聲壓級(jí)較波峰穿孔模型和波谷穿孔模型分別降低了1.46 dB、1.21 dB。

分析R=5 m測點(diǎn)91處的遠(yuǎn)場噪聲頻譜可知：在100～200 Hz頻率范圍內(nèi)，波峰波谷穿孔模型較波峰穿孔模型和波谷穿孔模型的聲壓級(jí)有所降低；波峰波谷穿孔模型的總聲壓級(jí)較波峰穿孔模型和波谷穿孔模型分別降低了1.43 dB、1.29 dB。

波峰波谷模型氣動(dòng)阻力值較波峰模型、波谷模型分別降低了1.0 N和2.4 N。

分析遠(yuǎn)場噪聲指向性：在0°～135°、172°～175°的輻射角范圍內(nèi)，波峰波谷模型的聲壓級(jí)小于波峰模型和波谷模型；在140°～170°的輻射角范圍內(nèi)，波谷模型的聲壓級(jí)小于波峰模型和波峰波谷模型；在輻射角88°附近，波峰波谷模型的輻射聲壓級(jí)最小。

4 結(jié)論

(1)展向波紋波峰穿孔結(jié)構(gòu)模型在遠(yuǎn)場R=1.18 m、2 m、5 m處的總聲壓級(jí)較λ/D=2、ω/D=0.48的展向波紋結(jié)構(gòu)模型分別降低了0.82 dB、0.91 dB和0.89 dB；

(2)展向波紋波谷穿孔結(jié)構(gòu)模型在遠(yuǎn)場R=1.18 m、2 m、5 m處的總聲壓級(jí)較λ/D=2、ω/D=0.48的展向波紋結(jié)構(gòu)模型降低了0.96 dB、1.16 dB和1.03 dB；

(3)展向波紋波峰波谷穿孔結(jié)構(gòu)模型在遠(yuǎn)場R=1.18 m、2 m、5 m處的總聲壓級(jí)較λ/D=2、ω/D=0.48的展向波紋結(jié)構(gòu)模型降低了1.33 dB、2.37 dB和2.32 dB；

(4)展向波紋波峰波谷穿孔結(jié)構(gòu)模型氣動(dòng)阻力值較波峰穿孔模型、波谷穿孔模型分別降低了1.0 N和2.4 N;

(5)展向波紋波峰波谷穿孔結(jié)構(gòu)模型在遠(yuǎn)場R=1.18 m、2 m、5 m處的總聲壓級(jí)較波峰穿孔模型分別降低了0.51 dB、1.46 dB和1.43 dB，波谷穿孔模型分別降低了0.37 dB、1.21 dB和1.29 dB；

(6)在0°～135°、172°～175°的輻射角范圍內(nèi)，展向波紋結(jié)構(gòu)波峰波谷穿孔模型的聲壓級(jí)小于波峰穿孔模型和波谷穿孔模型，在140°～170°的輻射角范圍內(nèi)，展向波紋結(jié)構(gòu)波谷穿孔模型的聲壓級(jí)小于波峰穿孔模型和波峰波谷穿孔模型，在輻射角88°附近展向波紋結(jié)構(gòu)波峰波谷穿孔模型的輻射聲壓級(jí)最小。

5 結(jié)語

地鐵快速發(fā)展的同時(shí)提升乘車品質(zhì)尤為重要，降噪研究不可忽視。本研究從受電弓弓頭降噪出發(fā)，對(duì)λ/D=2、ω/D=0.48的展向波紋結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行穿孔優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究表明受電弓弓頭展向波紋結(jié)構(gòu)波峰波谷穿孔模型對(duì)于降低氣動(dòng)噪聲具有一定作用，為地鐵電客車在區(qū)間隧道行駛減阻降噪提供一定的理論依據(jù)。