文摘

我们的目标是研究气动噪声源的特点和机制的高速列车在隧道50 m / s的速度,70 m / s, 83 m / s, 97 m / s的数值风洞模型和无反射边界条件。首先,大涡模拟模型被用来模拟脉动流场在1/8比例模型包括三个连接车辆的高速列车与隧道的妖怪。接下来,光谱特性的高速列车的气动噪声源进行傅里叶变换得到的脉动压力。最后,气动噪声的机理进行了研究使用声音的空泡流理论和流场结构。结果表明,声源能量的光谱模式提出了宽带高速列车和multipeak特征。占主导地位的分布频率范围是从100赫兹到高速列车4 kHz,占大约95.1%的总声源能量。峰值频率400赫兹和800赫兹。声源能量在400赫兹和800赫兹从转向架主要是蛀牙。声源能量频率的谱模式相似结构底部的流线型头车的一部分。的诱导模式声源能量可能是动态空腔的振荡模式和车下的谐振腔的振荡模式结构在400 Hz, 800 Hz,分别。 The numerical computation model was checked by the wind tunnel test results.

1。介绍

高速列车已经成为中产阶级和长途旅行的首选交通工具。他们是至关重要的在社会经济发展和文化交流,吸引了全世界的广泛关注1,2]。然而,以进一步提高他们的操作速度(> 300 km / h),环境污染的问题高速列车由于气动噪声已经成为一个紧迫的问题,需要解决生产商和运营商。全面和准确的了解气动噪声的特点及其产生机制的基础是高速列车的空气动力噪声控制。经过20多年的风洞测试,现场运行测试,数值模拟,研究人员获得全面、准确的了解气动噪声特点和高速列车的产生机制。

在上个世纪之前,人们普遍认为,操作速度300 km / h声学过渡的速度(3,4高速列车。然而,随着降噪技术的逐步应用,如流线型头部形状和平稳高速列车车体设计、高速列车的声波转换速度提高到350公里/小时(5- - - - - -7]。声波的速度转换的定义是高速列车的运营速度当气动噪声和滚动噪声的贡献是相同的。

不同的高速列车的主要噪声源并不相同,但转向架区和受电弓区通常被认为是外部噪声的主要来源。在现场运行测试,Mellet et al。8]利用声学成像技术来识别主要噪声源为冰高速列车,是流线型的头/尾车的一部分,转向架区域,受电弓区域,通风面积,但不包括intercoach挡风玻璃面积;他等。9)也使用了类似的方法来识别主要噪声源为中国高速列车的类型,转向架区域,受电弓区,和intercoach挡风玻璃面积;邓et al。10)也使用类似的方法来识别主要噪声源为另一种类型的中国高速列车,其中包括简化头部的一部分,intercoach挡风玻璃区域,转向架的区域,受电弓区。

空气动力噪声的频谱特征和传播特征在转向架地区,受电弓区,intercoach挡风玻璃面积近年来逐渐成为研究的焦点。2000年,Fremion et al。11)用相干输出功率技术分析的光谱特征intercoach挡风玻璃地区空气动力噪声和全尺寸的法国TGV列车转向架区域。他们发现intercoach挡风玻璃区域的辐射噪声是主要色调分布在低频范围内,但没有总气动噪声的影响。转向架地区有丰富的不相关的声音来源。外部辐射从声源无关紧要的底部的转向架,但相对明显的上游和下游的轮拱。占主导地位的频率分布范围是500 - 1000赫兹的声音辐射上游和下游的轮拱。声源的频谱位于下游的轮拱multipeak频率在600赫兹。2012年,Lauterbach et al。12]研究了雷诺数气动噪声的影响在1/25比例模型的高速列车空气声学的风洞德国航空航天中心的布伦瑞克和低温风洞的DNW (German-Dutch风洞)在科隆。他们发现,转向架的气动噪声区域1:25 1:25主要是分布式低于5000赫兹腔所描述的,可以激发模式。受电弓的气动噪声区域主要分布在5000赫兹,斯特劳哈尔数相似。2015年,李et al。13)数值分析了受电弓的各种组件的贡献的气动噪声能量在400公里/小时关闭状态,表明,气动噪声(60 - 400 Hz)(600 - 800赫兹),(1 kHz-2千赫)和(2 kHz-5千赫)主要是来自框架底部区域,锅头地区之间的关节区域上下手臂,分别和整个受电弓。2017年,伊格莱西亚斯et al。14]发现转向架腔造成高度的后缘转向架腔利用声源的噪声辐射成像技术在日本铁路的消声风洞试验技术研究所。他们的结果是一致的结论山崎和被罩15]。

声类比理论是当前占主导地位的理论依据研究高速列车的空气动力噪声产生机制。偶极子噪声源通常被认为是主要的噪声源(16为高速列车和脉动压力可以被描述的17在火车上表面。火车上的脉动压力表面流场的结构密切相关的诱导机制不同区域流场结构的高速列车。头车情况下,气流的影响,结合气流分离和回贴的流线型的肩膀,气流混合在广告领域,和涡旋脱落创建一个独特的流场结构18在该地区。半夜的火车,在湍流边界层的发卡涡主导动量传输在火车上表面,这是一个重要的生成机制和湍流耗散在该地区(19]。尾车情况下,流线型的肩膀流有一个大规模的分离和回贴,和尾车产生的涡结构及其上游组件高度混合的紊流区,形成后的流场特点地区高湍流强度、湍流动能大,和一对反向的大规模拖涡结构(20.- - - - - -22]。intercoach挡风玻璃面积,腔发声是其主导的声音机制(23,24]。受电弓的区域,气流分离和杆的涡旋脱落和它们的相互作用占主导地位的原因这一领域的流场结构(17,25,26]。转向架的区域,腔的流型和钝头体流模式如轮组和轴转向架腔的结合在狭窄的空间,这是占主导地位的诱导机制的复杂流场结构在这个领域(27,28]。

值得注意的是上面的研究成果都是针对高速列车在公开跟踪和缺乏详细研究气动噪声特点和高速列车在隧道机制。流场structure-induced机制在一个开放的跟踪和波干扰机制在隧道导致流的高速列车在隧道结构复杂。滑动网格法的主要研究方法是当前的高速列车穿越隧道空气动力学问题[29日,30.]。然而,这种方法的最重要的缺点是数据交换的内插误差表面,导致双方不一致的流动通量,因此,数据交换表面流谱跳跃。这个跳小影响气动阻力等问题,升力和力矩。然而,它有一个显著的影响流场的波动量的计算。因此,滑动网格方法一般不建议在空气声学的计算31日]。目前,高速列车的气动噪声数值模型一个开放的轨道上趋向于成熟,可以准确预测高速列车的气动噪声。本文试图引入一个无反射边界条件的基础上,对高速列车的气动噪声数值模型计算一个开放的跟踪研究流场结构、气动噪声源强度分布特征和光谱特征,及其相互关系在一个无限的隧道。基于车辆高度和雷诺数传入的速度 ,分别。本文结构如下:部分2介绍了湍流模型、声reflection-free边界和声学方程使用。部分3建立和验证数值模型的气动噪声的高速列车在隧道里。部分4论述了高速列车在隧道流场结构。部分5分析/频谱分布特征和速度依赖法律噪声源的高速列车在隧道。部分6分析了高速列车在隧道中使用的气动噪声机理的流场结构和空腔flow-sound理论。部分7给出了结论。

2。数学物理模型

2.1。大涡模拟(LES)模型

这里虽然高速列车的运行马赫数小于0.3,空气密度的变化对列车在隧道周围的流场是不容忽视的。因此,三维非定常、可压缩和粘性n - s方程(n)使用。LES模型可以捕捉漩涡和流场脉动信息,因而适用于精致的流场模拟。莱斯是一种特殊的过滤方法用于过滤可压缩n方程获得可压缩数值模拟控制方程描述了大规模的涡旋运动,而次网格尺度模型用于解决小规模的漩涡,以避免全面的直接模拟流场的涡旋运动。Favre过滤方法是一个相对简单的和实际的过滤方法,它使用常见的密度和物理空间过滤压力和density-weighted过滤速度,温度,和内部的能量。可压缩数值模拟控制方程Favre过滤的过滤(32方法如下: ,““代表了物理空间滤波”,“代表density-weighted过滤,和小尺度,是空气密度,的压力,流的速度,是动态粘度系数,热导率,是内部能量,是温度。的方程 , ,和所示如下:

density-weighted过滤状态方程 在哪里气体常数。

关闭方程组,次网格尺度(SGS)模型提出的Smagorinsky介绍次网格压力(33,34]。

2.2。Nonreflecting边界条件

无反射边界条件可以有效地解决这一问题的pseudoreflected波引起的人工截断计算域,从而使周围的流场的模拟高速列车在一个无限长的隧道。通过重建欧拉方程基于波的特点,一组方程可以获得听觉上描述无反射边界条件(35- - - - - -37)如下:

坐标系统是一个基于无反射边界局部笛卡儿坐标系统,在那里 - - - - - -轴是垂直于边界点向外;是声音的速度。每个系数的公式如下:

2.3。空气声学的方程

《声音的类比理论(16,38声音来源分为三种类型:单极子、偶极子和四极。在实际应用程序中,占主导地位的各种声音的来源是选择集成,便于工程应用。,火车是一种固定僵化的实心墙,气流的速度通过其表面是亚音速。因此,斯柯尔声学积分公式(39)可用于研究空气动力学的声音从火车。斯柯尔声学积分公式如下: 在哪里是压力,和分别是,远场接收方的空间位置向量和声源,声音的速度在远场,表面法向量之间的夹角的声源和向量从声源远场接收,是距离声源远场接收,推迟时间,声源的表面积,是在列车表面脉动压力。

使用(6),远场气动噪声的声能量密度可以近似如下: 其中亦表示物理量的平均值在时域。

在远场声源的大小是可以忽略的。它可以被视为一个点声源。随后,约等于 。流量是一个低马赫数,延迟时间的影响可以忽略。因此,总声功率从声源辐射可以表示如下: 在哪里的球体半径表面声波能量积分。

在(8), 代表声源的强度, 代表声源的强度的投影方向从声源到接收器。因此,从工程应用的角度,我们可以定义声源的声功率如下:

我们定义

随后, 在正确的上标代表时间导数,声源的声功率,是波动的力量。

值得注意的是,声源的声功率的计算公式没有考虑声源辐射的特点,本文只研究偶极子噪声源。在此,(11)将被应用到计算的百分比从每个组件声源能量的高速列车总声源能量。

3所示。数值计算模型

3.1。模型制备

此处使用的几何模型是三辆车的高速列车,妖怪和不受电弓的规模1:8。全尺寸模型的长度为79.6米,高度4.08米,宽度3.36米。模型的各个部分的名称如下:妖怪从上游到下游的名字第一个第六转向架,转向架顺序;三辆车从上游到下游被命名为“头车,mid-car,尾车,按顺序。streamlined的头车,尾车单独命名。每个车厢的底部独立命名。火车的示意图如图1。

如图2横截面的全尺寸计算域是扇形,半径为6.87米,面积100 m²,堵塞率为0.136。在 - - - - - -方向,头车是400的进口和尾车距出口800米。在 - - - - - -方向,整个流体领域大约是对称的火车的纵向对称。最低的轮组,大约离地面0.2米。隧道的入口设置入口压力和nonreflecting边界条件和隧道的出口设置为压力出口,nonreflecting边界条件。高速列车是设置为无衬壁边界条件。隧道设置滑动墙,速度等于火车运行速度。

在这项研究中,拓扑优化、多密度盒,边界层网格,和商业啮合的挤压网软件ICEM被用来执行一个精制四面体/三角柱啮合,如图3。三角网格大小的头/尾车的流线型,头/尾车的车厢,mid-car,六个妖怪,隧道的进口/出口,和隧道壁40毫米,50 mm, 60毫米,40毫米,500毫米和500毫米。更大的曲面的网格是适当的精制。整个域的最小/最大网格尺寸是10毫米和500毫米,分别。此外,25层边界层三棱柱网格被添加到火车表面。第一层的厚度是0.1毫米 ),和网格增长率为1.03。三角棱柱层隧道墙上的数量是8。第一层是10毫米的厚度,和网格增长率为1.1。考虑到地区列车周围的流场变化迅速逐步扩大下游,该地区五次列车的高度从火车尾巴尾涡生成和发展的地方;尾车的流线型的双边区域显示一个明显的混合效果,和空气分离发生在肩膀的尾巴流线型的一部分。七个密度盒设置:一个密度盒是一个薄块包围尾巴流线型的肩膀部分,采用了50 mm筛孔尺寸;两个密度盒楔形靠近尾部的部分,网格大小的50 mm;一个密度盒是一个广场,封闭的鼻子和尾巴的广告车。这个广场的长度大约是0.5倍的高度训练,和本地区分为四面体网格,网格的规模50毫米。其他三个嵌套密度盒组成的三截金字塔。 The three front, middle, and rear prisms, respectively, enveloped the streamlined part of the head train, the head/tail/middle carriages, and the tail streamlined part. The width of the downstream part of the density box was wider than the width of the upstream, and the innermost density box contained the wake area of approximately 5 times the train height away from the nose of the tail car. The three density boxes from the inside to the outside were divided into a tetrahedral mesh with the grid sizes of 100 mm, 200 mm, and 400 mm, respectively. For each bogie area, the space was relatively narrow, and the volume mesh distribution of this area can be controlled by the surface mesh. The thickness of the thin plates on both sides of the six bogie cavities was approximately 22.5 mm. To accurately capture the overflow in those areas, the mesh size of 5 mm was adopted. The above mentioned sizes were all full scaled. The volume mesh number was approximately 85 million.

一般来说,适当的边界层网格分布和空间网格高精度莱斯分布是两个基本要求。

边界层网格分布参数主要是(40),它被定义为(12)。因为莱斯需要捕捉相干结构,第一个触发器相干结构的信息是低速条纹结构形成粘性底层( )。由于粘性子层是安排适当数量的网格,应小于1。图4显示分布在火车上表面。 在哪里 壁摩擦速度,壁剪切应力,的质心的距离是冷杉层网格在墙上,然后呢是运动粘度系数。

网格的空间分布参数主要是网格尺度。小规模的漩涡有各向同性的特点,网格尺度必须位于当地的惯性次区域。因此,次网格尺度模型建立了小规模的漩涡是合理的。积分等级标准区分的惯性次区域大规模涡区域。因此,电网规模应该比当地整体规模小。当地的整体规模的定义如下: 在哪里 , 是湍流能量,是湍流耗散率。 在哪里是次网格涡粘性系数,然后呢是应变率张量。

本文以网格的1/3次方体积网格的等效长度 。的空间分布 如图5。

数据4和5表明,加上在火车上表面和 在流体域都小于1。因此,本文提供的网格可以满足的要求准确计算莱斯。

剪切应力传输选择模型计算出稳定的流场。semi-implicit方法pressure-linked压力速度耦合方程(简单)算法是用于稳定计算。连续性方程离散使用标准的计划。动量方程,湍流动能方程,具体的湍流耗散率方程离散使用二阶逆风方案。利用瞬态流场计算Smagorinsky-Lilly-based LES湍流模型。一个二阶隐式方案使用的时态差分方程。这对夫妇压力速度耦合算法是用于不稳定计算。动量方程的离散采用有限中心差分方案。

瞬态时间步被设置为 。根据奈奎斯特采样定理,相应的噪声频率分析是10 kHz。瞬态流场计算的时间是6500步。计算在2500年第一个步骤是为了确保充分发展的湍流流场,剩下的4000步提取噪声来源信息。声音源数据存储在每个时间步,时间跨度为0.2和5赫兹的频率分辨率。

在这项研究中,我们使用了Ansys流利从北京市计算中心软件进行数值模拟。

3.2。模型验证

目前,我们缺乏声学风洞测试的测试数据的高速列车在隧道由于当前测试旨在打开跟踪。湍流模型的合理性和啮合策略所采用的声学风洞试验结果验证了高速列车在公开的痕迹。

高速列车的气动噪声测试(41)开幕式上进行测试的 在中国的研究所声学风洞。测试模型与三辆车高速列车规模1:8,这是安装在地板上,一条铁路的床。图6显示了气动噪声的测试设置。三十远场麦克风安装在一个测试模型。安装位置如图7。在这项研究中,相同的网格划分策略和湍流模型中定义的部分3.1被用来在高速列车的脉动流场进行了数值模拟,和高速列车的远场辐射噪声预测使用Ffowcs威廉姆斯和霍金斯(FW-H)方程。实验结果和仿真结果的声压水平30接受点统计平均,和光谱曲线的绘制在图的平均声压水平8。

如图8,仿真结果和试验结果具有相同的变化趋势的声压级频谱曲线。特别是当频率低于2 kHz,声压级的仿真结果与测试结果比较好。然而,之间的符合程度,仿真结果和试验结果是相对贫穷当频率高于2 kHz,但是差异不超过2 dB。主要原因在于计算网格所没有准确地捕获的脉动流场导致超过2赫兹的频率。然而,高速列车的空气动力来源主要分布在2千赫。总之,湍流模型,网格生成策略和无反射边界条件采用本文满足精细数值模拟的要求,可以为本研究提供强有力的支持。

4所示。流场结构

数据9和10分别显示了瞬时气流速度的大小/涡空间分布在高速列车在隧道轮廓。图11显示了瞬时涡的空间分布结构的高速列车在隧道。涡结构是确定的标准(42),并使用等高线图的水平10。在数据9- - - - - -11,等高线图箭头所示的所有部分放大视图。

根据结构特点和该地区的流场的流动结构在高速列车在隧道分为6种类型,由罗马数字标记在图所示11。

第一个类型的流场结构位于头车的前挡风玻璃。在这方面,很明显,当气流穿过休会前挡风玻璃,速度大小迅速减少,涡度级快速增加,涡结构周期性地脱落。涡结构的遍历列表下游沿前挡风玻璃,和其他两个列表涡结构的遍历下游沿一侧窗户。随着边界层的厚度增加,脱落涡结构之间的距离逐渐减小。

第二种类型的流场结构位于头部的汽车广告。很明显,流动的空气从鼻子尖和下游气流混合头深处的汽车广告。速度大小减少迅速,涡度大小增加迅速。随后,这气流绕过了排障器的尖端。由于汽车的湍流边界层的影响身体,气流的速度进一步降低,振幅和涡度进一步增加。低速度和强涡度面积狭小的空间中形成头部汽车的广告。当下游气流流经汽车广告,附近的车下空间气流加速在这个地区由于空间减少。然而,涡度的大小是相对较小的,因为地面是一个移动的墙边界,形成一个高速和low-vortex附近地面。两个列表的大规模一根大头针发夹漩涡导线以及双方的排障器下游转向架01腔,和大量的小规模的发卡涡信封头车排障器形成大面积的涡包。

第三种类型的流场结构位于转向架01。如图所示,当上游剪切层气流流经指导转向架腔的边缘,由于几何不连续,这种剪切层气流分成两道气流。空气流过流,流经过的后轮区域转向架,转向架后腔和打击。另外气流沿着前面的遍历转向架腔腔的内部。由于转向架的干扰效果,剪切流冲击成破碎的形状。尽管转向架结构包含圆柱棒,棒的雷诺数达到10⁵数量级;此外,杆和生成的涡的脱落涡腔的相互干扰的转向架结构不能产生一个明显的涡结构。生成大量的小发夹涡腔内,和大规模的一根大头针发夹漩涡生成外腔。速度/涡度大小这个地区分布很不均匀。后轮的涡度大小设置区域和下游剪切层气流通过地区相对较大;然而,涡度的大小区域剪切层气流和前轮组地区明显变小。流场结构在其他妖怪也有类似的结果,但流场的变化不是那么暴力的转向架01区。

第四类型的流场结构位于两边的尾车。在这个区域,气流从尾巴流线型的肩膀,和转向架的溢出05 /转向架06和下游气流从双方身体的强烈混合。速度大小减少和涡度级增加。发夹涡生成的在这一领域的发卡涡合并溢出两边的转向架05/06空腔,形成一个强烈的湍流脉动。

第五类型的流场结构位于尾部汽车前挡风玻璃的面积。在这方面,一个清晰的分离存在气流的尾巴流线型的肩膀。气流阻塞的下游休会尾巴汽车前挡风玻璃,导致该地区较小的气流速度和小规模的发卡涡。大规模一根大头针发夹涡度在前挡风玻璃的双方开始脱落,遍历下游沿两方面,结合发夹涡生成下游的前挡风玻璃和产生强烈的脉动压力在前挡风玻璃的两侧。

第六类型的流场结构位于后区。后区,这是大约五次火车高度远离尾车的鼻子,涡度的大小是相对较大的,但速度大小相对较小。特别是,尾车排障器周围的速度大小接近于零,涡度的大小是一个数量级大于其他地区。涡度的等值面/速度大小是这个地区波浪,和不同的等位面相互嵌套,导致无序分布的涡度/速度。涡结构的区域主要是一根大头针发夹涡组。尽管旋涡结构的分布是无序、杂乱无章,发卡涡的涡脚指向双方。上发夹涡群主要是上层的尾车流线型的大规模和疲软的涡度。较低的发卡涡集团主要从底部的尾巴与小型汽车强涡度。发夹涡群遍历下游时,发卡涡群的宽度逐渐增加,和发卡涡的涡的脚的长度逐渐拉长在某种程度上,随后分为小规模的发夹漩涡。

涡结构的规模与气动噪声的频率密切相关。一般而言,规模越大的涡结构,是声音频率越低。图11 (b)显示五个典型的涡结构尺度:40毫米,180毫米,80毫米,220毫米和145毫米。通过比较五个典型的特征尺度涡结构,涡结构捕获的刻度范围大约是(10 - 500毫米)在整个计算域,转向架腔内(10-40毫米),后(100 - 500毫米)。

上面的六个地区有不同的流场结构特点和形成机制不同,但它们都产生强烈的脉动流场。

5。气动噪声来源

众所周知的部分2.3波动压力的变化率在高速列车可以描述其气动噪声的强度。本节将使用定量研究高速列车的贡献率,频率特性和速度依赖法律声能的每个组件。surface-fluctuating压力处理的数据在五个步骤。第一步是提取时域信号的脉动压力在高速列车。第二步是进行傅里叶变换和转换1/3倍频程带并获得 。第三步是获得脉动压力变化速率根据导数的傅里叶变换性质,即。,(15)。第四步是计算的变化率波动的力量通过(16)。第五步是计算等效声源的声功率通过(11)。 在哪里高速列车上的脉动压力,Pa的单位;傅里叶变换的物理量 ,在考评的单位;频率,以赫兹为单位;波动的力量,在单位的N;噪声源的面积,以米为单位²;正确的上标代表着时间导数。

5.1。强度和频率特性

平均值的平方根的速度脉动压力(dpdt-rms)高速列车被定义为(17)和特征的平均影响声源强度的采样时间。其分布云如图12。 在哪里是采样时间。

图12表明,强劲的地区在高速列车噪声源强度主要是位于头部汽车的广告,前挡风玻璃的休会的头车,妖怪,双方的尾巴流线型的一部分。转向架01的噪声源强度明显强于其他妖怪,和转向架的后缘的噪声源强度明显强于其指导边缘。值得注意的是下游的噪声源强度的两面转向架腔显著强于其上游双方。这些结果符合·伊格莱西亚斯等人的结果,山崎和被罩。

图13说明了声源能量的百分比从高速列车的每个组件和不同分区的地区总声源能量。每个组件图的序号(13日)在图是一样的吗1。在图13 (b)分区策略,我是把身体的好处分为头车的好处(包括头流线型的一部分的好处和主教练的好处),中间的好处教练,和尾车的好处(包括尾流线型的一部分的好处和主教练的好处);分区策略II是把身体的缺点分成头车的缺点(包括头部流线型的缺点部分,主教练的缺点,第一/第二转向架),中间的缺点教练(包括中间的缺点教练,第三/第四转向架),和尾车的缺点(包括尾流线型的缺点部分,尾部的缺点教练和第五或第六转向架);第三分区策略就是将整个车的头车(包括上行/下行的流线型,主教练的上行/下行,第一/第二转向架),中间车(包括上行/下行的教练,第三/第四转向架),和尾车(包括上/下行的尾巴流线型的部分,尾部的上/下行教练,和第五或第六转向架)。

基于图13,以下的结论。高速列车的好处,上游的声能量小于下游的教练,教练和声能占大约44.4%的总声能量。缺点的高速列车,声音的能量上游比下游的教练,教练和声能占大约55.6%的总声能量。对整个汽车,声音的能量上游比下游的教练,教练和声源能量的汽车占大约42.6%的总声能量。在同一个教练,声能的比例大约是1:3.57之间的上行和下行的头车,1.11:1的上行和下行之间的中间的车,和2.38:1的上行和下行尾部车。六个妖怪,上游转向架的声源能量大于下游的转向架,但尾巴的声源能量转向架展品当地增加。六个妖怪的声源能量约占总能量的26.2%。值得注意的是的上部mid-car最有助于整个列车的气动噪声能量,和底部的mid-car大大有助于整个列车的气动噪声能量。这是因为这两个组件的面积明显大于其他组件,组件是在活塞加速度区,及其脉动强度相对重要。

由于空间限制,只有的分布轮廓在高速列车上六个典型的频率如图14。数据14(一)和14(b)的分布特征在低频率。数据14(c)和14(d)的分布特征在中间的频率。数据14(e)和14(f)的分布特征在高频率。声源的频率特征研究都是针对1:8按比例缩小的模型。

根据图14头车的鼻子,声源强度16赫兹是相对强劲而忽略其他频率,表明声源能量的头车的鼻子是在低频范围内;的头/拖车的广告,前挡风玻璃的深处的头车,妖怪,和双方的尾巴的部分,声源强度在400 Hz, 800 Hz,和2 kHz,相对较强,弱在其他频率,表明声源能量在这些领域的中频范围。更清楚地识别声源的频率特征能量图15显示的百分比从整个汽车的总声源能量在每个频带根据1/3倍频程。分析频率范围是kHz为何(取得16胜10负的)。

根据图15,整个汽车的声音能谱提出宽带和multipeak特征。占主导地位的分布频率范围是100赫兹到4 kHz,占大约95.1%的总声源能量。峰值频率400赫兹和800赫兹。结合声源强度分布如图(16日),我们发现主要声源能量贡献16赫兹的整个汽车的鼻子头车。清楚地识别的主要贡献组件总声源能量在400 Hz, 800 Hz,每个组件的声源能量在400 Hz, 800 Hz除以总声源能量在400 Hz, 800 Hz,分别。统计结果如图16。组件图的数量16如图1。

根据图16最大的贡献者,总声源能量在400赫兹和800赫兹的缺点都是流线型的一部分,其次是中间车的缺点。所有组件的贡献率在火车的缺点是,分别74.9%和78.7%的总声源能量在400 Hz, 800 Hz,六个妖怪的贡献分别为14.5%和11.4%。进一步分析声源的频谱特征能量头车的流线型的底部部分,声源能量的比例在每个1/3倍频带整个频率范围计算这方面的。统计结果如图17。

根据图17声源能谱的头车的流线型的底部部分提出了宽带和multipeak特征。占主导地位的分布频率范围是200赫兹到2 kHz,占大约89.4%的总声源能量的组件。峰值频率400赫兹和800赫兹。

总之,当来流速度是83米/秒,高速列车的主要噪声源是火车的缺点。的声源能量头车的缺点远远高于在其他教练的缺点。占主导地位的频率分布范围是从200赫兹到2千赫。占主导地位的峰值频率包括400赫兹和800赫兹。火车的缺点的主要声音来源在400赫兹和800赫兹都从转向架腔,而不是转向架。

5.2。流入速度依赖性规律

图18符合功能性声源能量和流入速度之间的关系对整个汽车和占主导地位的声音来源。相应的声源能量流入速度的研究对象50 m / s无因次引用变量。拟合函数 。拟合结果如表所示1。

根据图18和表1整个车的声源能量,头车的流线型的底部部分,和转向架01之前 - - - - - -与流入速度和权力关系接近6。声源强度的磁单极子,偶极子,和四极是正比于4日6日和8日的力量流入速度,分别。因此,高速列车的气动噪声来源提出了偶极子噪声源的特点时,流入速度的范围(50 - 97 m / s)。

一般来说,声源能谱显示腔的频率相似。火车的缺点是由空腔和转向架。是否声源能谱显示了频率相似火车的缺点是待定。

使用头底部的流线型的一部分作为一个例子,在每个频率根据声源能量的1/3倍频程是除以总能量对应的源在相应的流速。这个区域的声源能量的比例获得在每个频率,如图19。

图19显示声源能谱的底部的流线型的部分展示了一个强大的频率相似,这是符合测试的结果由Andreas Lauterbach声学风洞。这进一步证明了仿真结果的准确性。

总之,当流入速度范围内的(50 - 97 m / s),高速列车的气动噪声源的能量正比于6日的力量流入速度,这显示了偶极子噪声源的特点。头的底部的声源频谱精简部分频率相似。

6。噪声机理分析

结果显示部分4和部分5,高速列车的主要声源位于低/高速度和强涡度区,而低/高速度和强涡度区涡结构收集区。声源的强度和涡结构转向架腔的后缘比周围的前缘。声源能量和周围流场的变化转向架01比周围其他妖怪大得多。声源强度两个转向架的下游面腔比上游的双方。涡结构的两边转向架腔反应双方。因此,我们得出这样的结论:较强的涡结构和更广泛的区域的强大的漩涡,越强声源的强度和更广泛的范围是强声源区。

从结果可以得出几个结论部分5。占主导地位的声音来源的火车在400 Hz, 800 Hz的缺点是转向架腔,而不是转向架。声源能量谱模式的流线型头的底部部分频率相似,类似于腔声源。火车的缺点包含六个蛀牙。因此,可以得到一个初步的结论:空腔的声音模式主导机制气动声源的火车在400 Hz, 800 Hz的缺点。进一步验证这一结论,下面我们将提供一个讨论使用声音流动腔的理论。

转向架腔是大约4.2米长,2.9米宽,0.8米深。根据Rossiter的半经验的公式模型腔流体动力学振荡频率0,所示(17),第一、第五,tenth-order模型频率大约60 Hz, 380 Hz, 780 Hz,分别。根据公式腔驻波的共振频率0,所示(18),第一,二阶共振频率约260赫兹和780赫兹,分别。我们发现tenth-order水力振荡模式频率和二阶共振频率是一致的。Rossiter 0和罗克韦尔0提出的上游剪切流腔,从引导边缘由于不连续的几何结构和后缘,产生一个压力反馈的自激振荡现象,形成剪切层。腔的振荡可以分为三种类型:动态振荡,弹性共振振荡,振荡。自我维持的振动不仅会导致强烈的脉动压力的腔产生强烈的单频声。当流动态振荡频率正好与一定的空腔共振频率,站在声波耦合共振的形成,和强大的“哨子”发出0。因为火车模型刚性,转向架腔不会执行弹性振动。因此,我们可以得出结论,声源的主要模式为整个汽车在400赫兹和800赫兹可能是动态振动和共振振荡,分别。从图所示17,声源能量头流线型的底部部分在800 Hz显然高于400赫兹,这是与前面的结果一致43]。 在哪里模态频率,是流入速度,腔的长度沿流动方向,马赫数,模态的顺序。 在哪里固有频率,环境声音的速度,腔的深度,共振频率的顺序。

总而言之,气动噪声源的分布在高速列车在隧道流场结构的特征密切相关。一般来说,如果速度的空间分布和涡度振幅在一定区域的高速列车更非均匀和脱落涡的强度更强,声源强度更强。分别动态振动和共振振荡主导的机制可能声源能量火车在400 Hz, 800 Hz的缺点。

7所示。结论

,苹果和声学nonreflection边界条件用于模拟高速列车周围的脉动流场在一个无限的隧道。声源能量计算使用时间梯度表面脉动压力的火车,和声源的特性进行了讨论。进一步,利用空泡流的声音理论和流场结构,声源的分布规律及其形成机制的高速列车在隧道中。细节如下:(1)上游的声源能源运输的好处大于下游马车的好处,但是相反运输的缺点。转向架01的声源能量远远大于其他的妖怪。(2)整个车的声源能量的缺点/上行,头车,和六个妖怪占44.4%,55.6%,42.6%,和26.2%的整个汽车的声源能量,分别。(3)声能的比例大约是1:3.57之间的上行和下行的头车,1.11:1的上行和下行之间的中间的车,和2.38:1的上行和下行尾部车。(4)声源能量的车,头车的流线型的底部部分,和转向架01比例5.77,5.90,和6.11的力量流入速度,分别。声源能量谱模式的头车的流线型的底部部分频率相似。(5)整个车的声音能谱提出了宽带和multipeak特征。占主导地位的分布频率范围是100赫兹到4 kHz,占大约95.1%的总声源能量。峰值频率400赫兹和800赫兹。声源能量峰值频率主要是转向架腔。(6)分别动态振动和共振振荡主导的机制可能声源能量火车在400 Hz, 800 Hz的缺点。

外部混响环境和车内噪声的高速列车在隧道可以进一步研究利用声学源数据和专业声学软件。此外,比较气动噪声源的特点对高速列车在隧道和打开跟踪和扩展对高速列车的气动噪声的影响也感兴趣的每个人。这些部分将详细讨论在接下来的论文。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

信息披露

谭小明是第一作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了教育部、交通与交通工程学院(2016 yfb1200503-03)和(2017 yfb1201103-02)。基金项目的研究是研究控制技术综合的舒适的基础上主动噪声控制(2016 yfb1200503-03)。