文摘

高速列车受电弓是重要的设备。列车在高速运行时,凹凸部分火车造成严重的气流扰动,导致流动分离、涡脱落,崩溃。一个强大的波动将引起压力场和转换成气动噪声。当高速列车达到300 km / h,气动噪声成为主要噪声源。气动噪声的受电弓在远场中占据很大一部分空气动力噪声的火车。因此,受电弓突出的气动噪声问题在许多空气动力学问题。本文应用分离涡模拟(DES)周围的流场进行数值模拟的高速列车受电弓运行在露天。时域特征、频域特征和非定常流场的空气动力噪声得到了受电弓。声学边界元法用于研究受电弓的噪声辐射特性。结果表明,与不同的旋转方向和不同尺度的涡流等地区受电弓头,铰链关节,底部框架,和绝缘体,而更大的漩涡在受电弓头和底部框架。 These eddies affect fluctuation pressures of pantographs to form aerodynamic noise sources. Slide plates, pantograph heads, balance rods, insulators, bottom frames, and push rods are the main aerodynamic noise source of pantographs. Radiated energies of pantographs are mainly in mid-frequency and high-frequency bands. In high-frequency bands, the far-field aerodynamic noise of pantographs is mainly contributed by the pantograph head. Single-frequency noises are in the far-field aerodynamic noise of pantographs, where main frequencies are 293 Hz, 586 Hz, 880 Hz, and 1173 Hz. The farther the observed point is from the noise source, the faster the sound pressure attenuation will be. When the distance of two adjacent observed points is increased by double, the attenuation amplitude of sound pressure levels for pantographs is around 6.6 dB.

1。介绍

高速列车的快速发展,列车的运行速度不断增加,开发和培训机构对较轻的重量。与此同时,高速列车空气动力学问题引起的变得越来越重要。特别是,空气动力学问题的受电弓立即引起了科研人员的关注。

受电弓是一项重要的设备在高速列车。列车在高速运行时,在火车上凹凸部分会导致严重的扰动气流,让他们产生复杂的流动分离,涡脱落,崩溃。因此,强大的波动将引起压力场和转换成气动噪声(1]。研究结果表明,当高速列车的运行速度达到300公里/小时,空气动力噪声将超过轮轨噪音,成为主要的噪声源。气动噪声的受电弓占据很大比例在远场完整的列车的空气动力噪声2,3]。目前,在一些追踪列车的运行速度达到350公里/小时。列车的空气动力噪声不仅导致列车噪音污染,而且可以减少旅客舒适度和沿轨道严重影响居民的生活4]。列车的空气动力噪声压制速度的增加的一个关键因素。设计和实验日本新干线列车的速度是350公里/小时以上。然而,气动噪声水平达到一个压迫的程度。最后,本系列的列车只能运行在300 km / h。和上海磁悬浮列车的设计速度430公里/小时以上。噪音标准的限制,火车只能下运行200公里/小时(5,6]。

目前,研究空气动力噪声的受电弓相对不发达而完整的训练结构和系统的研究。受电弓的研究空气动力噪声主要是完成实验测试和数值模拟。实验测试分为风洞测试和全面的模型与实际列车。支架等。7)法国高速列车受电弓系统的空气动力噪声测试使用风洞,发现垂直脸的受电弓是最重要的气动噪声的来源之一。北川和Nagakura8,9)测试高速列车使用风洞和列车的空气动力噪声测试,发现气动噪声来源包括受电弓,妖怪,鼻子尖,飞行员,火车,火车尾巴,火车连接器,和裙子盘子。Mellet et al。1)使用火车外的列车实验测试空气动力噪声,发现远场气动噪声的声压水平与运行速度的对数近似线性关系,和受电弓的贡献远场噪声总排名第二的位置。高et al。10)使用风洞试验来研究高速列车的空气动力噪声的缩放比例1:8,发现噪音的妖怪和受电弓模型的主要噪声源,和受电弓大噪声能量在500 Hz ~ 800 Hz, 2 ~ 4 kHz, 6赫兹。的数值研究,结合计算流体力学和计算声学是用于研究气动噪音,噪音的产生机制,高速列车噪声辐射特性或主要部件(如妖怪、受电弓和关节)。国王三世(11)平衡的受电弓的缸,用偶极子声源来描述圆柱涡脱落引起的空气动力噪声,进一步分析远场气动噪声的受电弓受电弓和指出声音压力成正比的6次方的运行速度,在声压级与对数线性关系的运行速度。刘等人。12]采用混合方法获得了一个等效气动噪声源使用大涡模拟,然后加载源声学边界元素。表面偶极子噪声源的特点详细研究了单臂受电弓。研究结果表明,单臂受电弓的主要精力集中在100 ~ 700 Hz。当运行速度稳定,频率增加,表面偶极子噪声源的振幅受电弓将减少。当频率增加到20赫兹到5000赫兹偶极子的振幅噪声源在不同运行速度下降了30分贝。杜et al。13受电弓的气动噪声进行了数值分析。分析结果表明,碳气动鼻子的滑块是一个主要的控制因素,而底部框架结构是第二个因素。为了减少空气动力噪声的受电弓,Ikeda et al。14)采用多孔材料受电弓和提出了一个新颖的受电弓,达到明显的降噪效果。肖和施15)进行了仿真计算不同截面形状的受电弓绝缘体。他们发现,绝缘体与椭圆长轴的横截面由气流方向是最优的。Yu et al。16)设计三种指导警卫和受电弓进行了降噪分析基于对受电弓运行模式下打开,发现降噪效果明显,声压水平下降了3 dB采用这个受电弓指导类似空气屏障。

在那些已发表论文,只是用风洞或列车测试有一个高成本、低效率,而实验结果的可重复性很差。问题已经解决了非常有效的数值模拟。然而,大多数研究不能使用实验测试,验证数值模型并不能保证研究结果的可靠性。噪声数值模拟的方法主要取决于声学类比理论,不能进行系统性研究噪声辐射特性。针对这些问题,本文进行了深入研究产生机制,来源,对受电弓气动噪声的辐射特征基于声学类比理论和边界元法。实验验证了数值模型的可靠性测试。研究结果证明,在高频波段,受电弓的远场气动噪声主要由受电弓头。单频噪声受电弓,远场气动噪声的主要频率是293 Hz, 586 Hz, 880 Hz, 1173 Hz。

2。声学类比理论

随着计算机技术的发展,计算空气声学已经逐渐发展成为一个重要的工具,探讨了气动噪声机理,发现噪声源的位置,并预测的噪音。相结合的方法计算流体动力学和声学模拟理论(17[](FW-H方程18)和自由空间格林函数)是最受欢迎的气动噪声预测方法在当前的工程应用。基本思想计算的领域分为两个步骤:首先,利用CFD计算近场部分,和声源信息数据获取;然后,声学模拟理论是用来解决传播的声波从近场到远场。

空气动力噪声流体和结构之间的相互作用的结果,当流体流过固体表面。作为通用流体软件,流利的空气动力噪声的集成了强大的计算能力。通过求解流体动力学方程,流利可以直接实现生成和传播的声波。直接计算方法创新艺人经纪公司(计算航空声学)。粘度和湍流效应模拟准确地通过直接求解非稳定计算方程和雷诺平均跑方程(19- - - - - -21]。CAA方法需要与高精度数值解的方法,细化网格,和无反射边界条件,使计算成本非常高。目前,该方法不能用于解决高速列车的气动噪声问题。另一种计算流利的方法是广泛使用的《声学类比,也可以称为AAA (Aero-Acoustic类比)方法(22- - - - - -24]。不同的创新艺人经纪公司的方法,“声学类比”方法将波方程和流动方程。一个非稳定流动方程是解决。然后,解决结果作为噪声源。一个声波波动方程的解。这样,声波的解决方案是脱离流动的解决方案的过程,提高了计算效率,可以解决复杂的气动声学问题。基于质量守恒和动量守恒方程,获得《气动噪声产生的波动方程湍流流动与小范围封闭静态流体,如下: 在哪里是流体密度的扰动量, ,和前后密度扰动;《压力, ;粘性应力;克罗内克符号的象征;声速。左端(1)是相同的与普通声波方程,右端是相当于一个声源项。事实上,右端(1)包含一个变量 ,(1)不是一个声学波动方程。从本质上讲,这仍然是一个流体流动方程。指出的,如果方程的右端是视为一个四极源项,(1)将成为一个典型的声波方程,该方法可以被称为“声学类比”方法。

根据《方程,FW-H (Ffowcs威廉姆斯和霍金斯)广义格林函数应用于《声学类比理论推广到任意固体边界的流噪声问题,获得FW-H方程是目前广泛应用18]。方程如下: 在这个方程,FW-H方程的右端也可以视为声源项,第一项是《声源项,即四极声源;第二项是一个声源引起的表面脉动压力(力分布),也就是说,一个偶极子声源;第三项是一个声源引起的地表加速度(流体位移分布),即一个单极子声源。《声源项只存在在可移动的固体表面,而表面里面等于零;第二个和第三个声源项只有固体表面上形成。

3所示。受电弓的计算模型和实验验证

图1提出了在高速列车受电弓采用。高速列车受电弓的通常是由一个受电弓头,一个框架,底部框架和传导机制。框架是由组件如摇摆杆、上臂杆、下臂杆、支撑杆和杆的平衡。所有的组件都通过铰链连接。支持的框架底部框架。底部框架固定在火车上的绝缘体。支持的受电弓头架升降装置。传导机制作用于下臂杆来实现升降动作。一个气动升降装置安装在底座上,作用于一个行业板块位于下方的下臂杆钢丝绳,使受电弓升降。下臂杆、顶架和受电弓头是不锈钢做的。 The carbon slide plate is installed on the pantograph head support. The pantograph head support is suspended under 4 pull springs. Two torsional springs are installed between the pantograph head and upper frame.

计算域如图2。计算域的长度、宽度和高度40米,20 m,分别和12米。绝缘子和地面之间的距离是0.15米。受电弓的来流方向的截面速度入口边界,大小等于运行速度;横截面的背后是一个压力出口边界0 Pa的大小;在左右横截面,截面正上方设置为对称边界;受电弓表面设置防滑墙墙边界的脸。为了模拟地面效应,地面设置地面滑。其滑动速度是受电弓的运行速度。

机使用网格划分网格的计算域的受电弓。表面的边界层网格划分受电弓。与此同时,细化网格区域设置在受电弓。受电弓的最大表面网格大小是15毫米。空间网格的最大大小是500毫米。为了控制在受电弓的网格质量,完善地区受电弓分为2块。最大网格大小的小块15毫米,和大块的最大网格尺寸是30毫米,如图3。在计算,网格自适应技术是用于连续调整网格密度;进行局部加密,这样可以保证计算的准确性。更精确地考虑影响受电弓表面的流体流动,边界层网格划分进行表面上,和15-layer三棱柱网格增长率为1.1和总厚度3毫米。图4显示了受电弓的表面网格和边界层网格。量完成计算域的网格大约有4215万。

为了加快收敛,三维不可压缩粘性是在首先进行稳定计算。然后,稳定的瞬态结果作为初始值计算瞬态流场。声源信息提取到的物理领域变得稳定,和提取的声源信息存储在一个中立的文档。最后,在中立的声源信息文档阅读。FW-H方程是用来解决噪声的观测值点的声场。

RNG湍流模型的稳定计算。简单的算法在压力和速度之间的耦合25- - - - - -28]。标准的墙面对函数用于墙附近的脸。标准格式离散化应用连续方程。二阶逆风格式应用于动量方程,能量方程,湍流耗散率方程。

LES湍流模型用于瞬态计算。Smagorinsky-Lilly基于混合长度理论的次网格模型用于模拟小规模的漩涡。二阶隐式表达式用作时间差分格式。庇索算法用于压力和速度之间的耦合。转眼间格式是用于分离连续方程。有限中心差分用于单独的动量方程。

此外,时间步长 ,瞬态时间,声场计算时间应该考虑在计算。瞬态声场的计算时间的选择主要取决于有关频率分量,计算收敛。摘要空气动力噪声的最大频率设置为5000 Hz,采用时间0.5秒。因此,受电弓的空气动力噪声的频率分辨率 2赫兹。

受电弓的流场计算模型是非常复杂的,所以它的可靠性应由实验验证测试。研究了受电弓在报纸上是一个标准的结构,和相关的空气动力特性测试很多发表论文。李等人。29日)用风洞试验受电弓的空气动力。本文主要结构的受电弓与实验模型基本上是一致的。因此,实验结果在该引用可用于验证数值模型。根据实验测试,本文进行了数值计算空气动力阻力的受电弓在210 - 370公里/小时的步长10公里/小时。计算结果与实验结果相比,如图5。这是显示在图5数值模拟和实验测试之间的变化趋势非常一致;之间的相对误差实验测试和数值模拟计算,和最大相对误差为4.8%。结果充分证明了本文数值模型是可靠的。数值结果在每个速度小于实验结果。原因可能在于数值模拟是一个理想状态,只考虑来流速度,而实验测试将受到测试环境和安装的标本和空气动力阻力会增加。

4所示。受电弓的流场特征

实验测试证明了受电弓的数值模型的可靠性。因此,该模型可以用来研究后续内容。轮廓的表面压力的受电弓运行350公里/小时的速度提取,如图6。显然,最表面的迎风面位于位置有大量积极的压力,主要包括受电弓头,行业板块,底部框架,和绝缘体。受电弓表面压力分布是对称的,主要是因为列车的受电弓结构是对称的,影响身体的受电弓在这个计算不考虑。最大的正压位于受电弓头,基座,绝缘体的迎风面,5289 Pa的大小。的最大负压位于背风侧绝缘体,大小为24052 Pa。表面受电弓压力存在很强的沿纵向对称中心平面。

图7展示了速度分布的纵向中心平面上受电弓运行在350 km / h的速度。这是显示在图7与大速度变化是位于受电弓受电弓头,底部框架,铰链的位置。受电弓的沿垂直方向速度分布是对称的,和滑块的最大速度分布与110 m / s的大小受电弓;最低流速之间的铰链部分位于底部框架和拉棒,与0 m / s的大小。结果表明,受电弓的速度分布和压力分布也有类似的规则。受电弓地区速度轮廓也是对称的。

图8显示了涡流的分布轮廓的纵向中心平面的受电弓运行速度为350公里/小时。这是显示在图8受电弓的高速运行期间,由于干扰的受电弓头,底部框架,和绝缘体,气流有卡门涡街现象受电弓碳滑板的正面,和圆柱形湍流现象不发生在底部框架。显然,单频噪声将受电弓的高速运行期间生成。涡流与不同的旋转方向和尺度等在这些地区受电弓头,铰链关节,底部框架,和绝缘体。大漩涡是受电弓头和底部框架。此外,漩涡不断脱落,重建后的受电弓的一部分,和大漩涡不断被打破,小漩涡形成。波动压力的受电弓终于受到这些涡流的影响,和气动噪声来源。

图9提出了速度的分布轮廓iso-surface基于Q-criterion,有关的受电弓运行速度为350公里/小时,500 / s值的地方²1000 /秒²2000 /秒²5000 /秒²10000 /秒²,20000 / s²。这是显示在图9当高速列车运行时,通过扰动的受电弓头,底部框架,和绝缘体,气流形成一系列后部涡流。受到气流的影响,这些漩涡朝着后面的训练和不断棚和重建。涡流产生在前面受电弓头和影响后面的受电弓头,和大湍流能量生成的受电弓头。因此,非稳定气动力是非常明显的。同样,大漩涡在这些地区框架底部和下臂杆之间。涡流分布明显受电弓的几何中心。涡流在受电弓头和底部框架生成一系列的尾巴流动背后受电弓与时间和空间。尾部流动也产生大的波动压力,这将进一步导致强烈的噪声辐射。

5。空气动力噪声的特点

5.1。气动噪声来源

宽带噪声源模型在软件STAR-CCM +是用于计算表面噪声源的分布受电弓。因此,可以获得有用的噪声源信息并帮助判断部分,主要产生的噪音。然而,它不能用于预测可见的辐射噪音。受电弓表面噪声源分布可以用偶极子噪声源,噪声和环境噪声可以用四极来源。

图10礼物的分布轮廓表面声功率水平的受电弓在平地上运行速度为350公里/小时(偶极子噪声源)。图11礼物分布轮廓的声功率水平在不同的纵向截面的受电弓在平地上运行速度为350公里/小时(四极噪声源)。这是显示在图10山峰的声功率水平的滑动板、受电弓头,平衡棒,绝缘体,底部框架,和推棒达到120分贝,而声功率水平的其他地方很小。受电弓表面声功率大,波动压力也大,强烈的气动噪音引起。声音的幻灯片板、受电弓头,平衡棒,和绝缘体迎风一侧是118分贝,119分贝,105分贝和100分贝。如图11、四极噪声分布纵向对称平面上受电弓受电弓证明主要噪声源的地区是受电弓头,铰链关节,底部框架,和绝缘体在迎风面;严重的气动噪声的尾巴等地区受电弓头,底部框架,铰链关节,和绝缘体;四极噪声分布在受电弓头和圆柱流湍流现象。结果表明,四极的声音与受电弓周围流场的特点,如图7和8。

5.2。在远场空气动力噪声

为了研究空气动力噪声的分布特征受电弓在远场,5点观察周围放置沿着水平方向受电弓的几何中心。两个观察点满足二倍关系,坐标如下: , , , , 。观察到的点和坐标平面之间的关系,根据气动噪声计算远场的受电弓,如图所示12。

一个权重进行声音压力气动噪声的观察要点。损害窗口选定为处理数据。重叠系数是0.5。数据记录的起始点是0.25秒。终点数据记录是0.7秒。因此,根据处理数据,最高频率为5000赫兹,和频率分辨率是2赫兹。图13提出了噪声频谱观察到的点 , , , ,和 。这是显示在图13:

由于结构特异性,受电弓是由很多圆柱棒。这些圆柱棒的辐射噪声有明显的单频特性。这些单频特性将导致明显的峰值噪声。因此,空气动力噪声的受电弓单纵模和峰值噪音,主要频率是293 Hz, 586 Hz, 880 Hz, 1173 Hz。观察到的点 , ,和 ,三阶主要频率880赫兹最大振幅。观察到的点和 ,一阶主要频率293赫兹最大振幅。

观察到的时候 ,主要频谱振幅对应于频率293赫兹,586 Hz, 880 Hz, 1173 Hz 99.3 dB, 102.5 dB, 88.9 dB和80.8分贝。观察到的时候 ,主要频谱振幅对应于频率293赫兹,586 Hz, 880 Hz, 1173 Hz 88.5 dB, 91.4 dB, 81.9 dB和73.8分贝。在观察到的点 ,主要频谱振幅对应于频率293赫兹,586 Hz, 880 Hz, 1173 Hz 80.6 dB, 81.2 dB, 71.3 dB和65.4分贝。观察到的时候 ,主要频谱振幅对应于频率293赫兹,586 Hz, 880 Hz, 1173 Hz 74.9 dB, 70.4 dB, 64.7 dB和59.9分贝。观察到的时候 ,主要频谱振幅对应于频率293赫兹,586 Hz, 880 Hz, 1173 Hz 68.7 dB, 62.1 dB, 57.6 dB和53.5分贝。

主要在一阶频率293赫兹,声压衰减振幅从观察到的点观察到的点10.8 dB, 7.9 dB, 5.7 dB,和6.2 dB;主要在二阶频率586赫兹,声压衰减振幅从观察到的点观察到的点11.1 dB, 10.2 dB, 10.8 dB,和8.3 dB;主要在三阶频率880赫兹,声压衰减振幅从观察到的点观察到的点7.0 dB, 10.6 dB, 6.6 dB,和7.1 dB;主要在四阶频率1173赫兹,声压衰减振幅从观察到的点观察到的点6.9 dB, 8.4 dB, 5.5 dB和6.4分贝。显然,从噪声源的位置越远,声压衰减越快。当观察到两点的距离增加了两倍,声压衰减振幅水平约为6.6分贝。可见,空气动力噪声的衰减特征受电弓的圆柱形扰乱类似,可似乎是一个典型的点声源。

5.3。空气动力噪声的辐射特征

分析结果表明,受电弓是高速列车的主要气动噪声来源。因此,这部分主要研究空气动力噪声的辐射特征的受电弓运行速度为350公里/小时。时域信号的波动压力的受电弓在流场中提取。边界元法用于解决接收声音压力点,因为它可以计算声学结果更快。根据边界元网格的规则,一个波长应包括六个元素。计算频率5000赫兹,元素的大小应该小于11毫米。本文的最大元素大小是10毫米。因此,有5021个元素和5832个节点。声学软件虚拟。实验室是用来计算声波传播受电弓表面(30.- - - - - -33]。基于声压边界条件,受电弓表面波动压力,利用CFD得到映射到声学网格。DFT波动压力的用于数据传输。最后,声学网格可以获得所有的流场结果,然后进行声学响应计算。通过分析远场响应,气动噪声的辐射特征受电弓的远场。图14介绍声学网格的受电弓,最大频率最大网格大小满足要求。图15礼物比较轮廓的气动噪声的辐射特征在293 Hz, 586 Hz, 880 Hz, 1173 Hz,通过计算获得的。

结果在图15证明空气动力噪声的受电弓主要分布在中心频率和高频波段,在低频波段和气动噪声能量低于中频和高频乐队。受电弓运行时速度为350公里/小时,空气动力噪声的主要辐射方向在293 Hz左上角方向和右上方向;主要气动噪声的辐射方向在586 Hz, 880 Hz以上是正确的方向,而左方向和正确的方向并不是空气动力噪声的主要方向;主要气动噪声的辐射方向在1173 Hz左上角方向和右上方向,主要精力在地位比在低频率和主要受电弓头使贡献远场辐射能量的空气动力噪声。因此,很明显,在高频率,主要是受电弓的受电弓头使空气动力噪声贡献远场。显然,降噪效果是最明显的,如果可以受电弓头进行优化设计。

6。结论

当高速列车运行时,通过扰动的受电弓头,底部框架,和绝缘体,气流在碳卡门涡街现象滑块位于受电弓头,和圆柱形湍流现象不发生在底部框架。显然,单频噪声会造成在受电弓的高速运行。涡流与不同的旋转方向和尺度等在这些地区受电弓头,铰链关节,底部框架,和绝缘体,而大漩涡是受电弓头和底部框架。最后,这些漩涡会影响受电弓压力波动,形成气动噪声来源。

滑动板、受电弓头,平衡棒,绝缘体,底部框架,并推动棒是受电弓的气动噪声的主要来源。受电弓头,铰链关节,底部框架,和绝缘体是受电弓的主要气动噪声辐射地区。

空气动力噪声的传播受电弓受电弓的主要辐射能量特征是在中心频率和高频乐队,和主要辐射方向左上方方向和右上角受电弓头的方向。在高频波段,主要是受电弓的受电弓头为空气动力噪声做出贡献在远场。显然,降噪效果是最明显的,如果可以受电弓头进行优化设计。

空气动力噪声的受电弓单频组件在远场,主要频率是293 Hz, 586 Hz, 880 Hz, 1173 Hz。观察到的点 , ,和 ,三阶主要频率880赫兹最大振幅。观察到的点和 ,一阶主要频率293赫兹最大振幅。当观察到两点的距离增加了两倍,声压衰减振幅水平约为6.6分贝。很明显,对受电弓气动噪声的衰减特征类似于圆柱形动乱在远场,可似乎是一个典型的点声源。

的利益冲突

作者声明没有任何利益冲突有关的出版。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金委国际合作与交流项目(批准号71611530712)和中国中央大学基础研究基金(批准号201713051)。