简析车组动车组空气动力噪声数值仿真

论文导读：：高速动车组车外气动噪声随着其运转速度提升而增加,当速度超过一定范围,气动噪声已经成为高速动车组的主要噪声源,将影响行车安全和旅客的舒适性并制约列车运转速度的进一步提升,由此,如何制约高速动车组的气动噪声一直是高速铁路进一步进展面对的一个重大课题。本论文以流体力学和声学的基本论述出发,采取数值模拟的策略,运
摘要：高速动车组车外气动噪声随着其运转速度提升而增加,当速度超过一定范围,气动噪声已经成为高速动车组的主要噪声源,将影响行车安全和旅客的舒适性并制约列车运转速度的进一步提升,由此,如何制约高速动车组的气动噪声一直是高速铁路进一步进展面对的一个重大课题。本论文以流体力学和声学的基本论述出发,采取数值模拟的策略,运用Fluent及Virtual.lab Acoustics软件对高速动车组车外气动噪声特性进行探讨,为降低高速动车组气动噪声提供借鉴和参考。本论文建立了三维高速动车组空气动力学模型,用Fluent软件计算高速动车组周围的稳态空气动力特性,以稳态解作为初始值,用大涡模型计算瞬态流场并得到结构表面的脉动压力,得到列车头、空调导流罩及受电弓导流罩稳态表面压力分布及其各临测点的脉动压力。浅析计算结果表明：随着列车运转速度的提升,列车对周围空气扰动程度加剧,列车稳态表面压力、脉动压力及其波动幅度均增大;在列车车身面曲率大的区域,其稳态表面压力、脉动压力及其压力梯度显著提升。将Fluent监测所得的脉动压力通过快速傅立叶变换(FFT)转换到频域中,得到动车组不同部位的近场气动噪声频谱,结果表明：气动噪声的能量在低频部分较大,在高频部分较小：在动车组车身曲面曲率变化越大的区域,气动噪声波动梯度、总声压级及其增加幅度越大,反之就越小将Fluent计算所得的外流场结果导入Virtual.lab Acoustics软件,采取直接边界元法对高速动车组远场气动噪声进行仿真浅析。结果表明：随着列车运转速度的提升,高速动车组远场的气动噪声总声压级增大,且其增加幅度随着距离轨道中心线越远而逐渐减小；在相同速度下,气流经过列车车身曲率较大的表面及车身结构部件所诱发的气动噪声较大,且各监测点总声压级随着距离轨道中心线越远而减小,衰减幅度逐渐减小。通过对高速动车组车外的气动噪声数值探讨表明：高速动车组气动噪声分布在很宽的频带内,无显著的主频率,是一种宽频噪声。列车运转速度的提升只是增大总声压的数值,并不转变监测点声压的频谱特性。若高速动车组车身采取更平滑的流线型,则能有效地减少气动噪声。关键词：动车组论文脉动压力论文气动噪声论文
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Abstract6-11
第一章 绪论11-17

1.1 高速动车组气动噪声探讨背景及作用11-12

1.2 高速动车组气动噪声国内外探讨近况12-15

1.2.1 论述探讨12-13

1.2.2 试验探讨13-14

1.2.3 数值模拟探讨14-15

1.3 本论文探讨内容和探讨思路15-16

1.3.1 探讨内容15

1.3.2 探讨思路15-16

本章小结16-17
第二章 高速动车组气动噪声论述17-30

2.1 流体声学论述17-21

2.

1.1 流场中声源分类17-19

2.

1.2 流体运动的基本方程19-21

2.2 气动声学基本论述21-26

2.1 Lighthill声波动方程21-24

2.2 Lighthill-Curle方程24-25

2.3 Ffowcs Wilpams-Hawkings方程25-26

2.3 噪声及其评价标准26-29

2.3.1 噪声的概念及特点26

2.3.2 噪声的危害26

2.3.3 声压级26-27

2.3.4 噪声的频谱浅析27-28

2.3.5 噪声评价28-29

本章小结29-30
第三章 高速动车组气动噪声的数值模拟流程30-42

3.1 湍流模型30-33

3.1.1 直接数值模拟法(Direct Numerieal Simulation,DNS)30-31
3.1.2 雷诺时间平均法(Reynolds Averaged Nier-Stokes,RANS)31
3.

1.3 大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)31-32

3.

1.4 湍流模型的选取32-33

3.2 气动声学的数值模拟策略33-34
3.2.1 计算气动声学策略(Computational Aeroacoustics,CAA)33
3.

2.2 声类比策略(Acoustic Analogy,AA)33

3.

2.3 基于稳态RA论文导读：

NS噪声源模拟33-34
3.

2.4 CFD与声学求解器耦合34

3.

2.5 气动声学数值模拟策略的选取34

3.3 高速动车组气动噪声的数值计算流程设定34-35

3.4 高速动车组气动噪声的数值计算物理模型35-41

3.4.1 数值计算列车模型的确定35-37

3.4.2 数值计算区域的选取37-38

3.4.3 数值计算模型网格的划分38-39

3.4.4 数值计算流体属性的设置39

3.4.5 数值计算初始条件和边界条件的确立39-40

3.4.6 数值计算求解的设置40-41

本章小结41-42
第四章 高速动车组近场气动噪声数值模拟浅析42-59

4.1 高速动车组车头曲面近场气动噪声特性浅析42-50

4.

1.1 高速动车组车头稳态数值模拟结果42-44

4.

1.2 高速动车组车头曲面脉动压力浅析44-47

4.

1.3 高速动车组车头曲面近场气动噪声浅析47-50

4.2 高速动车组空调导流罩近场气动噪声特性浅析50-57
4.

2.1 高速动车组空调导流罩稳态数值模拟结果50-52

4.

2.2 高速动车组空调导流罩脉动压力浅析52-55

4.

2.3 高速动车组空调导流罩近场气动噪声浅析55-57

4.3 高速动车组受电弓导流罩近场气动噪声特性浅析57-58
本章小结58-59
第五章 高速动车组远场气动噪声数值模拟浅析59-81

5.1 声辐射的数值浅析策略59-64

5.

1.1 边界元法介绍59

5.

1.2 Helmholtz边界积分方程59-60

5.

1.3 直接边界元法60-63

5.

1.4 间接边界元法63-64

5.2 高速动车组远场气动噪声浅析64-80
5.

2.1 导入声源边界条件64

5.

2.2 远场气动噪声监测点布置64-65

5.

2.3 远场气动噪声浅析65-80

本章小结80-81
结论81-83
参考文献83-85
攻读硕士学位期间发表的学术论文85-86
致谢86