基于成熟的明线上高速列车气动噪声计算模型和可压缩大涡模型,考虑声学无反射边界条件,利用计算流体力学软件Fluent建立无限长隧道内高速列车气动噪声计算模型,对比分析高速列车在明线上与隧道内运行时的流场组织结构和气动噪声源。结果表明高速列车在明线上与隧道内运行时具有类似的流场结构和气动噪声源分布规律,但隧道内的流场结构尺度与强度、气动噪声源强度均比明线上大;车速为350 kmh-1时,隧道内头车排障器尖点扰动区的速度幅值约为明线上的1.2倍,列车尾流区长度约为明线上的1.7倍,整车、1位转向架、头车流线型车底及中间车上部的等效声源声功率分别约为明线上的3.2倍、1.6倍、2.7倍和4.2倍;隧道内活塞效应并不是在全频率范围增加等效声源声功率,而是在包含峰值频率较狭窄的频率范围显著地增加等效声源声功率。

随着地铁列车速度提升至160 km/h,隧道环境下地铁列车表面气动激励显著增强。应用大涡模拟对隧道内160 km/h地铁列车脉动流场结构和表面气动噪声源进行数值仿真,定量评估全封闭设备舱设计对地铁列车气动声学性能的优化效果。结果表明全封闭设备舱设计能够疏导车底气流,使车底气流更多集中在转向架舱两侧溢出,同时引起车下主要涡结构尺度增大。对应的,列车整车车体气动噪声源能量减小约2.9%;其中头车、中车1分别增大5.7%和9.4%,中车2和尾车分别减小4.2%和13.8%,各节车体声源能量分布更加均匀;列车高频声源能量减小,整车800 hz峰值频谱能量减小约4.0%。研究成果将为160 km/h地铁列车气动降噪设计提供参考。

对物体高速行驶下的气动噪声现象的认识和描述一直以来都是气动声学领域探索的基本问题和难点问题,尤其对物体近壁面处声源的产生及其声辐射缺乏有效的描述手段。该研究以圆柱绕流为研究对象,结合数值仿真手段,基于涡声方程的声源项描述圆柱绕流近壁面处的声源特性,建立声源识别方法。研究表明,该方法描述的声源存在不该有声源的位置出现声源的现象。研究进一步基于质点振速的矢量波动方程,将不能辐射噪声的源分离,较为准确地识别出了圆柱绕流气动噪声源的大小和位置。该研究在探索识别圆柱绕流气动噪声源方法的同时,也为准确识别气动噪声源特征提供了有效的方法。

传统的平面近场声全息将全息面置于射流内部。为了降低窗效应和卷绕误差对重建精度的不利影响,一般要求全息面尺寸为声源的2倍以上,而较大尺寸的传声器阵列放在射流内部会干扰射流的稳定。针对这一问题,提出将整个全息面置于射流外部的方法。根据经典的剪切层修正理论,首先分析声波由声源传播至全息面过程中路径和幅值的改变,继而推导出修正后的声场传播公式,最终建立起马赫数小于0.3的运动流体介质和剪切层共同作用下的平面近场声全息理论模型。数值仿真表明,改进后的平面近场声全息技术能够得到高分辨率的重建声场,对气动噪声源的定位精度较高,并且具备一定的抗干扰能力。