采用计算气动声学研究高速列车表面偶极子声源外辐射的指向性

　　0 引言

　　对列车外部气动噪声场分布特性的研究，尤其是气动声源的指向性分析，是进行基于气动噪声控制的列车车身优化设计和高速铁路干线环境噪声控制技术研究的基础。气动噪声又称气流噪声，是车辆表面附近所形成不断发展的不同尺度涡旋与湍流相互作用而在车辆表面附近产生不同频率的压力脉动所诱发的［1］。随着铁路高速化的推进，这种气动噪声对于列车乘坐舒适性以及对高速铁路干线周边环境噪声污染等指标产生重要影响［2-3］。在各国发展高速铁路和高速列车的同时，均针对高速车辆气动噪声做了大量的研究工作，并取得了一定的进展［4-6］。由于气动噪声是在一个宽频带范围呈连续分布，故从实际车道现场的采样数据中提取并分析气动噪声信号存在较大的技术困难; 而大型静音风洞数量稀少、成本高。因此，现有高速车辆气动噪声实验手段具有局限性。

　　近年来，随着计算流体动力学( Computational Flu-id Dynamics，CFD) 技术的发展，基于计算流体动力学与气动声学的交叉学科———计算气动声学( Computa-tional Aero-Acoustics，CAA) ，逐渐发展起来。它是利用数值计算的方法对流体与固体边界间相互作用所产生的噪声的非定常流动机理进行研究，使得一些采用试验方式难以研究的湍流问题得到很好地预测［7］。

　　本文利用计算气动声学( CAA) 原理，采用边界元声场分析方法并结合流体动力学分析技术，在某高速列车边界元模型中，导入流场脉动压力数据并在声学网格上转换成气动偶极子声源边界条件，采用直接边界元算法实现了基于表面偶极子声源的列车气动噪声外辐射声场的数值仿真，在此基础上对高速列车气动噪声外辐射场声压分布规律以及车身表面偶极子源外辐射的指向性等特性进行分析。

　　1 车辆计算气动声学基本原理

　　1． 1 基础声源理论

　　英国学者 Lighthill 于 1952 年在没做任何简化和假定的前提下，通过严格的流体运动连续方程和动量方程，得到反映自由空间中流场声波运动与流场参数之间关系的 Lighthill 波动方程［8］。

　　1955 年，Curle 将 Lighthill 方程应用于引入了静止固体边界条件的有限空间流场中，得到 Lighthill-Curle解形式［9］。

　　1966 年，Ffowcs Williams 和 Hawkings 将 Curle 的研究成果扩展到运动固体边界，并按照 Lighthill 方程的推导方法，得到 Ffowcs Williams-Hawkings 方程( 简称 FW-H 方程)［10］。

　　1974 年，Goldstein 采用格林函数的方法拓展了FW-H 方程，研究了均匀介质下运动物体的发声问题［11］，提出: 声源项是由存在于运动固体表面之外的四极子声源项( A 项) 、表面脉动压力引起的偶极子声源项( B 项) 以及流场固体表面加速度引起的单极子声源项( C 项) 组成，其中 B、C 项仅在固体表面上产生。