高速列车车辆连接部位气动噪声数值模拟及降噪研究

    ０　引　言

　　列车运行速度不断提高，气动噪声越来越显著甚至占主导地位［１］。过大的噪声将严重影响旅客和铁路沿线人们的生理和心理健康，还可能引起周围有关设备和建筑物的疲劳损坏，缩短使用寿命，列车噪声污染已成为制约高速铁路发展的一个瓶颈。因此，随着客运专线的快速发展及车速的进一步提高，研究高速列车气动噪声并提出可行性降噪措施已成为控制高速列车噪声的关键［２］。国内外很多学者对高速列车不同位置处的气动噪声做了研究，Ｆｒｉｄ利用低噪声风洞，研究了高速列车裙板及格栅对线路两边噪声的影响［３］；Ｉｋｅｄａ和Ｉｗａｍｏｔｏ介绍了高速列车低气动噪声受电弓的设计理论和方法，并提出了改善受电弓气动噪声的设计方案；Ｓ通过实验和数值计算ａｓｓａ对车门处产生的气动噪声进行了研究［８］；肖友刚通过数值模拟对高速列车司机室内气动噪声进行了预测，均取得了良好效果［９］。

　　为了进一步掌握高速列车表面凹凸、台阶等噪声源的特征，得出各噪声源随着车体表面高度差，凸起等的变化关系，为高速列车的低气动噪声设计提供技术支持，本文采用有限体积法求解大涡模拟的Ｎ－Ｓ方程，对高速列车车辆连接部位不同尺寸参数时的气动噪声进行数值模拟，并提出降噪改进意见。

    １　控制方程

    １．１　湍流模型方程

　　对于气动噪声模拟，大涡模拟（ＬＥＳ）是目前计算湍流脉动较理想的方法。大涡模拟（ＬＥＳ）是对尺度大的湍流运动通过Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程直接计算，小尺度涡对大尺度运动的影响则通过建立模型来模拟。引入了亚格子尺度模型，构建大涡模拟（ＬＥＳ）的Ｎ－Ｓ方程［１０－１２］如下，

    其中ρ表示流体密度，μ为湍流粘性系数；τｉｊ为亚格子尺度应力（简称ＳＧＳ应力），它体现了小尺度涡的运动对运动方程的影响，其数学模型为：

　　Ｓｉｊ是变形速率张量，μｔ为亚格子尺度湍流粘度，δｉｊ为Ｋｒｏｎｅｃｋｅｒ　Ｄｅｌｔａ符号，τｋ向应力。同连续性方程组成封闭方程组，即可对其进行数值求解。

    １．２　气动噪声声学方程

　　１９５２年，英国科学家ＬｉｇｈｔｈｉｌｌＮ－Ｓ方程和连续性方程导出了气动声学基本方程［１３］：

    式中：Ｔｉｊ为Ｌｉｇｈｔｈｉｌｌ张量，Ｔｉｊ＝ρｉｕｊ－ｅｉｊδｉｊ（ｐ′）－ｃｉｊ（ρ′）；ｅｉｊ为粘性应力张量，δｉｊ为单位张量；ρ０为未受扰动的流体密度；ρ′为流体密度的波动量，ρ′＝ｐ０为未受扰动的流场压力；ｐ′为流场中压力的脉动量ｐ′＝ｐ－ｐ０；０为声速。