采用三维、不可压缩和Lilly LES+FW-H方法,对1:8缩比3车编组EMU6动车组以200,250,300和350 km/h的车速运行时进行气动噪声特性数值模拟,得到列车不同速度级运行时的压力、速度与涡量分布,表面脉动压力、辐射声场等气动与声学性能。研究结果表明:偶极子声源强度主要分布在转向架及其周围的车体表面位置;A计权声压频谱在略小于1 000 Hz频率处测点声压级达到峰值;气动噪声分布频带很宽,噪声能量在1 000 Hz左右较为集中,往高频和低频部分则逐渐衰减;头车流线型附近声压级较大,在尾车以后越远离车体,声压级越小。其研究结果可为高速动车组的气动声学特性优化研究提供参考依据。

随着高速列车运行速度的不断提高,隧道出口的微气压波噪声污染问题愈发严重。高速列车穿越隧道速度增大到350 kmh-1时近隧道区域形成较强的非线性声源区,其非线性随着高速列车穿越隧道的速度增大而增强。传统CFD方法计算效率较低,难以精确模拟此类现象,且用线性微气压波预测模型误差较大。针对该问题,根据现有线性微气压波预测模型,结合高阶谱差分计算气动声学模型与完全匹配层人工边界,构建非线性范畴的隧道微气压波预测模型,并与实验结果进行对比,论证该模型的准确性。结果表明在200 kmh-1、250 kmh-1、300 kmh-1、350 kmh-1速度级下,微气压波声压峰值分别与隧道轴向距离r-0.87、r-0.86、r-0.85、r-0.83成正比。

基于流场恶化理论和声学类比理论建立了一套声学优化设计方法,并应用于高速列车排障器的声学优化设计中。结果表明,头尾车流线体是最重要的声源,分别占总声能的23.7%和33.7%。与尾车流线型部位相比,头车流线型部位声源能量更偏向高频。车体A计权辐射噪声呈现宽频带噪声(主要在1~4 kHz范围内)和峰值特征(尤其在2 kHz)。在四种方案中,最大伸缩长度的排障器能缓和2 k Hz的强峰值效应,降低总声能,并表现出最佳的声辐射性能。通过风洞试验验证了数值计算模型的正确性。

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。

本文采用大涡模拟和FW-H声学类比的仿真方法对高速列车头车1位转向架气动发声主尺度进行了分析,获得了该区域气动噪声的发声机理。流场气动激励结果表明,转向架将转向架腔分隔为两个腔体,每个腔体内都形成了较大的环流,其流场脉动频谱呈现多峰离散特性。远场噪声结果表明,在55.56~97.22m/s的速度范围内,转向架区域的气动发声机理是相似的。空腔噪声是高速列车头车1位转向架区域的主要噪声机制,转向架的存在将转向架腔分成两个腔体,改变了该腔的发声模式。