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原文传递高速列车单臂受电弓气动噪声数值模拟研究

论文题名：	高速列车单臂受电弓气动噪声数值模拟研究
关键词：	受电弓;大涡模拟;声比拟;高速列车;气动噪声
摘要：	受电弓作为高速列车气动噪声主要噪声源之一，受到了国内外学者的广泛关注与研究。前人关于受电弓的研究大都集中在受电弓气动力及气动噪声频谱特性等相关方向。本研究基于计算流体力学开源软件OpenFOAM，采用大涡模拟结合声比拟方程的联合方法，对受电弓在不同速度及不同运行状态(开口状态和闭口状态)运行时的流场及气动噪声特性展开研究，并将引起受电弓气动噪声的强声源部位单独作为研究对象，探讨各个强声源部件的流场及噪声特性之间的异同。本研究主要内容及相应结论如下：　　选取单圆柱与串列双圆柱两个经典算例进行圆柱绕流数值模拟，并将数值模拟结果与前人的实验和数值模拟结果进行对比。得到的数值模拟结果(平均压力系数、压力系数的均方根分布和监测点的声压级功率谱密度等)与前人结果吻合良好，证明了本研究中数值模拟方法与声场求解算法的可行性与准确性。　　本研究建立了受电弓三维模型以及包含受电弓的相应计算域模型，通过大涡模拟对受电弓不同速度(250km/h、300km/h和350km/h)以及不同运行状态(开口状态和闭口状态)的流场进行数值模拟。结果表明受电弓外流场具有明显的非定常特性，受电弓在相同开口状态下运行，来流在碳滑板、下臂、底架和底座背风区域出现明显低速区。受电弓在不同开口状态下，由于来流撞击受电弓表面位置不同，迎风面最大压力会产生差异。受电弓旋涡结构的空间分布为两层，分别来自受电弓弓角和碳滑板的尾流区以及受电弓下部(底架、底座及上下臂连接处)尾流区域，旋涡结构大多在垂直来流方向的杆件下游。　　采用声比拟方法对受电弓的远场气动噪声特性进行了相关研究。研究发现受电弓引发的噪声频谱具有明显的单频特性以及明确的主级峰频率。该型号单臂受电弓的气动噪声主要来自于受电弓下部，下臂和底座等部位为主要强声源部位。指向性方面，受电弓产生的气动噪声具有偶极子特性，主要沿着尾流传播方向向斜上方传播。运行速度的改变对受电弓指向性分布影响不大，但对受电弓产生的声压级幅值大小会有显著影响，声压级幅值会随着运行速度的提升而相应增大。开口与闭口两种运行状态下声压级衰减趋势类似，但所诱发的噪声声压级并不同，闭口状态下受电弓引发的气动噪声声压级更大。　　将下臂、底座和上臂等强声源部件单独作为研究对象，对其流场特性以及气动噪声特性展开讨论与分析。研究表明下臂、底座和上臂的声压级频谱曲线具有明确的主级峰，各部件主级峰频率会随着运行速度提升而逐渐变大。以受电弓的上下臂作为声源产生的声压级大于单独将上下臂部件作为声源时产生的声压级，这是由上下臂导流作用引起的。底座和下臂的远场声压级指向性表现出明显的偶极子特性，但上臂在各个角度声压级大小相差不大，未能体现出偶极子特性。
作者：	韩斐
专业：	动力工程
导师：	周毅
授予学位：	硕士
授予学位单位：	南京理工大学
学位年度：	2021