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原文传递基于Fluent的高速列车车外气动噪声特性的研究

论文题名：	基于Fluent的高速列车车外气动噪声特性的研究
关键词：	高速列车;气动噪声;脉动压力;大涡模拟;声功率级
摘要：	随着列车时速的提高，列车高速化引起的气动噪声越来越受到关注。很多研究表明在列车时速高达300km/h时，列车的气动噪声对沿线居民的生活影响非常大，这时候如果无法降低气动噪声，那么列车的总体噪声很难得到降低。运行的列车周围存在着复杂的湍流流场，流场中的流体与列车表面相互作用，致使车身附近的气流流动不平稳，气流发生分离，从而形成复杂的涡流流动，受此涡流的影响，车身表面的脉动压力会出现剧烈的变化，最终会形成刺耳的气动噪声。对于列车来讲，涡流流场产生的噪声可以分成两部分，一部分是流场直接辐射产生的噪声，一部分是流场激励表面振动产生的噪声。本文只考虑流场直接辐射的噪声，包括与列车表面相互作用产生的噪声。在此基础上，通过CFD数值模拟的方法，研究了高速列车表面声功率、周围的流场分布以及车身表面的压力脉动特性，通过研究列车不同位置脉动压力的数值，分析得到了列车近场气动噪声大小的一些有用特性;同时，利用FH-W声学方程计算得到了高速列车不同轴向方向上气动噪声的大小，通过对比分析，总结了高速列车远场气动噪声的辐射特性。　　本文的主要工作内容和研究结论如下: 　　(1)根据列车实际运行条件通过求解莱特希尔声波动方程推导出高速列车气动噪声的理论预测公式，通过理论分析得出车身表面脉动压力是气动噪声的主要噪声源。　　(2)建立了高速列车的头车、中间车和尾车的物理模型和计算域风洞网格，探讨了物理模型外场空间区域划分方法、边界条件的施加以及车体表面的简化措施等建模问题。　　(3)对比分析了常用数值模拟方法的适用范围，考虑列车湍流运动的复杂性，最终采用大涡模拟计算高速列车的瞬态流场，阐述了高速列车气动噪声模拟的一般流程。　　(4)利用Fluent软件对高速列车近场气动噪声和表面声功率进行了数值模拟，得到了不同速度下、不同位置处脉动压力的频谱特性。从频谱图上可以看出:①列车声压级是宽频谱，其能量主要集中300Hz到1300Hz范围内;②不同速度下列车表面脉动压力与运行速度的平方基本成正比。同时利用宽频噪声模型模拟计算得到了列车表面声功率的分布图，列车车头由于曲率变化比较大，其表面声功率级数值也很大。　　(5)基于FW-H方程求解计算了高速列车远场气动噪声，根据不同监测点的位置的声压级频谱图对比得出了不同轴向上列车远场气动噪声的差异:①声压级随着列车车速的提高而明显增加，主要分布的频率随车速增加有向高频移动的趋势;②在纵向方向上，车身曲率大的头部和尾部诱发的气动噪声较大;垂向方向上，都只是随着速度增加增大了监测点的声压级，而没有改变监测点声压级的图形分布结构;横向方向上，监测点距离列车越远，得到的声压级就越小，说明列车气动噪声沿此方向逐渐衰减。　　(6)依据车辆空气动力学中的气动外形知识，对原模型进行一定的流线化处理，利用数值模拟的方法对比分析了改进前后列车车头的流场、脉动压力、表面噪声和远场气动噪声，发现改进后的列车车头气动噪声较改进前有所减少。这说明了车头表面形状直接影响着列车气动噪声的水平，迎风面的流线化处理能够降低列车气动噪声。
作者：	刘悦卫
专业：	车辆工程
导师：	陆森林
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文