高速列车受电弓射流降噪仿真分析与风洞试验研究_郭璐.pdf

第 4 5 卷 第 1 期2 0 2 3 年 1 月铁道学报JOUNAL OF THE CHINA AILWAY SOCIETYVol 45No 1January2 0 2 3文章编号:1001-8360(2023)01-0020-08收稿日期:2022-08-15;修回日期:2022-09-28基金项目:国家自然科学基金(52172372，U1834201)第一作者:郭璐(1997)，女，甘肃张掖人，硕士研究生。E-mail:gl8a107 126 com通信作者:苗晓丹(1980)，女，河南郑州人，副教授，博士。E-mail:mxd8868 126 com高速列车受电弓射流降噪仿真分析与风洞试验研究郭璐1，苗晓丹2，杨俭1，袁天辰1，宋瑞刚1(1 上海工程技术大学 城市轨道交通学院，上海201620;2 上海工程技术大学 机械与汽车工程学院，上海201620)摘要:针对高速列车行驶过程中受电弓区域产生的气动噪声问题，提出一种基于射流的主动降噪新方法。通过建立 130 缩比受电弓空腔射流降噪装置模型，探究不同射流速度对空腔噪声的抑制效果。采用 LES 湍流模型和FW-H 声学模型对受电弓空腔流场和声场进行求解，分析不同射流速度对湍动能、涡量、表面声功率级及远场噪声值的影响，得出来流马赫数 M=0.117 时的最优射流速度为 40 m/s;在最优射速下，受电弓空腔表面最大声功率级降低了 4.503 dB，远场噪声值在 2.5 m 接收点处降低 1.43 dB，在 8.333 m 接收点处降低 1.16 dB，达到降噪设计目标。在此基础上，进行 130 缩比模型的风洞试验，测试受电弓空腔后壁面监测点的脉动压力，并对其进行傅里叶变换(FFT)，得到 3005 000 Hz 范围内噪声频谱特性;在射速 40 m/s 下，后壁面中间、边缘监测点处总声压级分别减小 0.53、0.49 dB。将仿真与试验数据进行对比，得出总声压级最大误差为 3.54 dB，误差值占总声压级的 2.4%，验证了气动噪声计算方法的准确性。关键词:高速列车;受电弓;空腔噪声;射流降噪;风洞试验中图分类号:U238;U270文献标志码:Adoi:10.3969/j issn 1001-8360.2023.01.003Study on Noise eduction of High-speed Train Pantograph by Using JetDevice Based on Numerical Simulation and Wind Tunnel TestGUO Lu1，MIAO Xiaodan2，YANG Jian1，YUAN Tianchen1，SONG uigang1(1 School of Urban ail Transportation，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201620，China;2 School of Mechanicaland Automotive Engineering，Shanghai University of Engineering Science，Shanghai 201620，China)Abstract:Aiming at the problem of aerodynamic noise in pantograph area during the running of the high-speed train，anew active noise reduction method based on jet flow was proposed in this paper Through the establishment of 130 scalejet model installed in the pantograph cavity in order to reduce the noise，the suppression effect of different jet velocitieson aerodynamic noise from pantograph cavity was discussed The influence of different jet velocities on turbulent kineticenergy，vorticity，surface sound power level and far field noise value was explored，using large eddy simulation and FW-H sound analogy method to solve the flow field and sound field in the pantograph cavity The simulation results show thatthe optimal jet velocity is 40 m/s，when the Mach number is 0.117 Under the optimal jet velocity，the maximum sur-face sound power level of pantograph cavity is reduced by 4.503 dB，and the far field noise is reduced by 1.43 dB and1.16 dB at 2.5 m and 8.333 m away respectively，which achieves the purpose of noise reduction Based on the aboveresults，the wind tunnel test about 130 scaled model of jet device was conducted and pulsating pressure data of monito-ring points on the rear pantograph cavity wall were obtained and processed by using the Fourier transforms Thus，noisespectral characteristics in the range of 3005 000 Hz were analyzed The test results show that the total sound pressurelevel is reduced by 0.53 dB and 0.49 dB at middle and edge monitoring points on the rear wall respectively，under thevelocity of 40 m/s Compared with simulation results，the maximum error is 3.54 dB，accounting for 2.4%of totalsound pressure level，which demonstrates the accuracy and efficiency of the proposed methodKey words:high-speed train;pantograph;cavity noise;jet noise reduction;wind tunnel test第 1 期郭璐等:高速列车受电弓射流降噪仿真分析与风洞试验研究随着“复兴号”动车组在京沪高速铁路实现速度350 km/h 运营，中国高速铁路运行速度成功覆盖 200、250、300、350 km/h 四个速度等级。高速列车行驶时，噪声主要来源于牵引噪声、轮轨噪声和气动噪声。当车速超过 250 km/h 时，高速气流引发的气动噪声超越其他噪声源成为主导1。研究表明，行驶速度达到350 km/h 时，受电弓区域产生的气动噪声占比高速列车外场噪声源总声压级的 7.1%2。因此，气动噪声控制是我国高速列车进一步提速所要解决的核心问题之一。目前，国内外研究学者对受电弓区域气动噪声源特性及噪声控制方法展开了大量研究。文献 3 采用大涡模拟和 FW-H 方程，探究了湍流场中受电弓杆件的涡结构及气动声学特性。得出受电弓声源强度主要分布在底架、三绝缘子、平衡梁、上臂和下臂等部件，且占总声源能量的 92%;影响声源强度的因素包括脱落涡位置、涡流强度以及是否位于涡结构尾流中，这为受电弓气动噪声优化设计提供了参考。针对噪声控制方法，被动降噪技术日趋成熟，例如将受电弓沉降式安装、加装导流板、引入受电弓导流罩设计等，亦或是通过优化受电弓结构外形降低噪声。文献 4通过 ID-DES 数值模拟和风洞试验相结合的方法，研究受电弓安装平台沉降高度对受电弓区域气动性能的影响，结果表明随着沉降高度增加，空腔前部区域的低速气流域分布变广;涡流吸入来自于车顶两侧的气流，使得作用于受电弓基架及绝缘子的气流速度降低，受电弓的气动阻力减小。文献 5 通过在受电弓两侧增加导流罩的方法来降低受电弓的噪声，并采用碳纤维复合材料对导流罩结构进行铺层设计，实现增加结构强度、刚度并减重的目的。文献 6 利用 NG k-模型、大涡模拟及 FW-H 声类比法对单碳滑板受电弓各部位的气动噪声贡献量、远场传播规律和频域分布规律展开研究，提出对受电弓弓头进行仿生降噪方法，在碳滑板和圆杆上施加前后对称椭球状凸起结构，当碳滑板凸起60 mm、圆杆凸起 10.5 mm 时，降噪效果最明显，在7.5 m 远处整车总声压级降低了 2.56 dBA。然而传统的通过设计合理的结构外形、添加扰流装置或更改物体表面属性来提高列车气动性能的被动控制方法已趋于成熟，未来列车减阻技术主要方向为主动控制减阻，其在航空航天领域得到了广泛应用，成果丰硕7。文献 8通过高速风洞试验，测试了某武器舱舱内的静压分布和脉动压力特性，提出空腔前缘多孔扰流板和前缘吹气两种流动控制变参数研究方法，结果表明吹气位置、吹气流量为流动控制效果的主要影响参数。文献 9 通过高速风洞静态压力测量试验，探究了基于脉冲射流激励器的飞机弹舱气动噪声抑制技术，结果表明空腔前缘布置主动脉冲射流激励器对剪切层施加激励，会改变武器舱上部剪切层的流动特性，对高强度的声载荷有一定的抑制作用。综上所述，主动降噪技术应用于高速列车噪声控制的研究还较少。本课题组基于高速列车气动噪声主动降噪新方法开展了大量研究。文献 10初步提出了一种基于射流的受电弓空腔主动降噪方法，得出结论:射流降噪对高速列车节能减排、减阻降噪具有重要意义，且顺向射流降噪效果较为显著。文献 6进一步分析了复兴号受电弓进行了气动噪声源特性，远场噪声传播规律、频域分布规律研究。在此基础上，为确定最优射流参数，验证射流装置的实际降噪效果，本文通过建立受电弓空腔射流降噪装置，利用数值模拟与风洞试验相结合的方式，探究不同射流速度对空腔噪声的抑制效果。1高速列车受电弓气动噪声理论分析1.1受电弓空腔噪声发声机理分析高速列车气动噪声产生于流体与几何体的相互作用或流体的自由运动11。一类主要集中在列车壁面的湍流边界层内，由湍流脉动引发;另一类集中在受电弓的圆柱结构，由周期性的脱落涡引发12。受电弓区域引发的涡流可划分为三个层:弓头区域、中部铰接区域和底部弓槽区域13-14。沉降式(沉降并加装导流罩式)受电弓由于车体表面几何形状突变形成的空腔部位亦为受电弓的重要发声区域。高速气流在空腔前缘产生分离，下沉气体在腔内形成涡流，并经历涡生成、发展与脱落15。脱落涡以一定速度向下游移动，与空腔后壁面发生碰撞，并引发向前传播的压力波，此压力波对空腔流动产生自激振荡，形成声波与流动相互作用的反馈回路，使得腔内气流的速度和压力等产生剧烈脉动，诱发强烈噪声16。空腔自激振荡示意见图 1。图 1空腔自激振荡示意8 1.