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高速列车气动噪声的理论研究与数值模拟

作　者: 刘加利
导　师: 张继业
学　校: 西南交通大学
专　业: 载运工具运用工程
关键词: 高速列车气动噪声脉动压力声压级频谱分析统计能量分析
分类号: U270.16
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 585次
引　用: 9次
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内容摘要

随着列车运行速度的提高,高速列车气动噪声变得越来越明显,已经成为高速列车的主要噪声源,对车外及车内环境的噪声污染有着不可忽视的影响,降低气动噪声已经成为控制高速列车噪声的关键之一。本文从理论研究和数值模拟两个角度研究高速列车气动噪声,其主要工作包括:1.高速列车远场气动噪声的理论研究。从流体声学理论出发,结合高速列车运行的实际边界条件,建立了高速列车远场气动噪声的理论预测公式,该公式表明高速列车远场场点的声压可近似地用车身表面的脉动压力表示。车外气流作用在车身表面的脉动压力是引起高速列车气动噪声的源。2.高速列车外部流场的数值模拟方法。本文建立了高速列车三维绕流流动的物理数学模型,数值模拟了高速列车在平地、路堤、高架桥上的外部稳态流场和平地上的外部瞬态流场,并对流场进行分析。分析结果表明相对流速越大,等压线分布越密、压力梯度越强,此处的脉动压力变化越剧烈;车身表面脉动压力是随时间变化且具有随机特性,频谱分析表明车身表面脉动压力具有宽频带特性。3.高速列车车身表面噪声源计算分析。基于标准k-ε湍流模型,利用Broadband Noise Source Model计算了平地、路堤、高架桥上高速列车车身表面噪声源。计算结果表明,三种运行工况下车身表面噪声源的分布规律很相似,声源强度差别很小,声功率级和表面声功率级在数值上的差异不超过2dB,但随着列车运行速度的提高,列车车身声功率及表面声功率都显著增加,降低气动噪声对发展高速列车至关重要。4.高速列车远场气动噪声计算分析。基于SST k-ω湍流模型,利用Ffowcs Williams and Hawkings Model计算了平地上高速列车远场气动噪声。通过分析测点的声压级和频谱,获得了高速列车远场气动噪声的特性。计算结果表明:列车运行速度的增加只是使得有效声压增大,而并不改变测点声压的频谱特性。5.高速列车车内气动噪声计算方法研究。利用统计能量分析法建立了高速车内气动噪声的理论计算方法,利用Fortran编制了计算程序,计算了平地上列车运行速度为350km/h时高速列车车内气动噪声,并研究了车内气动噪声的降噪方法。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-12
第1章绪论  12-21
  1.1 课题研究背景及研究意义  12-13
  1.2 国内外研究现状  13-17
  1.3 本文研究内容、研究方法和技术路线  17-21
    1.3.1 研究内容  17
    1.3.2 研究方法  17-18
    1.3.3 技术路线  18-21
第2章高速列车气动噪声的理论研究  21-33
  2.1 流体声学理论  21-26
    2.1.1 流场中的声源  21-22
    2.1.2 气动声学基本理论  22-25
    2.1.3 Green函数及其基本解  25-26
  2.2 高速列车远场气动噪声的理论研究  26-30
    2.2.1 远场气动噪声的理论计算方法  26-29
    2.2.2 远场气动噪的指向性  29-30
  2.3 气动声学的数值模拟方法  30-32
    2.3.1 CAA方法  31
    2.3.2 AA方法  31
    2.3.3 整体的声学模型  31-32
    2.3.4 宽频带噪声模型  32
  2.4 本章小结  32-33
第3章高速列车外部流场数值模拟  33-46
  3.1 基本控制方程及数值求解方法  33-38
    3.1.1 不可压缩流的基本控制方程  33-34
    3.1.2 数值求解方法  34-36
    3.1.3 湍流模型  36-38
  3.2 物理模型  38
  3.3 计算区域、边界条件及网格划分  38-40
  3.4 高速列车外部流场数值模拟  40-41
  3.5 高速列车外部流场结果分析  41-45
    3.5.1 高速列车周围流场分析  41-44
    3.5.2 高速列车车身表面脉动压力分析  44-45
  3.6 本章小结  45-46
第4章高速列车车身表面噪声源  46-56
  4.1 宽频带噪声源模型  46-47
  4.2 高速列车车身表面噪声源分布规律  47-50
    4.2.1 高速列车车身声功率级分布规律  47-48
    4.2.2 高速列车车身表面声功率级分布规律  48-50
  4.3 不同运行速度下车身表面噪声源比较  50-51
  4.4 不同运行工况下的车身表面噪声源比较  51-55
    4.4.1 路堤上高速列车车身表面噪声源  51-52
    4.4.2 高架桥上高速列车车身表面噪声源  52-53
    4.4.3 三种运行工况下车身表面噪声源比较  53-55
  4.5 本章小结  55-56
第5章高速列车远场气动噪声  56-67
  5.1 Fluent6.1噪声模块  56-57
  5.2 流场及声场计算  57-58
  5.3 远场气动噪声声压级分析  58-63
    5.3.1 声压级的相关计算理论  58-60
    5.3.2 纵向气动噪声声压级  60-62
    5.3.3 垂向气动噪声声压级  62
    5.3.4 横向气动噪声声压级  62-63
  5.4 远场气动噪声频谱分析  63-66
    5.4.1 横向气动噪声频谱分析  64
    5.4.2 垂向气动噪声频谱分析  64-66
    5.4.3 横向气动噪声频谱分析  66
  5.5 本章小结  66-67
第6章高速列车车内气动噪声计算研究  67-89
  6.1 统计能量分析法  67-71
    6.1.1 使用范围及基本假设  67-68
    6.1.2 功率流平衡方程  68-71
  6.2 高速列车统计能量分析模型的建立  71-75
    6.2.1 统计能量分析模型建立的原则  71-72
    6.2.2 高速列车子系统的划分  72-75
  6.3 统计能量分析模型的基本参数  75-83
    6.3.1 模态密度  75-76
    6.3.2 内损耗因子  76-80
    6.3.3 耦合损耗因子  80-83
  6.4 统计能量分析计算及结果分析  83-86
    6.4.1 湍流边界层输入激励  83-84
    6.4.2 程序计算及结果分析  84-86
  6.5 高速列车车内气动噪声降噪分析  86-88
    6.5.1 改善车内的吸声性能  86-87
    6.5.2 车窗设计  87-88
  6.6 本章小结  88-89
第7章总结与展望  89-92
  7.1 总结  89-90
  7.2 研究展望  90-92
致谢  92-93
参考文献  93-98
附录Ⅰ 平地上高速列车车身表面噪声源分布云图  98-102
附录Ⅱ 路堤上高速列车车身表面噪声源分布云图  102-106
附录Ⅲ 高架桥上高速列车车身表面噪声源分布云图  106-110
附录Ⅳ 高速列车远场气动噪声频谱图  110-117
攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果  117

高速列车气动噪声的理论研究与数值模拟

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