列车气动噪声源噪声贡献度研究

摘要：建立某型列车气动噪声计算模型,基于标准湍流模型和大涡模拟（LES）计算车外瞬态流场,用FW-H方程预测了列车远场气动噪声。分别计算了列车整体、车体、受电弓、转向架为噪声源时对外辐射噪声的总声压级和贡献度,并对不同噪声源产生的气动噪声频谱特性进行了分析。计算结果表明：受电弓滑板处具有最大的总声压级,其次在车头和头、尾车转向架处较大;车体和转向架对列车远场噪声贡献度较大,而受电弓对其附近区域噪声贡献度大于远场;车体和转向架噪声主频在400Hz～1250 Hz,而受电弓主频出现在500Hz,且低频噪声幅值很小。列车整体对远场的辐射噪声,与利用车体、受电弓和转向架为噪声源得到的远场噪声叠加相吻合,验证了计算的准确性,对噪声的计算研究有一定的参考价值。     

低压轴流风机的内部涡流特性及气动噪声

以中央空调中带导风圈的低压轴流风机为研究对象,对其内部涡流特性和气动噪声展开研究。采用大涡模拟计算了均匀进气情况下半管道式低压轴流风机的三维瞬态流场。计算结果表明叶尖涡是其内流场主要特征,叶尖涡的形成、发展和破碎对气动噪声源的分布有重要影响。提取了主要噪声源处的非定常压力脉动进行频谱分析,显示其叶片尾缘处脱落涡频率特征明显。风机的远场噪声采用LES/FW-H声类比方法进行预测,结果表明低压轴流风机的气动噪声以宽频成分的紊流噪声为主,预测的声压级频谱与实验吻合得较好。     

高速列车头车外流场气动噪声的仿真与实验研究

针对高速列车的头车进行全尺寸三维模型和流场流域的创建,并通过k-ε湍流模型计算稳态流场;在稳态流场的基础上,采用宽频带噪声模型计算头车表面的气动噪声源;利用大涡模拟(LES)方法计算瞬态流场,进而获取车身外表面的脉动压力;再基于瞬态流场,采用Lighthill声类比理论研究头车远场气动噪声的计算.最后,比较气动噪声的仿真分析结果与实地试验结果,验证了仿真结果的正确性.     

高速列车车头曲面气动噪声的数值预测

利用映射法生成高速列车头部流场的六面体贴体网格。采用三维大涡模拟法（LES）计算高速列车流线型头部的瞬态外流场,利用Lighthill-Curle声学比拟理论预测高速列车头部诱发的气动噪声。研究结果表明：气动噪声在很宽的频带内存在,是一种宽频噪声;在低频时,声压幅值较大,随着频率升高,幅值下降;当来流速度一定时,距离气动噪声源越远,总声压级越低,但总声压级的衰减幅度减少;随着列车运行速度增加,诱发的噪声加大,但距离车头曲面越远,总声压级的增幅越小;同一噪声源在不同受声点引起的噪声频谱曲线基本相似,控制列车运行过程中产生的脉动压力,能够减少气动噪声。     

低速湍流中气动噪声预测方法

 为了研究气动噪声的产生机理和传播过程,在考虑介质黏性的影响情况下,采用分解法并结合湍流模型,对低速湍流流动中气动噪声问题在时域上进行数值计算。基于非结构化同位网格和有限体积法,把可压缩N-S方程分解成不可压N-S方程、含黏性项的声扰动方程;为了考虑质点振速和声压耦合,采用SimpleC算法来同步求解不可压N-S方程和声扰动方程。进出口远场边界采用以渐近解为基础的无反射边界条件,并采用与内部区域相对应的有限体积法、时间隐式格式对其进行求解。利用所编制的程序进行层流状态下圆柱绕流气动噪声仿真验证,并与文献结果进行对比,检验本方法的正确性;并结合湍流模型将数值解法推广到湍流状态下气动噪声数值模拟中。结果表明该方法能够很好地反映流场和声场的形态,无反射边界能很好地抑制声波在边界处的反射,适合低速流气动噪声问题模拟,为实际工程中的降噪工作提供预测信息。     

脉冲射流声场的直接计算

为了探讨亚声速射流气动声场中的主要噪声源以及声波产生机理,基于大涡模拟方法与高精度加权本质无振荡混合格式,对亚声速脉冲射流初始流场的发展过程进行了数值模拟,并根据得到的动力学流场对气动声场进行了直接计算。数值结果描述了射流剪切层在KelvinHelmholtz不稳定作用下失稳卷起小涡序列以及相邻小涡间相互旋转合并现象,并发现脉冲射流场的主要声源包括由前导压缩波形成的脉动噪声源、涡合并形成的四极子声源以及涡核内因涡卷起、变形与破碎所形成的湍流混合噪声源。其中,脉动噪声源最强,而涡合并所产生的四极子声源在整个声场中占主导地位。     

涡桨飞机气动噪声的预估方法

本文对基于气动声学基础理论的涡桨飞机气动噪声预估方法进行了研究,发展了一种增升装置、起落架等机体部件噪声模型,建立了考虑迎角、机翼诱导干扰的螺旋桨噪声源模型,并结合等效噪声源法(ESM)方法考虑机体对螺旋桨噪声的散射,形成涡桨飞机气动噪声预估程序。采用某型涡桨飞机的噪声飞行试验数据进行了对比验证,预估结果相对于飞行结果在适航噪声测量点处的误差不超过2dB,表明了该噪声计算程序具备较高的预测精准度。     

偶极子噪声在均匀流管道中传播的声学模型

通过建立对流FW-H方程与薄壁边界元法相结合的混合声学模型,研究偶极子噪声在均匀流管道中的传播与散射问题.计算均匀流中的声源及其在管道中的传播,采用对流FW-H方程确定均匀流中的声波传输,采用计算流体力学方法所得流场数据确定气动噪声源,采用薄壁边界元法计算声波在管壁上产生的散射声压,并将数值计算结果与Tyler-Sofrin管道声学理论方法及声学实验所得结果进行对比.结果表明,对流FW-H方程与薄壁边界元法相结合的声学模型可用于偶极子噪声在均匀流管道中传播特性的预测,并可准确预测风扇偶极子噪声在机匣内的传播.     

高速列车转向架区域裙板对流场与气动噪声的影响

运用声学比拟理论,采用1∶10简化模型对高速列车转向架部位气动噪声进行数值计算,并分析裙板对转向架部位流动与气动噪声性能的影响.基于延迟分离涡模型数值求解Navier-Stokes方程获得近场流场,运用考虑对流效应的Ffowcs Williams-Hawkings方程的声预测程序进行远场声辐射计算.结果表明,由于转向架舱在车体侧墙与底部形成表面不连续结构,流体通过转向架部位时产生了不同尺度和方向的复杂涡结构,上游几何体周围产生的涡向下游传播并与下游几何体相互作用,从而在转向架后端形成高湍流度尾流区.转向架区域外侧安装裙板后,流体与转向架舱的相互作用被削弱.靠近转向架并与车体侧墙平行的可穿透积分面的噪声预测结果显示,裙板可以在较宽频段内有效降低转向架部位的气动噪声.     

与气动噪声相关的湍流模型及计算方法

针对气动噪声计算问题,经过两年的研究,主要进展如下:(1)研究了高精度湍流模拟技术的数值方法。首先发展了一套基于高阶有限差分格式的流场求解器,并进行了系统测评;在此基础上,针对激波模拟精度,提出了带宽耗散优化方法(BDOM),发展了MP-LD格式,结果表明MP-LD格式对小尺度流动结构的捕捉能力以及对湍流的模拟效率要显著优于常规的高阶激波捕捉格式。(2)采用高精度湍流模拟技术研究了复杂流动机理。利用MP-LD格式和ASTR程序,对激波/各向同性湍流干涉(SITI)和激波/湍流边界层干涉(SBLI)等进行了DNS和机理性的研究。结果表明:湍流脉动之间的非线性作用使得大尺度湍流结构向各向同性恢复的过程更加复,而小尺度脉动结构则更容易恢复各向同性;由于来流速度脉动的影响,激波表面形状会发生变形,较高的来流速度脉动会导致当地激波位置更靠近下游,并增加激波的强度。(3)研究了压气机三维角区分离流动机理和湍流模型改进。针对角区分离流动,首先开展了先进实验测量和高精度数值模拟,为机理研究和湍流模型改进提供丰富的数据库。其次,提出了基于湍流非平衡输运特性改进湍流模型的新方法,并针对SA湍流模型,提出了两种改进方法:一是修正模型系数Cb1;二是基于当地螺旋度计入湍流能量反传物理机制。其中,基于螺旋度改进可以"自适应"计入湍流非平衡输运特性,可以"自适应"实现对不同工况下压气机三维角区分离流动的准确模拟。(4)研究了压气机转静干涉机理和时均模拟方法。针对转静干涉噪声,团队提出了时均模拟技术和线性谐波法相结合的快速非定常数值模拟思路。该课题首先采用非定常数值模拟技术,研究了转静干涉机理。其次改进了交界面处理方法,深入分析了确定性相关项的分布特点和对时均流场的影响特性,发展了确定性相关项模型,发展完善了时均模拟技术,为下一步和线性谐波法相结合,实现对转静干涉噪声源的快速非定常计算,提供坚实的基础。(5)建立了气动声学知识库系统和噪声机理知识。首先建立了国际上首套气动声学知识库系统;其次对大攻角超音速流动,发现了机翼上表面存在一种激波/滑移面共存结构,发现了一种新的气动噪声来源;最后针对气动声学重要来源之一的点涡与物体的相互作用,建立了一套点涡群对多物体受力影响的基本理论。     

Ahmed模型不同后背倾角下的流场及气动噪声研究

应用雷诺时均法Realizable k–ε的湍流模型对Ahmed模型在不同后背倾角下进行了定常流场的分析,并进行流场的大涡模拟(LES)计算.基于流场的压力脉动和速度脉动分布,获取并分析了模型表面压力脉动级分布及远场气动噪声特性,并对远场噪声与模型气动阻力的关系进行了探讨.结果表明,不同后背倾角模型中气流分离特征差异较大,导致模型尾部压力脉动强度差异明显,从而影响辐射至远场的噪声能量及其分布,且噪声能量与模型的气动阻力具有一定的关系.合理设计后背倾角,对于尾部气动噪声的控制非常重要.     

复杂流动机理及预测方法研究

针对气动噪声计算问题,经过2年的研究,主要进展如下:(1)研究了高精度湍流模拟技术的数值方法。首先发展了一套基于高阶有限差分格式的流场求解器,并进行了系统测评;在此基础上,针对激波模拟精度,提出了带宽耗散优化方法(BDOM),发展了MP-LD格式,结果表明MP-LD格式对小尺度流动结构的捕捉能力以及对湍流的模拟效率要显著优于常规的高阶激波捕捉格式。(2)采用高精度湍流模拟技术研究了复杂流动机理。利用MP-LD格式和ASTR程序,对激波/各向同性湍流干涉(SITI)和激波/湍流边界层干涉(SBLI)等进行了DNS和机理性的研究。结果表明:湍流脉动之间的非线性作用使得大尺度湍流结构向各向同性恢复的过程更加复,而小尺度脉动结构则更容易恢复各向同性;由于来流速度脉动的影响,激波表面形状会发生变形,较高的来流速度脉动会导致当地激波位置更靠近下游,并增加激波的强度。(3)研究了压气机三维角区分离流动机理和湍流模型改进。针对角区分离流动,首先开展了先进实验测量和高精度数值模拟,为机理研究和湍流模型改进提供丰富的数据库。其次,提出了基于湍流非平衡输运特性改进湍流模型的新方法,并针对SA湍流模型,提出了两种改进方法:一是修正模型系数Cb1;二是基于当地螺旋度计入湍流能量反传物理机制。其中,基于螺旋度改进可以"自适应"计入湍流非平衡输运特性,可以"自适应"实现对不同工况下压气机三维角区分离流动的准确模拟。(4)研究了压气机转静干涉机理和时均模拟方法。针对转静干涉噪声,团队提出了时均模拟技术和线性谐波法相结合的快速非定常数值模拟思路。该课题首先采用非定常数值模拟技术,研究了转静干涉机理;其次改进了交界面处理方法,深入分析了确定性相关项的分布特点和对时均流场的影响特性,发展了确定性相关项模型,发展完善了时均模拟技术,为下一步和线性谐波法相结合,实现对转静干涉噪声源的快速非定常计算,提供坚实的基础。(5)建立了气动声学知识库系统和噪声机理知识。首先建立了国际上首套气动声学知识库系统;其次对大攻角超音速流动,发现了机翼上表面存在一种激波/滑移面共存结构,发现了一种新的气动噪声来源;最后针对气动声学重要来源之一的点涡与物体的相互作用,建立了一套点涡群对多物体受力影响的基本理论。     

汽车空调出风管道气动噪声分析与控制

通过耦合CFD(Computational Fluid Dynamics)与专业声学代码SYSNOISE求解汽车空调管道气动噪声,即利用LES(Large Eddy Simulation)湍流模型对空调管道的瞬态流场进行求解获得噪声源项,然后将噪声源项作为边界条件导入SYSNOISE来计算噪声的传播.根据流场分析与声场分析结果对空调管道的结构提出了两种改型方案,并对改型前后的空调系统噪声进行了测试.测试结果表明相比原始空调系统,两种方案都能有效降低噪声且方案二效果更好,驾驶员附近的噪声最大降幅达4.5 dB.     

密封盖翻转过程中的气动特性数值研究

为了研究密封盖的气动性能,采用计算流体力学方法结合k-ε二方程湍流模型,建立密封盖翻转过程数值模型,在与实验数据对比验证的基础上,研究了密封盖翻转过程中气动特性随迎角变化规律。结果表明:密封盖的气动特性符合正弦规律变化趋势;密封盖的升力系数、阻力系数和力矩系数与来流方向密切相关。研究结果为密封盖运动轨迹预测提供基础。     

汽车空调系统离心风机气动噪声数值计算

将Lighthill方程转化为变分形式,考虑声传播在复杂固壁内的反射,折射等,利用有限元方法对某汽车空调系统离心风机气动噪声进行了数值计算.也采用积分方法对其气动噪声进行了计算,此方法采用自由空间格林函数,在求解远场声辐射问题时将其简化为自由空间问题.首先建立离心风机CFD计算网格,通过离散涡模拟计算了离心风机内部非定常流动,通过涡量云图、声功率云图及各处的压力波动曲线分析出主要噪声源为叶片压力面及蜗舌前后部;然后建立气动声学有限元计算模型,分为考虑蜗壳和不考虑蜗壳的情况,计算离心风机辐射噪声.有限元计算结果与积分法计算结果的对比表明:用格林函数的积分解法进行计算时,其所做的简化导致结果产生较大误差,气动声学的有限元计算方法与实际吻合较好.     

风力机气动噪声测量分析

针对风力机气动调幅噪声,提出了一种新的测量和分析方法。在风力机前部左右45°位置测量调幅噪声。对测量数据高通滤波后,求取瞬时d BC值;傅里叶变换后得到调幅噪声幅值和叶片通过频率。采用此方法对1.5 MW风力机气动噪声进行测量分析,发现风机气动调幅噪声与来流风速和湍流有很强的关联。新方法有助于建立风力发电机组的气动噪声测量标准,以更好的控制风力机的调幅噪声。     

矿用对旋式轴流通风机气动噪声及三维流场数值模拟与分析

以矿用对旋式轴流通风机为研究对象,应用计算流体力学软件FLUENT对通风机气动噪声及三维流场进行数值模拟与分析,研究矿用对旋式轴流通风机气动噪声产生机理及通风机内部三维流场的流动状况;在三维非定常流动条件下,采用大涡模拟湍流模型(LES)进行求解,选取二阶隐式时间推进法来提高计算精度,结果表明:受前后两级叶轮之间所形成的流道不均影响,在同一轴向截面上靠近叶轮壁面位置的噪声值小于叶轮流道中部位置的噪声值,而叶轮流道中部位置的噪声值又小于靠近轮毂壁面位置的噪声值.离通风机气动噪声源(前后两级叶轮)越近,受到的气流压力脉动的影响就越大,则该区域气流的振动也越大,其对应的噪声值就越高;反之,越远离噪声源的区域受到的气流压力脉动的影响就越小,使得该区域的气流的振动越小,其对应的噪声值越低.同时,高压旋转的气流在扩散器区域的分布不再均匀,靠近叶轮壁面及轮毂的动压较低,而通风机流道中部附近的动压较高.研究结果对矿用对旋式轴流通风机的优化设计具有一定的指导意义.     

多段翼型流动非定常性计算研究

用基于SA湍流模型的DES计算方法对30P-30N多段翼型绕流的非定常性进行数值模拟。通过将非定常计算的气动特性平均值和定常实验结果比较验证了计算方法的可靠性,并对基于SA湍流模型的DES方法非定常数值模拟的结果进行分析。结果表明,所述方法正确地模拟了多段翼型流动的非定常性。缝翼下表面具有一定的涡量变化,而襟翼上表面后缘有明显的周期性的涡脱落。初步揭示了多段翼型噪声辐射的根本原因。研究结果对减小多段翼型噪声的方法研究具有一定的意义。     

风力机叶片气动噪声时域分析方法研究

风力机叶片气动噪声影响周边居民生活的问题开始引起研究人员的关注。现有研究大多基于CFD软件或实验数据拟合方法对其气动噪声进行分析,难以适应气动噪声随风速变化的动态分析需求。考虑风力机运行状态、来流风速以及接收点位置的影响,基于传统气动声学理论,建立了风力机叶片气动噪声计算的修正模型,并基于Matlab软件的Simulink模块,运用时域分析方法,对一种2 MW风力机叶片的气动噪声进行了编程计算,并绘制了风力机叶片气动噪声的声压时间序列图,为开发低噪声风力机叶片提供了理论依据。     

600km·h-1高速磁浮列车气动噪声仿真与试验分析

为探究高速磁浮列车气动噪声特性,以TR08高速磁浮列车为研究对象,考虑空气的可压缩性,采用分离涡模拟(DES)计算列车周围瞬态流场,基于Lighthill声比拟理论,采用声学有限元方法进行气动噪声数值计算。通过对比在线实车试验数据与数值仿真计算结果,验证了数值计算模型的准确性。研究表明,高速磁浮列车气动噪声是一种宽频带噪声,噪声源主要分布在头车和尾车流线型肩部等气流分离及湍流剧烈的区域。当列车运行速度为600 km·h^-1时,距离轨道中心线25m、轨面以上3.5m处列车通过时间内等效连续A声级达到107.5dB(A),噪声峰值位于中心频率为1 600Hz的1/3倍频程频带内,为101.9dB(A)。