【摘 要】
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进入到21世纪,我国高速铁路取得了跨越式的发展,截止到2020年底,我国高速铁路运营里程达到了3.9万公里,稳居世界第一。然而高速列车气动噪声和车速的6～8次方线性相关,伴随着车速的增加,气动噪声将急剧变高,因此降噪问题和提速问题息息相关,亟需解决,不可忽视。本文基于Navier-Stokes方程和Lighthill声类比法,建立了复兴号受电弓气动噪声与降噪分析模型,采用RNG k-ε模型、LES
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进入到21世纪,我国高速铁路取得了跨越式的发展,截止到2020年底,我国高速铁路运营里程达到了3.9万公里,稳居世界第一。然而高速列车气动噪声和车速的6～8次方线性相关,伴随着车速的增加,气动噪声将急剧变高,因此降噪问题和提速问题息息相关,亟需解决,不可忽视。本文基于Navier-Stokes方程和Lighthill声类比法,建立了复兴号受电弓气动噪声与降噪分析模型,采用RNG k-ε模型、LES模型,Boundary Layer Noise Source Model和FW-H声学模型,探究了300km/h、350km/h、400km/h、450km/h列车运行车速时受电弓流场特征、声源特征和远场宽频带噪声分布规律,且探究了受电弓主要声源弓头的仿生结构优化的降噪效果,主要研究内容和结论如下:1.高速列车行驶过程中的外流场特性:受电弓弓头尾部的湍流最强且呈现卡门涡街现象,这是弓头气动噪声和碳滑板形成涡激振动现象的根本原因;受电弓在各杆件的迎风面产生了表面正压极大值,气流分离位置产生了负压极小值;空气流经受电弓杆件等部位会向边缘绕行并形成大量的脱落涡;在弓头、上下臂杆连接部位、底架等区域为湍动能较大区域,其中弓头位置最大,大小为1144.3m~2/s~2（车速350km/h）。2.高速列车受电弓偶极子声源特性:受电弓在弓头、上下臂杆连接部位和底架部位的声源声功率级相对较大,且较大值都产生于各部位的气流分离点,因此气流撞击受电弓杆件迎风面向两侧绕行进而产生的气流分离是宽频带噪声形成的一个主因;受电弓各部位声功率级高低:弓头＞上下臂杆连接处＞底架＞其他,最大声功率级发生在弓头,大小为137.79 d B（车速350km/h）。3.受电弓远场声压级的指向特性和衰减特性:受电弓在质心向弓头指向的方向声压级最高,因此列车高速过站时对车站天桥上的旅客比对候车站台上乘客会产生更明显的影响;受电弓远场声压级和与列车间距的对数线性相关,随着纵向位置的变化先增后减;远场气动噪声在7.5m处随着垂向高度的增长波动性递减,在25m远处对于居住于5～7层之间的住户影响最明显（按普通商品房每层楼高3m为标准）。4.受电弓远场声压级的频域分布特性:四个车速时7.5m远和25m远处宽频带气动噪声从低频到高频都呈现先增后减的趋势,且主频都在140～320Hz范围内,但伴随列车运行时速的提高,主频也越来越高;随着监测点距离的变远,宽频带气动噪声在各个频段内都有所减小;在400～6000Hz频域范围内宽频带噪声频率f与远场声压级LA呈近似的对数关系。5.受电弓弓头仿生降噪效果与可行性分析:基于鸮翅膀低噪声飞行机理提出了弓头仿生结构优化降噪方法,碳滑板和弓头横杆最优突起高度分别是60mm、10.5mm;优化后距列车30m处水平方向受电弓远场宽频带声压级显著减小了2.49d BA,碳滑板的气动阻力降低了433.31N,上下表面脉动压差幅值降低了115N,且优化后涡激振动频率未处在共振频率范围内,未产生涡激共振,因此不影响弓网动态稳定性。
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