基于有限元-無限元法的列車聲輻射

朱程,鄭天銳,徐力,金鑫,湯學軍,周勁松

(1.中車南京浦鎮車輛有限公司技術中心,南京 210031; 2.同濟大學,鐵道與城市軌道交通研究院,上海 201804)

高速列車在運行過程中,受氣流擾動的影響會向周邊空間進行聲輻射,不僅影響車內乘坐的舒適性,而且對軌道線路周邊的環境形成噪聲污染,因此開展對車輛的聲學特性研究具有重要意義。

針對列車的氣動聲學研究,劉翰林等[1]基于大渦模擬和FW-H(Fowcs-Williams-Hawkings)方程,研究了運行速度與各部件偶極子聲源能量占比的相關性,并獲取轉向架區域的噪聲貢獻主體頻段。王毅剛等[2]利用轉向架區域以偶極子聲源為主的聲源特征,將氣動聲源等效為無數個球形聲源的集合,建立高速列車偶極子聲源識別方法,分析了流場產生聲源的本質。趙萌等[3]利用渦模擬方法對非定常流場中的受電弓作業姿態進行分析,發現滑板區域和底座區域在受電弓開口和閉口時受到的干擾程度最嚴重。朱程等[4]基于標準湍流模型,對車輛不同噪聲源產生的氣動噪聲頻譜特性進行了分析,發現車體和轉向架噪聲主頻在400～1 250 Hz,而受電弓主頻出現在500 Hz。朱劍月等[5]基于聲類比方法分析了平行凹坑對轉向架區域流場的影響,并通過風洞測試發現在列車排障器底部后端設置凹坑可抑制轉向架區域流場剪切層的生長和發展。Li等[6]聲學模擬方法,研究了高速列車前車的氣流氣動噪聲行為,發現在前車周圍形成的湍流具有與幾何結構分離的多尺度渦流的特征。Li 等[7]采用分離渦模擬方法對列車的非定常流動進行了數值模擬和風洞實驗,提出一種預測列車氣動噪聲的逐步計算方法,實現利用聲源預測了列車的遠場總噪聲。

以上研究結果對列車不同區域的氣動特性開展了研究,但是關鍵部件對整車的聲輻射特性研究工作開展得相對較少,因此基于氣動仿真模擬方法,建立車輛氣動噪聲模型,對車輛不同區域的頻譜特性進行分析,為后續研究提供一定參考。

1 有限元-無限元法原理

針對結構在聲場全域的聲輻射模擬,將其遠場離散為無限元域,近場離散為有限元域,利用無限元邊界面實現近場和遠場的劃分(圖1)。其中有限元域的聲模擬通過有限元法實現,無限元域利用無限單元法[8-9]進行聲模擬,通過定義虛擬節點提高模型的精準性。

圖1 聲輻射模擬

利用聲壓對頻域Lighthill方程進行描述為

(1)

式(1)在有限域內變分和離散后的聲場方程為

(2)

對于無限區域假設其為無窮大的“有限”單元,得到無限區域的聲場方程為

(3)

將式(2)與式(3)聯合推導可知,全域的聲場方程為

(4)

軌道車輛的運行環境較空曠,氣動噪聲輻射主要來自地面,因此將列車的外聲場模擬為半無限大的自由聲場,地面默認為全反射剛性面,建立半橢球形的有限元-無限元聲場,如圖2所示。

圖2 有限元-無限元聲場

2 建立列車聲場模型

2.1 建立車輛模型

基于某型動車組建立包含車輛的有限元模型,其外聲場由有限元域、剛性邊界面及無限元邊界面三部分組成,其中車輛底部的地面設置為全反射的剛性面,考慮到車輛的實際幾何輪廓與矩形接近,因此無限元邊界面采用六面體進行包絡建模,具體的聲場模型如圖3所示。

圖3 車輛的聲場模型

2.2 設置監測面和監測點

根據標準GB/T 5111—2011《聲學 軌道機車車輛發射噪聲測量》和ISO 3095—2005《Acoustics-Railway Applications-Measurement of Noise Emitted by Railbound Vehicles》,建立車輛外場的聲輻射監測面,探究運行速度在300 km/h時車輛的氣動頻響特性。由圖4可知,在距離車輛軌道中心線的橫向0、7.5 m和25 m處,分別對頭車、尾車和中間車(帶受電弓)設置聲輻射監測面。

圖4 車輛場外的噪聲監測面分布

針對車輛近場關鍵區域的聲壓級,采用有限元節點作為監測點,進行流場參數的收集和評估。針對轉向架區域,監測點設置在軌面上方0.5 m處的轉向架中心處,每個轉向架處有1個監測點,共計6個監測點;考慮到受電弓區域結構復雜,因此在受電弓的前后側和碳滑板處共設置7個監測點;在車頭和車尾的鼻尖區域(鼻尖處、距遮流板處0.1 m處、司機室玻璃下方處)各設置3個監測點(圖5)。

圖5 車輛近場區域的監測點分布

3 車輛聲輻射的頻響分析

3.1 直接頻響分析理論

直接頻響分析作為一種在特定頻率區段內對外荷載響應進行過程描述的方法[10],其本質對輸入點(外荷載)和輸出點(應力、位移等)的相關性進行耦合分析,其運動方程為

[-ω2M+iωB+K]u(ω)=P(ω)

(5)

式中:ω為聲場頻率;i為動力學系數;M為剛度矩陣;K為剛度矩陣;B為結構阻尼矩陣;u為聲壓向量;P為外部激勵。

3.2 頭車區域的聲場頻響分析

頭車區域的流場分布如圖6所示。當頻率在50、100及300 Hz時,車輛外流場在車體頂部平滑區域的聲輻射較小,而在車體鼻尖和轉向架區域的聲壓級較大,其中鼻尖前方區域的聲壓級較大,而聲輻射的區域較小。通過2個轉向架的對比發現,車頭下方轉向架的聲壓級比后方的轉向架區域大,主要分布在車輪和空簧位置處。當頻率為600 Hz時,車輛前端和上部區域的聲壓級較均勻且水平較低,而在轉向架區域雖然聲壓級和輻射范圍均相對低頻時降低,但仍是主要噪聲區域。

圖6 縱向中心面的聲壓級分布

3.3 中間車區域的聲場頻響分析

中間車區域(車體和受電弓)的流場分布如圖7所示。當頻率為50 Hz時,受電弓區域的聲壓級水平很高,尤其在碳滑板和底架處尤為明顯,其次在轉向架區域的聲輻射能力也較大。當頻率提高到100 Hz和300 Hz時,受電弓和轉向架區域的聲輻射范圍大幅降低,且能量也有顯著的衰減,車體上方的聲壓級分布相對低頻時更加均勻。因此中間車區域的受電弓與轉向架在低頻區段能量較大,而在高頻區段能量較小。

圖7 中間車區域聲壓級云圖

3.4 尾車區域聲場頻響分析

尾車區域(車體和轉向架)的流場分布如圖8所示。當頻率為50 Hz和100 Hz時,車輛外流場的較大聲壓級主要集中在尾部鼻尖、前部車體凸起處(安裝空調外機)和尾部轉向架處。其中尾部轉向架的聲壓級的水平和輻射范圍比前部轉向架大。在車尾后方較大區域內,聲壓級水平和聲輻射范圍都很大,存在明顯的流場影響。當頻率提高到600 Hz時,車輛外部流場的聲壓級總體分布均勻,且聲壓級的水平較低。該頻率下的轉向架區域和尾部鼻尖處的聲輻射范圍都顯著減小。

圖8 車尾聲壓級云圖

4 車輛監測點和監測面的頻譜分析

4.1 車輛監測面

結合第3節分析發現,在低頻區段時車輛近場的聲壓級水平較高,為分析其遠場監測面的聲壓分布情況,對不同監測面進行對比評估(圖9),發現頭車、中間車和尾車在各頻率成分下,其7.5 m處的監測面聲壓級均比25 m處的監測面聲壓級大,且隨著頻率的增加,聲壓級都呈下降的趨勢。其中頭車在7.5 m和25 m處監測面的聲壓級最大,為149.6 dB,其次為尾車、中間車。

圖9 不同監測面的聲壓級

4.2 車輛監測點

4.2.1 頭車和尾車區域

列車頭車和尾車的結構相同,針對其相同位置進行對比。由于列車頭部的遮流板處結構存在凹面,加劇了氣流在此處的湍化程度,因此圖10中頭、尾車的該處監測點C3、C6在400～1 000 Hz區段能量較高,總聲壓級分別為124.8 dB和132.5 dB。考慮到尾車運行時尾部鈍體的擾流作用,因此C6處相對C3處在150 Hz內的低頻區段聲壓級更大。鼻尖處監測點(C2、C5)和鼻尖上方監測點(C1、C4)處的車輛結構相對平滑,因此其聲壓級相比遮流板處較小,在尾車區域尤為明顯。

圖10 車頭和車尾區域的監測點聲壓級

4.2.2 轉向架區域

監測點Z1和Z6所在的轉向架分別位于頭車和尾車的端部,由于受到較大紊亂氣流的影響,相對其他位置處的轉向架,其總聲壓級最大,分別為127.7 dB 和122 dB。監測點Z2、Z3和Z5所在的列車中間區域氣流較穩定,擾動較少,因此其監測點的總聲壓級均在115～119 dB的范圍內,總體水平較低、相差較小,在頻域的分布也相似,如圖11所示。

圖11 轉向架區域監測點的聲壓級

由圖12可知,監測點Z4所在位置上方安裝了受電弓,列車運行過程中受電弓處的復雜結構對氣流的擾動較大,因此監測點Z4處受到受電弓區域的氣流影響,其總聲壓級為123.35 dB,且其頻譜分布存在較為明顯的峰值,在高頻區段的能量較大,分布頻域較寬。

圖12 轉向架區域的監測點聲壓級

4.2.3 受電弓區域

受電弓在工作狀態下為升起狀態,會引起該區域的氣流紊亂,因此該區域是車輛頂部的主要氣動聲源。其中受電弓最高處的碳滑板受氣流影響最大,由圖13可知該位置監測點S3在低頻區段的能量幅值較大。監測點S4和S1分別位于受電弓上下臂連接處和導流罩處,該兩處的聲壓級相差較小,但監測點S1的聲壓級在高頻區段呈增長趨勢。

圖13 受電弓區域監測點的聲壓級

受電弓底座的監測點S6和S7相對軌道中心線呈左右對稱分布,兩個監測點的聲壓級分別為138.28 dB和149.99 dB,其差異原因是底座的絕緣設備分布不對稱,因此受電弓區域容易受渦流影響,且子部件的布局對氣動聲壓級的影響較大。

5 結論

通過對車輛開展氣動聲學特性研究,探究了車輛不同區域的聲輻射影響,得到如下結論。

(1)頭車和尾車區域的車體頂部平滑區域在低頻區段的聲輻射較小(60～75 dB),而在鼻尖和轉向架區域的聲壓級較大(110～140 dB),其中鼻尖前方區域的聲壓級最大為153 dB,在高頻區段時車輛整體聲壓級較均勻且水平較低。

(2)中間車區域在低頻區段時受電弓區域的聲壓級最大為158 dB,尤其在碳滑板和底架處尤為明顯,其次在轉向架區域的聲輻射能力較大(最大聲壓級125 dB)。當頻率提高時,受電弓和轉向架區域的聲輻射能量和范圍隨著頻率增大呈降低趨勢。

(3)頭、尾車在遮流板的總聲壓級水平最高,分別為124.8 dB和132.5 dB,鼻尖處監測點和鼻尖上方監測點處的車輛結構相對平滑,因此其聲壓級相比遮流板處較小,在尾車區域尤為明顯。

(4)頭車和尾車的端部轉向架區域處總聲壓級最大,分別為127.7 dB 和122 dB,位于列車中間區域的轉向架氣流較穩定,總體水平較低。受電弓區域在低頻區段的能量幅值較大,其子部件的布局對氣動聲壓級的影響較大。