采用计算气动声学研究高速列车表面偶极子声源外辐射的指向性
高速铁路动车组横风空气动力学分析
特别策划高速铁路动车组横风空气动力学分析吴敬朴1，龚增进2，李红梅1，宣言1，许聪2（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道科学技术研究发展中心，北京100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司科技和信息化部，北京100081）摘要：横风对动车组行驶安全危害极大，通过建立8辆车编组的CRH2C型动车组、高架桥梁、高路堤空气动力学模型，根据《铁路技术管理规程（高速铁路部分）》大风限速规定，对20、25m/s风速下高架桥梁和高路堤区段的动车组空气动力学进行仿真计算，分析不同风向角对动车组空气动力学的影响。
结果表明：风向对动车组空气动力学响应的影响大于风速对动车组空气动力学响应的影响；随着风速增大，动车组受到的横向力、升力、点头力矩和摇头力矩呈现增大的趋势，25m/s风速动车组200km/h运行时比20m/s风速动车组300km/h运行时，在高架桥梁区段分别增大约1%、25%、28%、2%；在高路堤区段分别增大约16%、34%、35%、17%。
关键词：高速铁路；CRH2C；动车组；横风；空气动力学；高架桥梁；高路堤中图分类号：U270.11文献标识码：A文章编号：1001-683X（2021）10-0015-07 DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2021.10.0150引言高速运行的列车在遇到强横风时，空气动力学性能会发生恶化，列车受到的空气阻力、升力和横向力迅速增加，列车的横向稳定性受到显著影响，严重时甚至可能导致列车脱轨、倾覆及人员伤亡。
根据研究，在特大桥梁、高架桥梁、高路堤等运行路段，环境风的作用更突出和复杂，列车脱轨、翻车的可能性大大增加。
为使列车安全地通过风区，避免发生列车脱轨、倾覆事故，国内外都开展了横风空气动力学响应以及相应的行车安全保障体系等研究。
基金项目：中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划项目（P2019T001）；中国铁道科学研究院集团有限公司科技研究开发计划项目（2020YJ200）第一作者：吴敬朴（1976—），男，副研究员。
高速列车横风效应及气动安全控制动力学
高速列车横风效应及气动安全控制动力学1. 引言1.1 概述高速列车是现代交通领域的重要组成部分，以其快速、高效、安全的特点受到广大乘客的欢迎。
然而，在高速列车运行过程中，会面临各种风险因素，其中之一就是横风效应。
横风效应指的是列车在经过桥梁、隧道或其他开阔区域时受到侧向风力的作用所引起的动态响应问题。
1.2 研究背景随着高铁建设进一步推进，高速列车在我国铁路网中所占比例越来越大。
然而，在特定地理环境和天气条件下，如山区、河谷和海岸线等地区，强大的侧风可能对高速列车行车安全带来威胁。
因此，研究高速列车横风效应及相关的气动安全控制动力学显得尤为重要。
1.3 目的与意义本文旨在深入探讨高速列车横风效应及其对行车安全性能产生的影响，并了解气动力学安全控制技术在减轻这些影响方面的应用。
通过对横风效应现象的描述与分析，我们可以更好地了解其机理，并在此基础上提出有效的控制方法和技术手段，从而提高高速列车行车安全性能，并为相关领域的研究和实践提供参考和借鉴。
总之，研究高速列车横风效应及气动安全控制动力学对于确保高速列车行车安全、推动交通事业发展具有重要意义。
本文将从定义与原因、影响因素、风险评估等方面进行深入分析，并结合国内外研究现状和发展趋势，最终给出结论与展望部分所述的前景展望和探索方向建议。
2. 高速列车横风效应2.1 定义与原因高速列车横风效应指的是列车在高速行驶时遇到侧风所引起的一系列气动力学效应。
在高速铁路运营中，以及特殊地理条件下，如开放地区、大型桥梁等情况下，横向侧风对列车的运行安全和稳定性带来了重大挑战。
侧风主要由大气层的非均匀垂直温度分布、地表的粗糙程度、山脉等自然条件导致。
当高速列车经过这些地区或受到这些影响时，会遭受到来自侧面的风压力，从而对列车产生偏移力和倾覆力。
2.2 影响因素高速列车横风效应受多种因素影响，以下是一些主要因素：- 列车速度：随着列车速度增加, 横风效应也越明显。
- 侧面积和形状：不同类型的列车具有不同形状的外壳和窗户，在不同角度下暴露给侧面风将导致不同程度的横风效应。
基于湍流脉动压力的波数—频率谱预报流噪声
基于湍流脉动压力的波数—频率谱预报流噪声伍宏亮;周其斗;吕晓军;孟庆昌【摘要】[目的]根据Lighthill声类比方程及其发展理论,可以将壁面湍流脉动压力的波数—频率谱作为声源项来预报流噪声,且分析湍流脉动压力的波数—频率谱有助于了解湍流结构的时空关联特性.[方法]以NACA 0012翼型为例,采用大涡模拟(LES)方法进行流场仿真计算,然后通过Fourier变换得到壁面湍流脉动压力波数—频率谱的数值解,并与Corcos的平板湍流边界层脉动压力波数—频率谱模型进行比较;在此基础上,将该波数—频率谱作为声源输入,代入Goldstein版本的声类比方程中预报辐射噪声,并与软件计算的流噪声结果以及Brooks试验拟合结果进行比较.[结果]结果发现:小曲率变化的NACA 0012翼型表面的波数—频率谱具有与平板表面相似的一般特性;在中、低频段采用该方法预报的流噪声结果与Brooks试验结果拟合更好.[结论]所得结果表明开展波数—频率谱研究是有必要的,将其作为主要声源项来预报亚声速下产生的流噪声是合理的.%[Objectives]According to the Lighthill acoustic analogy equation and its development theory, it is feasible to analyze the wavenumber-frequency spectrum of turbulent wall pressure fluctuations,then make it an acoustic source in order to predict flow noise. Moreover, the study of the wavenumber-frequency spectrum is useful for understanding the temporal and spatial characteristics of turbulent structures.[Methods]Taking the NACA 0012 airfoil,which was studied by Brooks,as an example,we employ the Large Eddy Simulation (LES)method to calculate the flow field and obtain a numerical solution of the wavenumber-frequency spectrum via the Fourier transform. On this basis,we take the wavenumber-frequency spectrum as an input conditionfor predicting the radiated noise using the acoustic analogue equation of the Goldstein version. At the same time,acoustic software is used to calculate the flow noise. Comparing these two sets of results with Brooks' empirical formula,the sound pressure level is found to be within the same order of magnitude.[Results]The results show that the spectrum on an airfoil surface with a small curvature change is comparable with the Corcos spectrum model on a flat plate,and their general characteristics are similar. Finally,we conclude that the forecast results of the method in this paper accord better with Brooks' experimental results at low and medium frequencies. [Conclusions]This shows that it is necessary to carry out the study of wavenumber-frequency spectra,and it is reasonable to make it the main sound source in order to predict flow noise produced at subsonic speed.【期刊名称】《中国舰船研究》【年(卷),期】2017(012)006【总页数】7页(P36-42)【关键词】波数—频率谱;Fourier变换;流噪声;声类比方程【作者】伍宏亮;周其斗;吕晓军;孟庆昌【作者单位】海军工程大学舰船工程系,湖北武汉 430033;海军工程大学舰船工程系,湖北武汉 430033;海军工程大学舰船工程系,湖北武汉 430033;海军工程大学理学院,湖北武汉 430033【正文语种】中文【中图分类】U661.44湍流脉动压力是湍流非定常特性的重要表征，也是流体诱发结构振动、产生噪声的重要来源。
直升机气动噪声研究进展
直升机气动噪声研究进展陈平剑;仲唯贵;段广战【摘要】The status and progress in helicopter aero-acoustic technology is presented,inclu-ding test technology,analysis method and rotor noise control technology.The advanced test technologies such as unsteady pressure measurement,flow field visualization and noise source lo-calization,have been implemented in the acoustic wind tunnel test of rotor noise,which is the es-sential instrument for helicopter aero-acoustic research.Flight test of helicopter aero-acoustic measurements has become a necessary technique in the programs of helicopter noise certification and helicopter noise reduction investigation.With the development of helicopter aero-acoustic noise analysis method,many software tools for rotor noise prediction have been developed and applied in the helicopter design and noise reduction research,based on the solutions of the FW-H equation and Kirchhoff equation.Low noise blade tip is the primary and effective method for heli-copter noise control,and is used widely in helicopter design.Moreover,new technologies such as noise abatement operation and active rotor noise control have been validated by flight test,but have not been used in helicopter design get.Initiated by the demands to design environmentally compatible helicopter,both societies of industry and academia will devote more effort in helicop-ter aero-acoustic technology research.%对直升机气动噪声的研究进展进行了综述，内容包括试验技术、理论分析方法和噪声抑制技术。
高速列车空气动力学研究
高速列车空气动力学研究引言:随着科技的不断进步和人们的出行需求的增加，高速列车成为了现代交通运输的一个重要组成部分。
高速列车的速度越来越快，因此对其空气动力学性能的研究变得越来越重要。
本文将探讨高速列车的空气动力学研究的重要性、研究内容和方法，以及该研究的实际应用。
一、空气动力学研究的重要性高速列车的空气动力学性能对列车的运行效率、能源消耗和安全性都有重要影响。
研究高速列车的空气动力学特性可以帮助设计工程师改进列车的外形，减小空气阻力，提高列车的速度和运行效率。
此外，空气动力学研究还可以帮助评估列车在不同环境下的稳定性和操纵性，为列车的操作和安全提供可靠的基础。
二、高速列车空气动力学研究的内容高速列车的空气动力学研究主要包括以下几个方面：1. 空气阻力和气动特性分析：通过数值模拟和实验测试，研究列车在高速运行时的空气阻力、气动力和流场分布。
这个分析的结果有助于设计工程师优化列车外形，减少空气阻力，提高列车的速度和能效。
2. 空气流动控制技术：通过安装气动装置，如尾部扩散器和侧吹装置，可以调节列车周围的气流，减小空气阻力和横风对列车的影响。
研究空气流动控制技术可以降低列车的能源消耗，增加列车的稳定性和操控性。
3. 高速列车与周围环境的相互作用：研究列车与周围环境的相互作用可以评估列车在不同气候和地形条件下的性能。
例如，研究列车在高山地区和隧道内的空气动力学特性，可以为列车的设计和运行提供必要的信息。
4. 高速运行下的噪声和振动控制：高速列车的运行会产生噪声和振动，对乘客和周围环境造成潜在影响。
研究高速列车的空气动力学可以帮助工程师降低噪声和振动水平，提供更舒适和安静的乘车环境。
三、高速列车空气动力学研究的方法高速列车的空气动力学研究可以使用多种方法，包括数值模拟、实验测试和仿真模型。
数值模拟通常使用计算流体力学（CFD）方法，通过对列车模型的数值计算，预测列车在不同速度和工况下的空气动力学性能。
实验测试可以通过风洞试验或全尺寸试验来获得列车的气动数据。
沙尘环境下高速列车气动特性分析
沙尘环境下高速列车气动特性分析作者：文恒于梦阁盛旭高殷硕来源：《青岛大学学报（工程技术版）》2020年第04期摘要：为研究沙尘环境下高速列车明线运行时的气动特性，基于剪切应力传输模型SST k w双方程湍流模型和拉格朗日离散相模型，与无沙环境下的高速列车气动特性进行比较，计算分析不同沙粒浓度、不同车速下的高速列车气动特性。
计算结果表明：沙尘环境下，当车速一定时，列车整车气动阻力、头车气动阻力、尾车气动阻力均随沙粒浓度增加而逐渐增大，且与沙粒浓度近似呈线性关系;对于气动升力，当车速一定时，头车气动升力绝对值随沙粒浓度的增加而增大，尾车气动升力随车速的增加而降低。
该研究成果可为高速列车在沙尘环境中的运行安全提供理论参考。
关键词：高速列车; 沙粒浓度; 气动特性; 气动阻力; 气动升力中图分类号： U271.91; U270.1+1 文献标识码： A近几年，随着科学技术的不断进步，国家加快铁路网建设，驱动区域经济地协调发展。
兰新高铁穿越我国西部高寒风沙区域，由于兰新高铁线路的特殊性，列车途经的百里风区、三十里风区是内陆大风天气频发的地区之一，时常会引发大风灾害性气象[1 3] ，强风地区大多缺少植被覆盖，地表裸露，而风速又往往远远大于起沙风速，因此地表的沙粒在大風的作用下撞击动车组，使得高速列车的气动特性明显变差[4] 。
沙尘环境属于多相流中的气固两相流问题，多采用欧拉欧拉模型和欧拉拉格朗日模型进行模拟计算。
欧拉欧拉模型主要描述两相的运动，用于高浓度离散相的问题;欧拉拉格朗日模型适用于离散相的体积分数在10%～12%以下的问题[5] ，而且关注离散相的运动轨迹。
C.Paz等人[6] 采用欧拉拉格朗日方法研究了高速列车在沙尘环境中的运行安全性;熊红兵等人[7] 研究了沙尘暴环境下高速列车运行时的气动特性;李田等人[8] 采用欧拉欧拉方法研究了不同沙尘暴环境下高速列车的动力学性能;倪守隆[9] 采用欧拉欧拉方法研究确定了高速列车在沙尘暴环境下运行的安全域;高琛光[10] 采用欧拉拉格朗日方法研究了不同风速、不同风向、头尾中间车设备舱的流动特性。
高速列车表面气动噪声偶极子声源分布数值分析
ｔｒａｉ“
单极子声源项（ｃ项）积分可不必考虑”４’”ｏ；在文 献［１２］中ＩｊｇｈｔｈｉｌＩ指出：流场中四极子声源与偶极 子声源强度之比正比于马赫数的平方，而高速列车 的运动仍属于低速运动（远小于马赫数），其四极
子源噪声强度远小于偶极子声源，故四极子声源项
流场计算域为长方体形状，入口距车前端２倍 车长，出口距车后端４倍车长，高度为４倍车高，宽 度为４倍车宽．车身表面贴体网格采用三角形网 格，为了更好捕获车身表面附近湍流场参数．在边 界附面层区域内，按照ｌ：１．３的比例拉伸成３层三 棱柱附面层网格．其它计算区域体网格的划分选用 四面体网格，采用分层加密的方式，对车体近壁层 的网格加密，远离车体的网格采用稀疏网格，以减 少计算量，加快收敛速度．同时利用其对称性，沿车 身纵向对称平面截取一半作为计算域，以节约计算 机资源，空间体单元约为１８７万，见图３．声源网格 则主要用于在直接边界元中生成声源边界条件，其 网格大小是由所分析频率的上限所决定的，文中采 用四边形贴体网格，最大单元长度为１８ ｍｍ．
流相互作用而产生不同频率的压力脉动，是诱发车
辆产生气动噪声的主要原因．各国发展高速铁路和
高速列车的同时，均对高速车辆气动噪声方面做了
收稻日明：２０ｌｌⅢ３．２２
基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（２０１００１８４１１０００２）；重庆市自然科学基金计划项目（ｃＳＴｃ，２００８ＢＢ７３４１）；重庆 市教委科学技术研究项目（ＫＪｌ００８１ １） 作者简介：郑拯宇（１９６９一），男，讲师，博士研究生，研究方向为车辆空气动力学及环境工程、工程力学、计算机应用技术等， Ｅ－ｍａｉｌ：ｚＩＩｅｎｇｚｈｅｎｇｙｕ＠１２６．ｃｏｍ 通讯作者：李人宪（１９５４一），男，教授，博上，主要研究方向为车辆空气动力学，Ｅ．ｍａｊｌ：ｒ】【ｌｉ＠ｈｏｍｅ．ｗｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
高速车辆气流噪声计算方法
第2卷 第2期2002年6月交通运输工程学报Journal of T raffic and T ransportation Eng ineeringV ol.2 No.2June 2002收稿日期:2002-01-28基金项目:国家自然科学基金资助项目(59775022)作者简介:刘红光(1956-),女,江苏淮安人,江苏大学副教授,从事汽车工程研究.文章编号:1671-1637(2002)02-0041-04高速车辆气流噪声计算方法刘红光,陆森林(江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江 212013)摘 要:随着发动机、传动系和轮胎等其它噪声的降低以及车速的不断提高,高速车辆气流噪声变得越来越突出,因此研究和降低气流噪声已成为控制高速车辆噪声的关键之一。
通过求解广义Lig hthill 方程,得到了适合车辆行驶工况的气流噪声积分计算公式。
根据车辆的实际工况,对气流噪声计算公式进行了分析,明确了在车辆气流噪声中偶极子源噪声占主导地位,表面脉动压力是车辆气流噪声的主要声源。
在此基础上,对车辆气流噪声某些特性进行了讨论和试验。
关键词:车辆;空气动力性噪声;计算方法中图分类号:U 491.91 文献标识码:ACalculation method of the aerodynamic noise around high speed vehiclesL I U H ong -guang ,L U S en -lin(Schoo l o f A ut omo bile and T r affic Engineer ing ,Jiangsu U niv ersit y ,Z henjiang 212013,China )Abstract :T he aer ody namic noise around vehicles at high speeds has become increasing ly important and in more and more cases dom inates the vehicle noise .It is attributable to the facts that the noises fro m eng ine ,tire ,po wer train and other noise sources have been sig niflcantly reduced and the speeds of v ehicles constantly increase in the past decades.It is crucial to carry o ut the study of aerodynam ic no ise and ex plore proper countermeasures fo r suppressing its co ntribution to the v ehicle noise .In this paper ,the integral for mulations fo r the calculation of the aer ody namic noise around hig h speed vehicles is abstained through the so lution of g eneralized Lig hthill's equation.A fter the fo rmulatio n is analyzed and suitably sim plified acco rding to w ork co ndition of vehicles ,it becomes clear that their aerody nam ic no ise is do minated by dipole noise and the fluctuating pressur e o n o utside surface o f v ehicle is m ain aerodynam ic noise so urce .Some characteristics o f aero dynamics noise around vehicles are discussed and tested.4fig s,6refs.Key words :vehicle;aerodynamic no ise;calculatio n methodAuthor resume :LIU Hong -g uang (1956-),female ,an associate professo r o f Jiang su U niv ersity ,eng ag ed in r esearch of v ehicle engineering. 随着其它噪声的降低以及车速的不断提高,气流噪声相对突出,已成为高速车辆的主要噪声源之一,因此研究和降低气流噪声已成为控制高速车辆噪声的关键之一。
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ｐ协力＝“ＣＯ－ｓ扣鼍ｐｓ（ｙ岫
向速度；Ｃ（ｘ，Ｙ）为格林函数。
（１）
式中：ｐ’ｘ，ｔ）为空气密度波动量；ｃ。为声速；风为未受 扰动空气的密度；％为曲面Ｓ（ｙ）上某声源点Ｙ的外法 远场条件下（指瞬态声压和质点速度的相位相
同，且远声场半径大于声场辐射直径平方与声波波长
研究成果扩展到运动固体边界，并按照Ｌｉｇｈｔｈｉｌｌ方程
的推导方法，得到Ｆｆｏｗｅｓ Ｗｉｌｌｉａｍｓ—Ｈａｗｋｉｎｇｓ方程（简
称ＦＷ—Ｈ方程）¨…。
由上述可知，列车高速运行时所产生的气动噪声主要
来源于其车身表面分布的偶极子声源。因此，偶极子
１９７４年，Ｇｏｌｄｓｔｅｉｎ采用格林函数的方法拓展了
ＦＷ－Ｈ方程，研究了均匀介质下运动物体的发声问
ｔｈｅ ｌａｔｅｒａｌ ｓｉｄｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｉｎ ｉｓ ｕｐ
ｔｏ
ｔｈｅ ｍａｉｎ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ ｄｉｐｏｌｅ ｓｏｕｒｃｅ ｃｅｎｔｅｒ；ａｂｏｖｅ ｔｈｅ
ａｃｏｕｓｔｉｃ ｓｏｕｒｃｅ，ａｎｄ ｔｈｅ Ｓｏｕｎｄ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒｏｏｆ ｉｓ ｍａｉｎ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｉｎ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｖｅｈｉｃｌｅ
１．１基础声源理论 英国学者Ｌｉ【ｇｈｔｈｉｌｌ于１９５２年在没做任何简化和 假定的前提下，通过严格的流体运动连续方程和动量 方程，得到反映自由空间中流场声波运动与流场参数
之间关系的Ｌｉｇｈｔｈｉｌｌ波动方程哺１。
为ｓ（ｙ）上声源点ｙ处的外法线向量；尺为观测点至声
源点间的距离；一为观测点至声源点连线与声源移动 方向之间的夹角；Ｍａ，为马赫数。 式（２）反映了运动固壁曲面Ｓ（Ｙ）上点Ｙ处的声 源在ｒ时刻所发出的声音在ｔ时刻传到观测点戈处 时，点髫处的辐射声压情况。式（２）表明，车辆高速行
ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ａｅｒｏ－ａｃｏｕｓｔｉｃｓ
Ｚｈｅｎｇ Ｚｈｅｎｇｙｕｌ”，Ｌｉ Ｒｅｎｘｉａｎｌ
（１
Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００３１，Ｃｈｉｎａ；
２ Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ
Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｂｏｕｎｄａｒｙ
３８ｍｍ的四边形声学网格，以满足声场计算的精度要 求。４）将所获得的脉动压力数据导入，并在所建立的 声学网格上利用式（６）转换成声辐射压力及其脉动频 率¨４．１５】，从而获得气动噪声辐射场中的车身表面边界 偶极子声源条件。辐射声压ｐ。。和脉动频率丘椭。的表 达式为：
Ｍｅｔｈｏｄ，ＤＢＥＭ）用于分析封闭结构的内声场
用而在车辆表面附近产生不同频率的压力脉动所诱 发的…。随着铁路高速化的推进，这种气动噪声对于 列车乘坐舒适性以及对高速铁路干线周边环境噪声 污染等指标产生重要影响心引。在各国发展高速铁路 和高速列车的同时，均针对高速车辆气动噪声做了大 量的研究工作，并取得了一定的进展¨…。由于气动 噪声是在一个宽频带范围呈连续分布，故从实际车道
ｔｒｓｖｅｉ－ｓｅ
Ｌｅｖｅｌ（ＳＰＬ）ｍａｙ
８０ｄＢ
ａｔ
２５ｍ ａｗａｙ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ
ｓｏｕｒｃｅ
ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ；ｔｈｅ ｔｒａｉｎ’８ ｓｕｒｆａｃｅ ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ ａｃｏｕｓｔｉｃ
ｄｉｒｅｃｔｉｖｉｔｙ ｅｎｈａｎｃｅｓ ｗｉｔｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ
ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ ｎｏｉｓｅ；Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ａｅｒｎ・Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ（ＣＡＡ）；ｄｉｐｏｌｅ ｓｏｕｒｃｅ；Ｂｏｕｎｄａｒｙ Ｅｌｅｍｅｎｔ
略不计。因此，适合运动车辆流场的Ｆｗ．Ｈ方程可简 化为…０｜：
与气动声学的交叉学科——计算气动声学（Ｃｏｍｐｕｔａ—
ｔｉｏｎａｌ
用数值计算的方法对流体与固体边界间相互作用所 产生的噪声的非定常流动机理进行研究，使得一些采 用试验方式难以研究的湍流问题得到很好地预测…。 本文利用计算气动声学（ＣＡＡ）原理，采用边界元 声场分析方法并结合流体动力学分析技术，在某高速 列车边界元模型中，导人流场脉动压力数据并在声学 网格上转换成气动偶极子声源边界条件，采用直接边 界元算法实现了基于表面偶极子声源的列车气动噪 声外辐射声场的数值仿真，在此基础上对高速列车气
ＳＯＵｌ＇Ｃｅ
ｂｙ ｃｏｎｖｅＴｔｉｎｇ ｔｈｅ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｎｇ ｆｌｏｗ ｐｒｅｓｓｕｒｅ
ａｅｒｏ—
ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ’ｓ
ｓｕｒｆａｃｅ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｄｉｐｏｌｅ
ｂｏｕｎｄａｒｙ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｉｎ ａｃｏｕｓｔｉｃｓ酣ｄ．Ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｖｅｈｉｃｌｅ’ｓ ｅｘｔｅｒｎａｌ
声源项（ｃ项）组成，其中Ｂ、Ｃ项仅在固体表面上
产生。
毒。２丌习
。
ｃｏｓＯ
，．、
Ｌｊ）
１．２车辆气动噪声方程及气动声源指向性分析 对于在空气流场中高速行驶的车辆，车身表面可 以视为刚性的，体积脉动量几乎为零，所以单极子声 源项（ｃ项）可不必考虑；另外，Ｌｉｇｈｔｈｉｌｌ在文献［８］中
而马赫数Ｍａ，的影响较小，因此，指向性因子主要 取决于ｃｏｓ０。 １．３边界元法基本原理 边界元法（Ｂｏｕｎｄａｒｙ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｍｅｔｈｏｄ，ＢＥＭ）的基
ｓｏｕｌ℃ｅ
ａｃｏｕ８ｔｉｃ￥ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｖｉｔｙ ｏｆ Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ：ｔｈｅ
ｖｅｈｉｃｌｅ’８ ｓａｎ＇ｆａｃｅ ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｄｉｐｏｌｅ
ｔｏ
ｗｅｒｅ
ａｌｓｏ
ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｃａｒｅｆｕｌｌｙ．
ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ
声源的指向性是列车气动噪声辐射的重要特性之一，
也是列车气动噪声外辐射预测计算方法中的重要基 础性问题。 从式（２）可以看出，车辆的这种气动噪声具有指
题¨”，提出：声源项是由存在于运动固体表面之外的
四极子声源项（Ａ项）、表面脉动压力引起的偶极子声 源项（日项）以及流场固体表面加速度引起的单极子
向性，其指向性因子玉为：
・教育部博士学科点专项科研基金资助项目（２０１００１８４１１００２）；重庆市科委自然科学基金资助项目（ＣＳＴＣ，２００８ＢＷ／Ｍ１）；重庆市教委科学技术
研究项目（ＫＪｌ００８１１） ４２
万方数据
郑拯宇，等：采用计算气动声学研究高速列车表面偶极子声源外辐射的指向性
２０１２年第６期
现场的采样数据中提取并分析气动噪声信号存在较 大的技术困难；而大型静音风洞数量稀少、成本高。 因此，现有高速车辆气动噪声实验手段具有局限性。 近年来，随着计算流体动力学（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ
ＯＨ
４０００５４，Ｃｈｉｎａ）
ｔａｇｈｔｈｉｎ’ｓ ａｎａｌｏｇｙ，ｔｈｅ Ｂｏｕｎｄａｒｙ Ｅｌｅｍｅｎｔ
ｔｏ
Ｍｅｔｈｏｄ（ＢＥＭ）ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｈｉｇｌＩ・ｓｐｅｅｄ
ｔｒａｉｎ
ｗｉｔｈ
ｔｈｅ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍ－
ｉｃｓ（ＣＦＤ）ｕｔｉｌｉｚｅｄ
ｎｅａｒ
ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｅｘｔｅｒｎａｌ ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｎｏｉｓｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ
汽车制造技术
现代制造工程（Ｍｏｄｅｍ
Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ
Ｅｎｇｉｎｅｅｆｉｎｇ）
２０１２年第６期
采用计算气动声学研究高速列车表面偶 极子声源外辐射的指向性’
郑拯宇１’２，李人宪１ （１西南交通大学机械工程学院。成都６１００３１；２重庆理工大学重庆汽车学院。重庆４０００５４）
摘要：将边界元声场分析方法与流体动力学分析技术有机结合起来，在某高速列车边界元模型中，导人流场脉动压力数 据并在声学网格上转换成气动偶极子声源边界条件，采用直接边界元算法实现了基于表面偶极子声源的列车气动噪声 外辐射声场的数值仿真，在此基础上对列车气动噪声外辐射场声压力分布规律以及车身表面偶极子源外辐射的指向性
Ａ之比），当Ｒ≥Ａ，且Ｒ≥￡，其中￡为车辆的特征尺寸
时，由于ｐ ７＝ｐ’ｃ。２，则式（１）可简化为‘２１：
ｐ弘＇ｆ）一赤芒南』争（ｙ郴（ｙ）
（２）
源外辐射的指向性等特性进行分析。
１
车辆计算气动声学基本原理
式中：ｐ’（戈，ｔ）为观测点髫处的辐射声压；Ｐ（Ｙ）为流场
中运动固壁曲面Ｓ（Ｙ）上某声源点Ｙ处的脉动压力；ｎ
ｉｄ
Ｆｌｕ－
指出：气动噪声中四极子声源与偶极子声源强度之比 正比于马赫数的平方，而地面行驶的车辆运动仍属于 低速运动（远小于马赫数），其四极子声源噪声强度远
小于偶极子声源强度，故四极子声源项（Ａ项）亦可忽
Ｄｙｎａｍｉｃｓ，ＣＦＤ）技术的发展，基于计算流体动力学 Ａｅｒｏ．Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ，ＣＡＡ），逐渐发展起来。它是利
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万方数据
２０１２年第６期
现代制造工程（Ｍｏｄｅｍ
Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ
Ｅｎｇｉｎｅｅｆｉｎｇ）
本思想是基于格林公式的应用，即将一个区域上的积 分转化为该区域边界上的积分，将问题的维数降低一 维，从而使求解的方程数目大大降低。边界元法是分 析声场问题最常用的方法，分为直接边界元法与间接 边界元法两种，其中，直接边界元法（Ｄｉｒｅｃｔ
中图分类号：ＴＢ５３５；Ｕ２７０．１＋６文献标志码：Ａ文章编号：１６７１－－３１３３（２０１２）０６－－－００４２－－－－０５
Ｅｘｔｅｒｎａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｖｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ｔｒａｉｎ’Ｓ ｓｕｒｆａｃｅ ｄｉｐｏｌｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ