高速列车气动噪声数值仿真

高速车辆外气流噪声的数值模拟及分析

高速车辆外气流噪声的数值模拟及分析　１０ｌ　

文章编号：１００６．１３５５（２０１０）０６—０１０１—０４　

Ｃ＝，　同　速车辆外气流噪声的数值模拟及分析　

张冬青，刘红光，吕志华　

ｆ江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江２１２０１３）　

摘要：应用软件Ｆｌｕｅｎｔ的大涡模拟和ＦＷ—Ｈ声学方程，对汽车模型的远场噪声进行了数值模拟与分析，得到了高　速车辆车外气流噪声的频率特性和速度特性，并且得出了汽车左右侧窗对远场噪声影响最大。最后通过对侧窗单独　分析发现，侧窗与水平面夹角在一定范围内时远场噪声较小。结果表明，ＣＦＤ数值模拟方法得出的结果与试验结果基　

本吻合，计算结果基本满足工程需要，但计算精度有待于进一步提高。　关键词：声学：高速车辆：远场噪声；侧窗；大涡模拟；ＦＷ－Ｈ声学方程　中图分类号：Ｕ４９１．９　１　文献标识码：Ａ　ＤＯＩ编码：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１００６—１３５５．２０１０．０６．０２４　

ｅｒｉｃａｌ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　

Ｎｏｉｓｅ　ｏｆ　Ｈｉｇｈ—Ｓｐｅｅｄ　Ｖｅｈｉｃｌｅｓ　

ＺＨＡＮＧ　Ｄｏｎｇ　ｑｉｎｇ，ＬＩＵ　Ｈｏｎｇ－ｇｕａｎｇ，　Ｚｈｉ－ｈｕａ　

（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅ　ａｎｄ　Ｔｒａｆｆｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ　Ｊｉａｎｇｓｕ　２１２０１３，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｄｉｓｔａｎｔ　ｆｉｅｌｄ　ｎｏｉｓｅ　ａｒｏｕｎｄ　ｔｈｅ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｍｏｄｅｌ　ｉＳ　

ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ　ｕｓｉｎｇ　ｌａｒｇｅ　ｅｄｄｙ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ＦＷ－Ｈ　ａｃｏｕｓｔｉｃｓ　ｅｑｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　Ｆｌｕｅｎｔ．Ｔｈｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　

ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ａｎｄ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ　ｎｏｉｓｅ　ｏｕｔｓｉｄｅ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ａｒｅ　

高速列车气动声学噪声研究

高速列车在现代交通中扮演了越来越重要的角色，对于加速人们的出行速度和提高交通效率有着不可替代的作用。然而由于高速列车本身的运行机制，其所产生的噪声却成为了人们日益关注的问题。对于高速列车气动声学噪声的研究，不仅可以帮助人们更好地理解运行机制，还可以推动相关技术的改进和发展。

高速列车运行所产生的气动声学噪声主要源自列车在行驶过程中与周围气体的相互作用，包括空气湍流引起的噪声、弥散噪声和尾迹噪声等。其中，空气湍流引起的噪声是最突出的，通常占据了列车噪声总量的大部分。因此，理解空气湍流对列车噪声产生的影响，成为研究高速列车气动声学噪声的核心内容之一。

空气湍流对列车气动声学噪声的影响与其涡旋结构密切相关。当列车运行时，空气将会流经车身周围的激波、涡旋结构和流动失稳区域，产生各种复杂的声学效应，进而导致噪声的产生。为了更好地了解噪声产生机理，研究人员通常会采用数值模拟、实验测试等多种方法。

在数值模拟方面，使用计算流体力学（CFD）进行列车空气湍流场模拟，是一种常见的方法。模拟的过程中需要考虑气流稳定性、湍流模型、计算网格等因素，以便获得精确的湍流场数据。同时，在实验测试方面，也有许多方法可以用来测量高速列车气动声学噪声。其中比较常见的方法包括声学模型测试、风洞试验等。

在研究中发现，调整列车造型和减缓速度是减少列车噪声的有效方法。例如，封闭式车厢、采用空气动力学设计等措施，可以降低列车与空气湍流之间的相互作用，从而减少噪声产生。同时，增加隔音材料、降速等方法也能帮助减少列车噪声的产生，并能提高行驶安全性。

除了直接针对列车造型的改进和技术的提升，高速列车气动声学噪声的研究也需要考虑交通环境以及对周边环境的影响。在城市化进程加快，人口密集度不断上升的时代，高速列车噪声不仅直接影响到周边居民的生活质量，也对社会经济和环境产生了负面的影响。因此，将高速列车噪声研究与环境保护、城市规划等相结合，是未来研究的重要方向之一。

6 基于Virtual.Lab的轮轨噪声仿真预报(1)

基于b的轮轨噪声预测

贾尚帅，韩铁礼，张文敏，潘德阔，彭垒（中车唐山机车车辆有限公司，技术研究中心，河北唐山 063035）

摘要：高速动车组轮轨噪主要由车轮垂向激励作用下滚动噪声和车

轮气动噪声两部分组成。本文计算了轮轨垂向力作为载荷，采用b商业软件求解车轮声辐射；通过Fluent软件计算车轮表面

压力脉动，导入b进行了气动声学评估。两者结合作为轮

轨噪声值。关键词：车轮导纳；接触载荷；声辐射；气动噪声

本文采用仿真手段分析了高速动车组300km/h车轮滚动辐射噪声及车轮结构

气动噪声。包含了车轮频响仿真计算、车轮滚动辐射噪声计算及车轮气动噪声计

算。分析流程见图1

图1 车轮振动辐射计算模型采用Hypermesh进行流体网格划分，在Fluent软件中进行车轮流程分析（大

涡模拟瞬态分析）输出CNGS果文件(车轮表面压力)导入B后

进行车轮频谱进行声学评估。1车轮材料参数及模态计算结果

车轮采用钢质材料，建立模型只考虑轮对自身与车轴连接部分设置为固定支座（全约束状态）车轮的结构形式及材料特性见下图表。

表1 车体部件材料性能参数序号材料名称密度（kg/m3）弹性模量MPa泊松比

1钢质7.8×1032.1×1050.33

图2车轮几何模型图3简化后的有限元模型表2 高速列车车轮各阶模态固有频率轴向模态频率轴向模态频率径向模态频率周向模态频率(0,0)269(1,1)1847(r,0)3112(c,0)578(0,1)194(1,2)2261(r,1)1350(0,2)400(1,3)2809(r,2)2008(0,3)1055(1,4)3451(r,3)2617(0,4)1893(1,5)4192(r,4)3307(0,5)2827(2,0)3692(r,5)4066(0,6)3810(2,1)3760(r,6)4890(0,7)4815(2,2)3999(1,0)1687(2,3)4461

汽车气动噪声的数值模拟分析

汽车气动噪声的数值模拟分析随着车辆性能的提高及高等级公路的建设,车辆的速度越来越快，车辆外流场的气动噪

声以车速的6次方的数量增长。因而，当车辆的其它噪声得到有效的控制后,车辆的气动噪

声就变得尤为重要了。70年代，研究人员发现,车速为70km/h的情况下,气动噪声的范围为

62~78dB,而在速度为110km/h的情况下,气动噪声的范围达到80~90dB。新的研究表明,车

速超过100km/h,气动噪声对车外噪声的影响己超过了其它噪声。

数值模拟方法可在新车设计初期的造型阶段进行气动噪声的预测，为选型及造型参数修

改提供依据，从而可以较早地得到较理想的产品，避免产品缺陷。文章以一款车型为例进行

了气动噪声的数值模拟。

1湍流模型的选择

气动噪声模拟可以选择几种不同的数值方法，大涡模拟可以得到精确的模拟效果，但要

求生成的网格质量好，计算比较耗时。在产品设计的初始阶段，往往需要噪声的大致分布情

况，基于模型的噪声源方法可以解决这一问题。

模型的湍流动能输运方程：

湍流动能耗散率输运方程：

2模型网格的划分和计算域的建立

模型是在CATIA软件上建立的，然后导入ICEMCFD软件中进行网格划分。为了提高

计算的效率，对模型的底部进行了简化处理。

根据经验，流场仿真计算所取的计算域到达一定的大小时，汽车的流场就不再受计算域

大小的限制。假设汽车模型长为L，宽为W，高为H，则计算域的取法为汽车前部取3L，

侧面取4W，上部取5H，汽车后部取7L。

为了解决汽车求解域大，网格数目多的难点，按照离车身的距离不同，网格的大小也不

同：离车身近的区域网格划分比较密，使之能够清楚的表现车身表面附近的细致情况。而远

离车身的区域，网格可以适当的稀疏，以减少网格的数量，节约计算时间。最终网格划分结

果如图1所示，网格数1369839。

3边界条件 1)入口边界。入口边界为速度边界。

2)出口边界。出口边界为压力边界。

3)地面边界。

汽车气动噪声的数值仿真与研究

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汽车气动噪声的数值仿真与研究

作者：孟繁桐

来源：《世界家苑·学术》2017年第10期

摘要：对小车模型进行仿真共分为三个阶段：稳态计算阶段、稳态噪声阶段以及瞬态计算阶段。通过数值计算得出结论：网格疏密程度对噪声结果产生影响；迎风区域受到的压力数值最大，而噪声数值较大的区域往往发生在形状变形的位置处，例如A柱、后视镜以及位置处。

关键词：数值计算；稳态流场；气动噪声；分离涡模拟

1 前言

在高速运行下，气动噪声成为了主要噪声来源。数据表明[1]，当汽车行驶速度每提升10km/h，声压级增加约2.5dB，突变位置处激发的气动噪声大致与速度的六次方成正比。

采用数值模拟研究汽车气动噪声经历了一个过程[2]，1999年Leep提出了简化的汽车模型。2003年Bipin Lokhande模拟无限大的计算区域。2004年Murad对简单倾角的A柱模型结构进行数值仿真。2005年Vedy采用CAA方法对汽车后视镜模型进行数值仿真。2010年同济大学采取DES、RANS和LES组合方法研究汽车后视镜影响下的流场分布。2013年Christoph

Reichl分别采用四面体、六面体网格进行数值仿真。本文采取数值模拟方法对车身模型进行声学研究分析。

2 整车气动噪声特性分析

本节以整车为例，初步了解汽车的气动噪声特性，分别从流动和气动噪声的角度分析整车的气动特性，总结汽车外形对于气动噪声的影响规律。

2.1 整车模型与计算域

本次数值计算采用简化轿车模型，将后视镜部件进行省略。模型按照1：1比例进行建模，车长为3588mm，车身高度为1527mm。

整车模型放置在长方体的虚拟风洞中，车身前部计算域长度选取为14457mm，车身后部计算域长度选取为37026mm，车顶上部计算域长度为13705mm，车身旁横向计算域长度为5251mm。由于小车左右两部分可以近似认为对称的，所以对小车进行简化处理，即将计算域以及小车模型从中间对称线平均分开成左右两部分，数值计算时仅对其中一部分进行计算。

高速列车空气动力学建模与仿真

随着人们生活水平的提高，交通事业得到了很大的发展，高速列车的出现给人们的出行带来了巨大的便利。然而，想要让高速列车在运行过程中更加稳定、安全，就需要对其进行深入的研究和探究。在此背景下，空气动力学建模与仿真成为了一个热门的领域，尤其是在高速列车行业。

一、空气动力学建模的意义

空气动力学是研究气体和固体（或液体）接触时所发生的物理现象，包含了气体压力、气流分布、风阻和地面摩擦等方面。而在高速列车的设计、制造和运营中，这些因素都会对其进行直接或间接的影响，影响其安全性、舒适性等多个方面。因此，建立高速列车的空气动力学模型并进行仿真，可以为了解高速列车的性能提供基础，为优化高速列车设计提供理论依据，并为提高高速列车构造和运行的效率提供方案。

二、空气动力学建模的方法

在空气动力学建模和仿真方面，有多种方法和技术可供选择。下面简要介绍几种较常见的方法。

（1）CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体力学）

CFD 是通过计算机模拟流体力学现象的方法，常用于对空气动力学现象进行数值模拟。该方法可以通过分析建模与参数设置的影响，对给定飞行器进行气动特性分析、流场特征计算、气动设计优化以及智能控制系统设计等工作。CFD 方法在高速列车空气动力学领域具有广泛应用，其准确性和可视性都较高，但需要较高的计算资源和软件技术支持。

（2）纸飞机试验法纸飞机试验法是一种比较简单、直观的空气动力学试验方法。该方法通过制作纸飞机并在起降跑道上进行试验，通过观察纸飞机的运动轨迹和落地方式，可以分析气流分布和风阻情况。在高速列车的空气动力学模型搭建过程中，该方法可以快速获取一些大致的数据，但其数据准确性较低，只适用于模型初期的引导性试验。

（3）小比例模型试验法

在该方法中，会制作一个比实际高速列车小很多的模型，并在流体力学实验室（风洞）中进行静态或动态的实验。该方法可以通过模型的实验数据获取较为精确的数据，有利于对高速列车的参数和气动性质进行分析，但需要制作模型，费时费力，且实验结果的精度也会受到模型缩放比例的影响。

气动噪声特性的仿真与实验分析

在现代制造业中，气动噪声成为了一个重要的问题。高噪声会影响工作环境，降低工作效率，甚至对工人身体健康构成危害。因此，在设计气动系统时，需要考虑噪声控制措施，以确保生产的可持续性和卫生安全。本文将介绍气动噪声特性的仿真与实验分析方法，希望能对噪声控制措施提供参考。

一、气动噪声特性

气动噪声特性是指气体在运动过程中产生的声波的音量和频率等特性。气体流过窄阀门、喷嘴、管道、转子等流动部件时，声场将发生不同程度的波动和压力变化，产生噪声。气动噪声的特点是发散、复杂、低频、宽频带、不稳定、脉动性强等。这些特点给噪声控制带来了极大挑战。

二、气动噪声的影响因素

1、气体流动参数：如流量、速度、压力、温度等。

2、气体流动的结构：如转子、喷嘴、管道、泵、风机等。

3、气体流动环境：如空气、液体、气体混合物等。

4、气体流动方式：如稳态流动、脉动流动等。

5、气体流动介质：如空气、自然气、蒸汽、燃气等。

三、气动噪声的仿真分析

在噪声控制的早期阶段，使用气动噪声仿真分析进行设计和预测是一种常见方法。现代仿真技术可以使用计算流体力学软件 (CFD) 建立数字模型，并模拟气体流动和声波传播。仿真分析可以指导噪声控制的设计和实施，节省时间和成本。

四、气动噪声的实验方法虽然气动噪声仿真分析已经成为了常用方法，但实验分析仍然非常重要。实验可以验证仿真分析的准确性并得出更精确的数据。在实验中，可以使用声学测量设备如声级计、频谱分析仪等来测量噪声水平。同时，可以尝试使用各种噪声控制措施，如隔声板、吸声材料等来降低噪声水平。

五、气动噪声控制方法

在进行气动系统的噪声控制时，可以尝试以下方法：

1、改变气体流动方式：采用稳态流动或远离共振频率的频率，可以降低噪声水平。

2、改变气体流动介质：使用减少气动噪声的流体介质，如油膜、吸声涂层液体等。

3、使用吸声材料和隔声板：通过外部介质材料对气体流动和声场进行隔离，可以降低噪声水平。

高速列车空气动力学特性数值模拟研究

随着科技的不断进步和人们对高速交通需求的增加，高速列车正日益成为现代交通的主要选择。为了确保高速列车的安全和舒适性，对其空气动力学特性进行数值模拟研究显得尤为重要。本文将对高速列车的空气动力学特性进行详细探讨，并介绍数值模拟在研究中的应用。

首先，空气动力学是研究气体在物体表面流动中产生的力的科学。在高速列车运行中，空气动力学特性的理解对于列车性能的优化和安全性的保证至关重要。由于高速列车的运动速度较快，流体在列车表面的流动会形成较强的阻力，并且可能导致噪声和不稳定的情况。因此，对高速列车的空气动力学特性进行深入研究能够改善列车的性能和乘坐体验。

在过去的研究中，数值模拟已经被广泛应用于高速列车的空气动力学研究。数值模拟利用计算机的算力和数值方法，可以模拟高速列车在不同速度下的空气流动情况。通过对列车的设计和优化，可以减少阻力和噪音，并提高运行效率。通过数值模拟，研究人员可以模拟不同的列车外形、速度和环境条件，以获得最佳设计参数。

在进行高速列车空气动力学特性数值模拟研究时，需要注意以下几点。首先，模拟应该准确地反映实际的运动情况，包括列车的速度、方向和运行状态。其次，模拟中需要考虑列车表面和周围环境的物理特性，如摩擦系数和流体的密度。另外，还需要考虑列车的外形和尺寸，以及气动外形对流场的影响。最后，数值模拟还应考虑边界条件和网格划分等因素，以确保模拟结果的准确性和可靠性。

进行高速列车空气动力学特性数值模拟研究可以帮助设计人员优化列车的外形和减少阻力，从而提高列车的运行效率。通过模拟研究，可以得到列车在不同速度下的阻力系数和升力系数等关键参数，为列车设计和改进提供指导。此外，数值模拟还可以为列车的风险评估和安全性评价提供重要的依据。

然而，数值模拟也存在一些限制和挑战。首先，模拟结果的准确性取决于所选择的数值方法和模型的精度。其次，模拟过程需要大量的计算资源和时间，尤其是对于复杂的列车外形和环境条件。此外，在进行数值模拟时，需要注意对结果的验证和验证，以验证模拟的准确性。

高速铁路运输气动噪声分析与降解方法探讨

随着高速铁路运输的发展，气动噪声问题日益凸显。气动噪声是指高速列车行驶时凭借空气流经引起的噪声，对周围居民和环境造成了一定的影响。因此，对高速铁路运输气动噪声进行准确分析并提出降解方法是一个重要的课题。

在分析高速铁路运输气动噪声之前，我们首先要了解气动噪声的产生原因。当高速列车行驶时，空气流经车体、车窗、车轮、电缆等部件，会产生涡流和尾迹，同时也会引起噪声。这些噪声主要包括空气波噪声、涡流噪声和尾迹噪声。因此，针对这些噪声成因，我们可以制定相应的降噪措施。

针对高速铁路运输气动噪声的分析方法有很多种，下面我们将介绍两种经常应用的方法。

首先是数值模拟方法。这种方法基于计算流体力学的原理，通过数值模拟计算，并得到噪声的预测结果。数值模拟方法在预测和分析气动噪声中应用广泛，其优点是可以快速计算出复杂流动条件下的噪声分布，提供详细的噪声信息。此外，数值模拟方法还能够评估不同降噪方案的效果，并指导设计优化。但是，数值模拟方法也存在一些限制，如计算量大、模拟结果与实际情况存在差距等。

另一种分析方法是实测数据分析法。通过在实际运行的高速铁路上采集噪声数据，对其进行分析和处理。这种方法可以直接反映铁路运输中的噪声情况，具有更高的可靠性。实测数据分析法可通过测量、分析和比较来取得准确的噪声信息，并进一步对噪声来源和影响因素进行分析。然后可以根据分析结果制定相应的降噪方案。

除了分析方法，还有一些常用的降噪方法可以应用于高速铁路运输气动噪声的控制与降低。

首先是提高车身设计。通过优化车体外形、减小空气阻力，降低噪声源的产生。例如，采用空气动力学设计来减小涡流的产生，减少气动噪声的辐射。其次是采取隔音措施。可以在车体内部和外部表面使用隔音材料，减少气动噪声的传播和振动。同时，还可以使用隔音窗户和隔音门等设备，减少噪声对内部空间的传递。

第三是优化轨道设计。适当改善铁路轨道的几何形状和结构参数，可以减少列车行驶过程中产生的噪声和振动。例如，采用减震橡胶板、胶木轨道板等降低噪声和振动的装置。

高速列车头车外流场气动噪声的仿真与实验研究

姜世杰;杨松;吴丹;闻邦椿

【摘要】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.

【期刊名称】《东北大学学报（自然科学版）》

【年(卷),期】2018(039)008

【总页数】6页(P1137-1142)

【关键词】高速列车;气动噪声;Lighthill声类比理论;仿真分析;实地试验

【作者】姜世杰;杨松;吴丹;闻邦椿

【作者单位】东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳 110819;东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳 110819;东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳

110819;东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳 110819

【正文语种】中文

【中图分类】U270.16

随着列车运行速度的提高,很多低速运行时被合理忽略的问题变得越来越突出,并严重制约着列车高速技术的发展.列车高速化中最严重的问题之一是噪声的影响,此噪声主要包括轮轨噪声和气动噪声[1-2].随着轮轨噪声的有效控制及列车运行速度的不断提高,气动噪声成为高速列车噪声中越来越重要的组成部分[3-4].研究[5]表明,当车速达到250 km/h时,高速列车气动噪声将超过轮轨噪声,成为最主要的噪声源.急剧增大的气动噪声不仅严重影响乘客的舒适度和铁路沿线居民的日常生活,还可能引起周围设备和建筑物等的疲劳破坏,极大地制约着高速铁路的进一步发展.为此,研究高速列车气动噪声的仿真计算和控制方法具有十分重要的意义.

目前,在理论研究方面,Lighthill声类比理论的应用最为广泛[6-8],被越来越多地应用于高速列车气动噪声的理论分析.现有的实验研究普遍依赖于风洞试验,即在风洞中安置缩放的高速列车模型,研究气体流动及其与列车模型的相互作用.这是基于相似性原理来了解实际列车空气动力学特性的一种实验方法,具有明显的局限性,主要有边界干扰、支架干扰、低雷诺数和成本高昂等问题[9];在数值研究方面[10],流体力学数值模拟技术的广泛发展为研究高速列车气动噪声提供了更多的依据,但因为相关实验少,过去的研究普遍缺乏仿真结果的实验校核.本文将理论应用于仿真计算,分别计算了稳态流场、列车表面噪声源和瞬态流场,进而获得远场气动噪声的计算结果;同时,利用自行设计搭建的实验台完成了列车远场气动噪声的实地实验研究;通过气动噪声仿真和实验结果的对比分析,验证其正确性并获取列车头车表面气动噪声的分布规律和特点.此外,本文的研究还将为后续整车(多节车厢)气动噪声的仿真和控制提供基础和技术支持.