关键词：
气动噪声
隧道环境
大涡模拟
声压级
流场结构
噪声控制
摘要：
随着城市化进程的加快和轨道交通的快速发展,地铁列车运营速度目前最高已达200 km/h,气动噪声将随着列车的提速成为主要噪声来源。尤其是隧道环境的半封闭性限制了空气的自由流动,导致隧道内产生强烈的气流扰动和湍流现象,进而引发显著的气动噪声问题。为深入研究这一问题,本研究采用可压缩大涡模拟(LES)与声学无反射边界条件,构建了全尺寸两编有转向架无受电弓地铁列车模型,对比分析地铁列车在明线与隧道内运行时的流场组织结构和气动噪声特性,系统探讨了近场噪声的分布规律、噪声横向衰减规律、列车声源特性及其产生机制,聚焦于流场结构动态演化、声源空间分布及噪声传播机理的差异性。主要结论如下:
1、明线上列车气动声学性能。明线运行条件下,列车周围流场呈现出复杂的气动声学特征。在车下区域,1位转向架气动激扰强度显著高于其他位置,以多尺度杆件绕流与库埃特流动的相互掺混为主要特征,产生多种尺度强涡量高速单角发卡涡。在尾流区,车尾四周的边界层气流与车下气流相互交融形成较强的气流涡旋,受车尾高压区向两侧排挤,形成了一个中间为高速低涡量区与两侧为条带状的低速强涡量区,两侧的涡旋方向相反并向远发展。在车顶区域,主要以两个空调所夹的类腔体气流与边界层气流相互掺混为主要气流行为,形成了较弱的周期性涡脱。明线列车表面声压级分布差异显著,其中车头、车尾、转向架1与转向架4以及空调肩部等表面声压级较为突出。明线车体表面声压频率分布特性差异较为显著,其中头车区域声压随着频率增大而显著下降,而尾车及尾流区声压在400 Hz以下频率范围微弱下降,在400～1000 Hz而微弱增大。值得注意的是,随着边界层厚度的沿程发展,这些区域产生了显著的边界层噪声,其能量主要集中在中高频段。声功率定量评估进一步揭示,转向架1区域的声源能量贡献率达到整车总量的46.34%,这一结果确立了其作为明线工况下主导噪声源的突出地位。
2、隧道内列车气动声学性能。明线与隧道内列车周围流场结构较为相似,例如头车的迎风区域、列车底部以及尾车后部由于气流分离现象与边界层的增厚效应,均呈现出较低的速度,且其空间分布变化较为剧烈;转向架区域、尾车下游区域均为强涡量区,其涡结构尺度较为丰富;在两个空调中间区域同样形成了周期性脱落的多尺度涡结构。然而它们的强度及规模差异显著。相对于明线,隧道内头车滞止区规模增大了0.5倍;隧道内列车底部、上部气流平均速度风别增大1倍、0.5倍;隧道内尾流区气体运动更加剧烈,尾涡长度增大5倍;隧道内转向架区域、尾车下游区域的涡量增大了18-25%;隧道内空调区域涡结构强度增大1倍。隧道内列车表面声压级分布较为均匀,整体比明线高出15d B,并且其最大声压级区域为两个空调中间区域。隧道内车体表面声压频谱较为相似,其中低频声压级较明线显著增强,而高频衰减更为迅速。
较大阻塞比隧道内地铁列车空调不宜过高,或集中布置,或下沉,或采用吸声材料,可以有效降低该区域的声压级,提升列车在隧道内的声学性能。
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