CN111222293B - 基于sngr方法的高速列车气动噪声计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于SNGR方法的高速列车气动噪声计算方法。本发明包括：建立高速列车计算流体动力学模型；基于建立的高速列车计算流体动力学模型，求解高速列车周围稳态流场；基于稳态速度场，合成湍流速度场，构造与时间相关湍流速度场序列；求解声波动方程，得出声源项；将求解的声源项代入FW‑H方程，求解高速列车对外辐射噪声。本发明相对于现有的基于大涡瞬态计算气动噪声计算相比，不需要进行耗时耗资源的大涡瞬态计算，而只进行高速列车稳态计算，利用稳态解合成构造湍流速度场，并用来预测高速列车气动噪声。本发明可以克服原有方法计算瞬态流场的耗时长、浪费资源的弊端，快速高效预测分析高速列车气动噪声，节省的时间及资源。

Description

基于SNGR方法的高速列车气动噪声计算方法

技术领域

本发明涉及高速列车技术领域，尤其涉及一种基于SNGR方法的高速列车气动噪声计算方法。

背景技术

随着高速列车运行速度超过300km/h，高速列车气动噪声已超过轮轨噪声成为主要噪声源，高强度气动噪声向车内传播，严重影响车辆乘坐舒适性，同时造成很强的路边噪声污染，所以计算分析控制高速列车气动噪声是高速列车研制及运营过程中的重要问题之一。

现有技术多通过计算高速列车周围稳态流场、以稳态流场做为初始值，用大涡模拟计算高速列车瞬态流场、以瞬态流场数据为噪声源数据，基于Lighthill声模拟理论用FW-H方程计算高速列车对外辐射的气动噪声。这种方法是目前计算高速列车最普遍使用的方法，还有其它各种方法，但不论哪种方法，都需要计算高速列车周围瞬态流场，然后基于瞬态流场数据计算高速列车气动噪声。高速列车周围流场瞬态计算需要耗费大量计算时间和计算资源，高速列车气动噪声计算主要是周围流场的瞬态计算。

以3车编组高速列车气动噪声计算为例，计算精度较好的最低网格数量需大于2000万个单元，CFD要计算5000Hz范围内的气动噪声，至少需要计算3500个时间步，在128G内存的普通工作站需要计算24小时。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种基于SNGR(随机噪产生及传播，StochasticNoise Generation and Radiation method)方法的高速列车气动噪声计算方法。本发明采用的技术手段如下：

一种基于SNGR方法的高速列车气动噪声计算方法，包括如下步骤：

步骤1、建立高速列车计算流体动力学模型；

步骤2、基于建立的高速列车计算流体动力学模型，求解高速列车周围稳态流场，即求解稳态三维雷诺平均方程，得到流场的关键物理量，其包括流场的密度、速度、静压以及湍动能和湍流耗散率；

还包括：步骤3、基于稳态速度场，合成湍流速度场，构造与时间相关湍流速度场序列，即将每个时刻t的速度表示成N个傅里叶模态之和；

步骤4、求解以密度ρ为变量的声波动方程，得出声源项；

步骤5、将求解的声源项代入FW-H方程，求解高速列车对外辐射噪声。

进一步地，所述高速列车计算流体动力学模型的建立包括高速列车表面几何修理、确定计算域、划分网格、定义边界条件。

进一步地，所述构造与时间相关湍流速度场序列具体公式如下：

式中，t为时间，x为位置向量，N为模态数，u_n、Ψ_n、σ_n和ω_n分别为第n个傅里叶模态幅值、相位、方向和角频率，k_n为波数；

第n个模态幅值用下式计算：

式中，E(k_n)为湍流动能谱，计算E(k_n)需要湍动能和湍流耗散率，二者从步骤2雷诺方程的稳态解获得。

进一步地，求解气动噪声基本理论是Lighthill声类比方程，如下式所示：

其中，T_ij为Lighthill应力，且T_ij＝ρu_iu_j-e_ij+δ_ij(p-c₀ρ)，在SNGR方法中，u_i、u_j为由式(1)合成的湍流速度场。

本发明相对于现有的基于大涡瞬态计算气动噪声计算相比，不需要进行耗时耗资源的大涡瞬态计算，而只进行高速列车稳态计算，利用稳态解合成构造湍流速度场，并用来预测高速列车气动噪声。本发明可以克服原有方法计算瞬态流场的耗时长、浪费资源的弊端，快速高效预测分析高速列车气动噪声，节省的时间及资源是很大的，这无论是对高速列车整车、转向架、受电弓等局部气动噪声的预测和分析都是很有意义的。

基于上述理由本发明可在高速列车技术领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明SNGR方法高速列车气动噪声计算流程图。

图2为本发明建立高速列车计算流体动力学模型示意图，其中，(a)为车体外表面几何模型，(b)为实施例中确定计算域示意图，(c)为模型中局部网格示意图。

图3为现有技术基于瞬态高速列车气动噪声计算步骤及耗时示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例公开了一种基于SNGR方法的高速列车气动噪声计算方法，包括如下步骤：

步骤1、建立高速列车计算流体动力学模型；所述高速列车计算流体动力学模型的建立包括高速列车表面几何修理、确定计算域、划分网格、定义边界条件。几何修理及几何划分采用Hypermesh\Icem等软件实现。如图2所示，为本实施例中计算高速列车气动噪声CFD模型实例。建立CFD模型不论是一般的高速列车气动噪声计算，还是本发明的SNGR法都是必须的。

步骤2、基于建立的高速列车计算流体动力学模型，求解高速列车周围稳态流场，即求解稳态三维雷诺平均方程，得到流场的关键物理量，其包括流场的密度ρ，速度u、v、w，密度ρ，静压p，湍动能和湍流耗散率。对于一般的基于瞬态计算高速列车气动噪声计算的情况，也需要计算稳态流场，需要以稳态结果作为瞬态计算的初始值。

与现有技术不同的是，本发明省去了耗时耗资源的高速列车周围流场的大涡瞬态计算，极大地节省高速列车气动噪声计算分析的时间和相关资源，具体地，还包括：步骤3、基于稳态速度场，合成湍流速度场，构造与时间相关湍流速度场序列，即将每个时刻t的速度表示成N个傅里叶模态之和；

虽然合成构造湍流速度场也需要耗费时间，但相对高速列车周围很大计算域的瞬态计算基于RANS方程求得的时均速度为U₀，则U₀是与时间无关的，所述构造与时间相关湍流速度场序列具体公式如下：

式中，t为时间，x为位置向量，N为模态数，u_n、Ψ_n、σ_n和ω_n分别为第n个傅里叶模态幅值、相位、方向和角频率，k_n为波数；

第n个模态幅值用下式计算：

式中，E(k_n)为湍流动能谱，计算E(k_n)需要湍动能和湍流耗散率，二者从步骤2雷诺方程的稳态解获得。

步骤4、求解以密度ρ为变量的声波动方程，得出声源项；

求解气动噪声基本理论是Lighthill声类比方程，如下式所示：

其中，T_ij为Lighthill应力，且T_ij＝ρu_iu_j-e_ij+δ_ij(p-c₀ρ)，在SNGR方法中，u_i、u_j为由式(1)合成的湍流速度场。式(3)表明，声源项的产生与一般的大涡模拟起算气动噪声的方法是相同的，只是在基于大涡瞬态模拟气动噪声计算中，湍流速度场来自大涡模拟计算。

步骤5、将求解的声源项代入FW-H方程，求解高速列车对外辐射噪声。

目前，SNGR方法较多用在航空增升装置气动噪声的预测，由于问题的复杂性，尚未在高速列车气动噪声计算中得到应用。目前，普遍采用的基于Lighthill声模拟理论、用FW-H方程计算高速列车气动噪声的流程及需要时间和资源如图3所示。图3表明，基于大涡瞬态模拟的高速列车气动噪声计算耗时主要在大涡瞬态模拟，大涡瞬态计算时间占整个高速列车气动噪声计算总耗时的约60％。而本申请构造湍流速度场的时间约为整个高速列车气动噪声计算总耗时的10％，相比于背景技术中提到的普通工作站需要计算24小时，同样模型相同网格数量的稳态计算，可以在2小时左右的时间内完成，而构造湍流速度场相对于大涡瞬态计算要节省了50％的时间，节省的时间及资源是很大的。本发明将SNGR法运用于高速列车气动噪声计算，这种方法是高速列车稳态流场预测气动噪声，可以比现有的基于大涡瞬态模拟的方法显著减小计算时间，提高计算效率，对预测、分析和控制高速列车气动噪声有着广阔的应用前景。包括高速列车低噪声头型设计、受电弓噪声预测及控制、转向架气动噪声分析及控制、高速列车风挡气动噪声预测及控制，车体表面结构、转向架舱、车体下部结构形状的气动设计及分析等。本方法由于可以用高速列车稳态流畅预测气动噪声，所以可以更方便将噪声预测、高速列车气动阻力预测结合进行多学科分析和优化设计。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (1)

1.一种基于SNGR方法的高速列车气动噪声计算方法，包括如下步骤：

步骤1、建立高速列车计算流体动力学模型；

步骤2、基于建立的高速列车计算流体动力学模型，求解高速列车周围稳态流场，即求解稳态三维雷诺平均方程，得到流场的关键物理量，其包括流场的密度、速度、静压以及湍动能和湍流耗散率；

其特征在于，还包括：步骤3、基于稳态速度场，合成湍流速度场，构造与时间相关湍流速度场序列，即将每个时刻t的速度表示成N个傅里叶模态之和；

步骤4、求解以流场的密度为变量的声波动方程，得出声源项；

步骤5、将求解的声源项代入FW-H方程，求解高速列车对外辐射噪声；

所述高速列车计算流体动力学模型的建立包括高速列车表面几何修理、确定计算域、划分网格、定义边界条件；

所述构造与时间相关湍流速度场序列具体公式如下：

式中，t为时间，x为位置向量，N为模态数，u_n、Ψ_n、σ_n和ω_n分别为第n个傅里叶模态幅值、相位、方向和角频率，k_n为波数；

第n个模态幅值用下式计算：

式中，E(k_n)为湍流动能谱，计算E(k_n)需要湍动能和湍流耗散率，二者从步骤2雷诺方程的稳态解获得；

求解气动噪声基本理论是Lighthill声类比方程，如下式所示：

其中，T_ij为Lighthill应力，且T_ij＝ρu_iu_j-e_ij+δ_ij(p-c₀ρ)，在SNGR方法中，u_i、u_j为由式(1)合成的湍流速度场。