CN112763180B - 声学风洞内高速列车受电弓模型气动噪声快速预测方法 - Google Patents

声学风洞内高速列车受电弓模型气动噪声快速预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种声学风洞内高速列车受电弓模型气动噪声快速预测方法，包括以下步骤：S1、建立单个圆柱杆件在自由来流条件下辐射的远场噪声理论模型，将受电弓当成不同来流角度和观察角度的杠杆组合，得到幅值系数，通过远场噪声理论模型和幅值系数得到整个受电弓的气动噪声预测理论模型；S2、计算受电弓的气动噪声频谱，将受电弓的气动噪声频谱代入受电弓的气动噪声预测理论模型中并配合实验数据库得到气动噪声预测理论模型的各项系数；S3、对受电弓的气动噪声预测理论模型的各项系数进行结果修正，得到最终的受电弓远场噪声预测结果。本发明提出的一系列修正方法能全部或部分应用于受电弓及其部件的风洞试验数据修正。

Description

声学风洞内高速列车受电弓模型气动噪声快速预测方法
技术领域
本发明涉及空气动力学技术领域，具体涉及一种声学风洞内高速列车受电弓模型气动噪声快速预测方法。
背景技术
随着运行速度的提高，高速列车的气动噪声问题愈加突显出来。有效认识高速列车气动噪声特性是降低列车噪声，提高列车运行经济性和乘坐舒适性的前提。而受电弓产生的气动噪声作为整车运行过程中气动噪声的主要组成部分，研究和评估其噪声大小显得尤为重要。准确认识和把握受电弓气动噪声机理和特性是认识和控制整车噪声的基础和关键。
目前条件下，获取受电弓气动噪声主要依赖于风洞试验和数值模拟。风洞试验周期较长，模型稍有变动则需重新设计加工模型，费时费力。数值模拟对受电弓这种复杂模型准度难以把握，尤其是受电弓多由各种细小杆件及弹簧底座构成，涡固干扰流场复杂，加上壁面干扰，难以得到准确合理的远场噪声值。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种声学风洞内高速列车受电弓模型气动噪声快速预测方法解决了依赖风洞试验和数值模拟难以得到准确合理的受电弓气动噪声的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种声学风洞内高速列车受电弓模型气动噪声快速预测方法，包括以下步骤：
S1、建立单个圆柱杆件在自由来流条件下辐射的远场噪声理论模型，将受电弓当成不同来流角度和观察角度的杠杆组合，得到幅值系数，通过远场噪声理论模型和幅值系数得到整个受电弓的气动噪声预测理论模型；
S2、计算受电弓的气动噪声频谱，将受电弓的气动噪声频谱代入受电弓的气动噪声预测理论模型中并配合实验数据库得到气动噪声预测理论模型的各项系数；
S3、对受电弓的气动噪声预测理论模型的各项系数进行结果修正，得到最终的受电弓远场噪声预测结果。
进一步地：所述步骤S1中单个圆柱杆件在自由来流条件下辐射的远场噪声理论模型具体为：
Figure 525223DEST_PATH_IMAGE001
上式中，
Figure 823481DEST_PATH_IMAGE003
为单个圆柱杆件在自由来流条件下辐射的远场噪声理论模型，
Figure 210600DEST_PATH_IMAGE005
为空气密度，
Figure 580401DEST_PATH_IMAGE007
为音速，
Figure 408680DEST_PATH_IMAGE009
为来流速度，
Figure 205735DEST_PATH_IMAGE011
为声源和观察者之间的距离，
Figure 752254DEST_PATH_IMAGE013
为斯特劳哈尔数，
Figure 925746DEST_PATH_IMAGE015
为升力系数均方根，
Figure 936427DEST_PATH_IMAGE017
为圆柱长度，
Figure 340602DEST_PATH_IMAGE019
为展向参考长度，
Figure 436734DEST_PATH_IMAGE021
为圆柱直径，
Figure 148338DEST_PATH_IMAGE023
为指向性函数，
Figure 13525DEST_PATH_IMAGE025
为观察者相对于圆柱升力线的方位角，
Figure 90066DEST_PATH_IMAGE027
为圆柱等效迎角，
Figure 673494DEST_PATH_IMAGE029
为观察者与圆柱垂面相对于来流的夹角，M为来流马赫数。
进一步地：所述步骤S1中幅值系数为：
Figure 923210DEST_PATH_IMAGE030
上式中，
Figure 846166DEST_PATH_IMAGE032
为幅值系数，S为组成受电弓的每个杆件的总面积。
进一步地：所述步骤S1中整个受电弓的气动噪声预测理论模型为：
Figure 155925DEST_PATH_IMAGE033
上式中，
Figure 226649DEST_PATH_IMAGE035
为整个受电弓的气动噪声预测理论模型，
Figure 217739DEST_PATH_IMAGE037
为标准的归一化谱函数，且
Figure 57519DEST_PATH_IMAGE039
，f为分析频率，i为杆件编号。
进一步地：所述步骤S2中气动噪声频谱的计算公式为：
Figure 977327DEST_PATH_IMAGE040
上式中，
Figure 269768DEST_PATH_IMAGE042
为气动噪声频率，
Figure 64548DEST_PATH_IMAGE044
为涡脱落频率，
Figure 758835DEST_PATH_IMAGE046
为气动噪声全频域积分幅值控制参数，
Figure 348079DEST_PATH_IMAGE048
为带宽上限，
Figure 393396DEST_PATH_IMAGE050
为带宽下限。
进一步地：所述结果修正包括尺度修正L/D、基于圆柱尺寸的雷诺数修正、横截面形状修正和边缘倒角修正。
进一步地：所述尺度修正L/D的公式为：
Figure 788605DEST_PATH_IMAGE051
上式中，
Figure 275081DEST_PATH_IMAGE053
为未修正的杆件的幅值系数。
进一步地：所述基于圆柱尺寸的雷诺数修正的公式为：
Figure 363123DEST_PATH_IMAGE054
上式中，
Figure 630156DEST_PATH_IMAGE056
为雷诺数，
Figure 265275DEST_PATH_IMAGE058
为临界雷诺数。
进一步地：所述横截面形状修正包括椭圆截面杆件修正和矩阵截面杆件修正；
所述椭圆截面杆件修正的公式为：
Figure 668574DEST_PATH_IMAGE059
上式中，e为椭圆杆件特征参数；
所述矩阵截面杆件修正的公式为：
Figure 927517DEST_PATH_IMAGE060
上式中，
Figure 619530DEST_PATH_IMAGE062
为矩形杆件特征参数宽高比。
进一步地：所述边缘倒角修正的公式为：
Figure 356541DEST_PATH_IMAGE063
上式中，r为倒角半径，D为圆柱杆件直径。
本发明的有益效果为：1.本发明能快速预测声学风洞内高速列车受电弓模型气动噪声大小；2.本发明能快速预测声学风洞内高速列车受电弓模型气动噪声频谱；3.本发明提出的受电弓气动噪声机理能为低噪声受电弓设计提供思路；4.本发明提出的一系列修正方法能全部或部分应用于受电弓及其部件的风洞试验数据修正。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为不同风速下通过本方法预测的受电弓气动噪声结果与试验结果对比曲线图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，一种声学风洞内高速列车受电弓模型气动噪声快速预测方法，从受电弓主要构成为杆件这一特点出发，利用杆件涡脱落气动噪声理论模型，抓住各种不同角度、不同方位杆件的远场气动噪声特点，综合得出受电弓整体的远场气动噪声理论模型，再配合试验数据库，得到噪声预测模型的各项系数，最后通过针对具体受电弓模型的数据修正，主要包括尺度修正、雷诺数修正、横截面形状修正、边缘倒角修正等，得到最终的受电弓模型远场气动噪声预测结果。具体包括以下步骤：
S1、建立单个圆柱杆件在自由来流条件下辐射的远场噪声理论模型：
Figure 879927DEST_PATH_IMAGE064
上式中，
Figure 247454DEST_PATH_IMAGE003
为单个圆柱杆件在自由来流条件下辐射的远场噪声理论模型，
Figure 223500DEST_PATH_IMAGE005
为空气密度，
Figure 701886DEST_PATH_IMAGE007
为音速，
Figure 345357DEST_PATH_IMAGE009
为来流速度，
Figure 680524DEST_PATH_IMAGE011
为声源和观察者之间的距离，
Figure 848593DEST_PATH_IMAGE013
为斯特劳哈尔数，
Figure 927408DEST_PATH_IMAGE015
为升力系数均方根，
Figure 425385DEST_PATH_IMAGE017
为圆柱长度，
Figure 869136DEST_PATH_IMAGE019
为展向参考长度，
Figure 85353DEST_PATH_IMAGE021
为圆柱直径，
Figure 967859DEST_PATH_IMAGE023
为指向性函数，
Figure 258026DEST_PATH_IMAGE025
为观察者相对于圆柱升力线的方位角，
Figure 200574DEST_PATH_IMAGE027
为圆柱等效迎角，
Figure 638509DEST_PATH_IMAGE029
为观察者与圆柱垂面相对于来流的夹角，M为来流马赫数。
将受电弓当成一系列不同来流角度和观察角度的杠杆组合，得到单个圆柱杆件在自由来流条件下辐射的远场噪声幅值系数，
Figure 996809DEST_PATH_IMAGE065
上式中，
Figure 469378DEST_PATH_IMAGE032
为幅值系数，S为组成受电弓的每个杆件的总面积。则整个受电弓的气动噪声预测理论模型可写为：
Figure 317249DEST_PATH_IMAGE066
上式中，
Figure 678698DEST_PATH_IMAGE035
为整个受电弓的气动噪声预测理论模型，
Figure 903006DEST_PATH_IMAGE037
为标准的归一化谱函数，且
Figure 230082DEST_PATH_IMAGE039
，f为分析频率，i为杆件编号。
依据受电弓气动噪声预测的理论模型，结合数据库，拟合得到所有杆件的幅值系数，则整个受电弓的气动噪声幅值可以进行预测。
S2、计算受电弓的气动噪声频谱，将受电弓的气动噪声频谱代入受电弓的气动噪声预测理论模型中并配合实验数据库得到气动噪声预测理论模型的各项系数；
圆柱杆件的涡脱落噪声具有明显的单峰性质，由于杆件特性各异，部分峰值会非常接近，导致实际结果会呈现部分峰值噪声会具有一定频域带宽，因此峰值噪声的频率带宽会成为预测难点。其频谱具有如下特征：
Figure 452116DEST_PATH_IMAGE067
从单自由度质量弹簧系统频率响应公式中得到启发，给出了能保证噪声峰值足够带宽的数学模型来预测其噪声峰值，噪声峰值以涡脱落频率为峰值噪声的中间频率，带宽控制按照下式进行：
Figure 864642DEST_PATH_IMAGE068
允许带宽关于中心频率两侧不对称，用n1、n2分别控制其上、下限，则有：
Figure 627062DEST_PATH_IMAGE069
该式描述峰值频率时，以涡脱落频率
Figure 746328DEST_PATH_IMAGE044
为中心频率，允许n1不等于n2来控制其带宽上、下限，用参数
Figure 201580DEST_PATH_IMAGE046
来允许其幅值随动，幅值大小相对于宽频噪声分辨率不小于10dB。预测模型能准确的反映圆柱杆件涡脱落诱发远场噪声的频谱形态。
S3、对受电弓的气动噪声预测理论模型的各项系数进行结果修正，得到最终的受电弓远场噪声预测结果。
在具体预测受电弓模型气动噪声中，结果修正可从以下四个方面进行。
（1）尺度修正L/D
当圆柱长度与其直径比例发生变化时，其绕流形态也会发生变化，进而影响其辐射的远场气动噪声，尺度影响修正可采用如下公式进行：
Figure 39086DEST_PATH_IMAGE070
（2）基于圆柱尺寸的雷诺数修正
当流动雷诺数小于临界雷诺数时，流动为层流。继续增大雷诺数，流动慢慢向湍流转变。考虑到实际受电弓流动中很难出现纯粹的层流流动，雷诺数修正采用下述公式进行：
Figure DEST_PATH_IMAGE071
上式中，
Figure 605196DEST_PATH_IMAGE056
为雷诺数，
Figure 80434DEST_PATH_IMAGE058
为临界雷诺数。
（3）横截面形状修正
当杆件的截面不完全为圆形时，主要给出截面为椭圆和矩形两种杆件的修正方法。椭圆杆件特征参数取椭圆偏心率e，修正公式如下：
Figure 706587DEST_PATH_IMAGE072
矩形杆件特征参数取宽高比B/D，修正公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE073
（4）边缘倒角修正
杆件的边缘倒角修正主要针对矩形杆件，修正公式如下：
Figure 31389DEST_PATH_IMAGE074
上式中，r为倒角半径，D为圆柱杆件直径。
图2给出了不同风速下通过本方法预测的某现役动车组受电弓模型气动噪声结果与试验结果对比曲线。从图中可以看出，在整个测试速度范围内预测结果与试验结果吻合较好，总声压级误差小于1dB。

Claims (6)

1.一种声学风洞内高速列车受电弓模型气动噪声快速预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、建立单个圆柱杆件在自由来流条件下辐射的远场噪声理论模型，将受电弓当成不同来流角度和观察角度的杠杆组合，得到幅值系数，通过远场噪声理论模型和幅值系数得到整个受电弓的气动噪声预测理论模型；
S2、计算受电弓的气动噪声频谱，将受电弓的气动噪声频谱代入受电弓的气动噪声预测理论模型中并配合实验数据库得到气动噪声预测理论模型的各项系数；
S3、对受电弓的气动噪声预测理论模型的各项系数进行结果修正，得到最终的受电弓远场噪声预测结果；所述单个圆柱杆件在自由来流条件下辐射的远场噪声理论模型具体为：
Figure 628536DEST_PATH_IMAGE001
上式中，
Figure 505226DEST_PATH_IMAGE003
为单个圆柱杆件在自由来流条件下辐射的远场噪声理论模型，
Figure 327688DEST_PATH_IMAGE005
为空气密度，
Figure 657038DEST_PATH_IMAGE007
为音速，
Figure 855938DEST_PATH_IMAGE009
为来流速度，
Figure 587134DEST_PATH_IMAGE011
为声源和观察者之间的距离，
Figure 580498DEST_PATH_IMAGE013
为斯特劳哈尔数，
Figure 334827DEST_PATH_IMAGE015
为升力系数均方根，
Figure 134156DEST_PATH_IMAGE017
为圆柱长度，
Figure 657541DEST_PATH_IMAGE019
为展向参考长度，
Figure 155562DEST_PATH_IMAGE021
为圆柱直径，
Figure 397187DEST_PATH_IMAGE023
为指向性函数，
Figure 672311DEST_PATH_IMAGE025
为观察者相对于圆柱升力线的方位角，
Figure 378099DEST_PATH_IMAGE027
为圆柱等效迎角，
Figure 713265DEST_PATH_IMAGE029
为观察者与圆柱垂面相对于来流的夹角，M为来流马赫数；
所述幅值系数为：
Figure 504504DEST_PATH_IMAGE030
上式中，
Figure 583318DEST_PATH_IMAGE032
为幅值系数，S为组成受电弓的每个杆件的总面积；
整个所述受电弓的气动噪声预测理论模型为：
Figure 81295DEST_PATH_IMAGE033
上式中，
Figure 915259DEST_PATH_IMAGE035
为整个受电弓的气动噪声预测理论模型，
Figure 865898DEST_PATH_IMAGE037
为标准的归一化谱函数，且
Figure DEST_PATH_IMAGE039
，f为分析频率，i为杆件编号；
所述气动噪声频谱的计算公式为：
Figure 810720DEST_PATH_IMAGE040
上式中，
Figure 163204DEST_PATH_IMAGE042
为气动噪声频谱函数，
Figure 168069DEST_PATH_IMAGE044
为涡脱落中心频率，
Figure 606004DEST_PATH_IMAGE046
为气动噪声全频域积分幅值控制参数，
Figure 88938DEST_PATH_IMAGE048
为带宽上限，
Figure 561507DEST_PATH_IMAGE050
为带宽下限。
2.根据权利要求1所述的声学风洞内高速列车受电弓模型气动噪声快速预测方法，其特征在于，所述结果修正包括尺度修正L/D、基于圆柱尺寸的雷诺数修正、横截面形状修正和边缘倒角修正。
3.根据权利要求2所述的声学风洞内高速列车受电弓模型气动噪声快速预测方法，其特征在于，所述尺度修正L/D的公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE051
上式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE053
为未修正的杆件的幅值系数。
4.根据权利要求2所述的声学风洞内高速列车受电弓模型气动噪声快速预测方法，其特征在于，所述基于圆柱尺寸的雷诺数修正的公式为：
Figure 737274DEST_PATH_IMAGE054
上式中，
Figure 662504DEST_PATH_IMAGE056
为雷诺数，
Figure 949129DEST_PATH_IMAGE058
为临界雷诺数，
Figure 10626DEST_PATH_IMAGE053
为未修正的杆件的幅值系数。
5.根据权利要求2所述的声学风洞内高速列车受电弓模型气动噪声快速预测方法，其特征在于，所述横截面形状修正包括椭圆截面杆件修正和矩形截面杆件修正；
所述椭圆截面杆件修正的公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE059
上式中，e为椭圆杆件特征参数；
所述矩形截面杆件修正的公式为：
Figure 357294DEST_PATH_IMAGE060
上式中，
Figure 769821DEST_PATH_IMAGE062
为矩形杆件特征参数宽高比。
6.根据权利要求2所述的声学风洞内高速列车受电弓模型气动噪声快速预测方法，其特征在于，所述边缘倒角修正的公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE063
上式中，r为倒角半径，D为圆柱杆件直径。
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