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高速动车组受电弓气动噪声产生机理及分布特性研究

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摘要

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 理论研究

1.2.2 试验研究

1.2.3 数值研究

1.3 本文研究内容

第2章 高速动车组受电弓气动噪声理论分析

2.1 流场中的声源类型

2.2 声学参数

2.3 流体力学基本方程

2.4 气动声学基本方程

2.4.1 Lighthill方程

2.4.2 Lighthill—Curle方程

2.4.3 FW-H声学类比方程

2.5 噪声及其评价标准

2.5.1 噪声的概念及特点

2.5.2 噪声的危害

2.5.3 噪声的频谱分析

2.5.4 噪声评价

2.6 本章小结

第3章 高速动车组受电弓气动噪声仿真模型

3.1 湍流的数值模拟方法

3.1.1 直接模拟法

3.1.2 雷诺时均方程法

3.1.3 大涡模拟法

3.1.4 湍流的数值模拟方法的选取

3.2 气动声学的数值模拟方法

3.2.1 计算气动声学方法

3.2.2 声类比方法

3.2.3 基于稳态RANS噪声源模拟

3.2.4 CFD与声学求解器耦合

3.2.5 气动声学数值模拟方法的选取

3.3 高速动车组受电弓气动噪声的仿真分析流程

3.4 高速动车组受电弓气动噪声的仿真分析物理模型

3.4.1 受电弓模型

3.4.2 求解区域的选取

3.4.3 模型网格的划分

3.4.4 流体属性的设置

3.4.5 初始条件和边界条件

3.4.6 求解器设置

3.5 本章小结

第4章 高速动车组受电弓近场气动噪声仿真分析

4.1 高速动车组受电弓稳态仿真结果

4.2 高速动车组受电弓表面脉动压力分析

4.3 高速动车组受电弓近场气动噪声频谱分析

4.4 本章小结

第5章 高速动车组受电弓远场气动噪声仿真分析

5.1 声辐射的数值分析方法

5.1.1 边界元法

5.1.2 Helmholtz边界积分方程

5.1.3 直接边界元法

5.1.4 间接边界元法

5.2 高速动车组受电弓远场气动噪声分析

5.2.1 远场气动噪声监测点布置

5.2.2 远场气动噪声频谱分析

5.2.3 远场气动噪声A计权分析

5.2.4 远场气动噪声总声压级分析

5.3 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

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摘要

高速铁路噪声主要包括轮轨噪声、电气噪声和气动噪声三大类。列车运行速度大于300km/h时,所产生的气动噪声将超过轮轨噪声,成为高速列车的主要噪声源。气动噪声主要源于列车与空气流相互之间的力学作用,当列车在高速行驶时,气流将在杆状结构的受电弓周围形成显著的绕流现象,最终诱发很大的气动噪声。随着列车的不断提速,气动噪声问题也将越来越严重。本文以流体力学和声学的基本理论为基础,采用数值模拟方法对高速动车组受电弓气动噪声进行了研究。通过研究高速动车组受电弓气动噪声的产生机理和分布特性,为高速动车组整体的气动噪声预测提供重要理论参考依据。主要内容及结论包括:
  (1)根据流体力学和声学理论知识,阐述了相关气动噪声计算研究的理论基础,分析了高速动车组气动噪声的声源类型、噪声特性及评价标准。
  (2)利用CATIA三维建模软件,建立高速动车组受电弓、绝缘子、底座及外部空间在内的气动噪声数值分析模型。采用大涡模拟法,利用ANSYS Fluent软件,对高速动车组受电弓近场气动噪声进行了研究,分析了受电弓表面各监测点在不同速度下的气流场分布、稳态压力、脉动压力、频谱特性等。结果表明:受电弓表面附近流场变化非常复杂,气流在受电弓结构尾部形成的脱落涡引起剧烈的压力脉动;受电弓表面稳态压力随列车运行速度提高明显增大,各监测点的脉动压力幅值也随之增大;受电弓近场气动噪声分布于很宽的频带内,没有明显的主频率,属于宽频噪声,能量主要集中在低频部分。
  (3)采用边界元法对高速动车组受电弓远场气动噪声进行仿真分析。结果表明:高速动车组受电弓远场气动噪声频谱范围主要集中在200Hz~1600Hz,其它频段的噪声能量较小;受电弓各监测点总声压级强度与列车运行速度成正比;各监测点到受电弓的距离与总声压级成反比;距离受电弓中心较远的监测点,监测点的高度对总声压级强度基本无影响;随着列车运行速度的增大,距离受电弓中心侧方25m、距离地面高3.5m处的监测点声压级强度依次增大;距离受电弓运行中心前、后方各10m处的两监测点,运行前方监测点的总声压级比运行后方的监测点总声压级稍大1~2dB左右。

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