高速列车受电弓气动噪声仿生控制试验及数值模拟研究

【摘要】近年来，随着高速列车运行速度的提高，噪声问题已经成为制约高铁进一步发展的重要因素。受电弓作为高速列车的受流装置置于列车顶部，在高速状态下会产生强烈的空气动力性噪声。降低高速列车受电弓的气动噪声已成为相关企业及研究机构重点关注的课题。本文以受电弓重要组成部件——杆件为研究对象，以鸮翼前缘锯齿结构为仿生模本，探索了圆柱杆件和四棱柱杆件气动噪声的仿生控制方法与控制机理，并在高速列车受电弓上开展了应用试验研究。本文在课题组开展的低噪声飞行的鸟类如长耳鸮、短耳鸮等仿生研究的基础上，开展了圆柱杆件和四棱柱杆件的仿生流动控制减阻降噪的研究。在圆柱杆件表面设置O型凸环、螺旋箍条，对四棱柱杆件进行打孔，加工出了O型凸环杆件、螺旋箍条杆件和打孔棱柱杆件。在中国航天空气动力技术研究院的FD-09低速风洞中，应用脉动压力测量系统和麦克风相阵列噪声识别系统，对比研究了14、28、42、56m/s四个风速下，光滑杆件及仿生杆件表面的脉动压力及气动噪声。气动噪声测量结果表明：与外径60mm的光滑圆柱杆件相比，在14m/s时，O型凸环杆件和螺旋箍条杆件模型的气动噪声无论在低频还是在高频区域都有显著降低；在28m/s时，O型凸环杆件模型的气动噪声在中高频区域都有明显降低，而螺旋箍条杆件在1602~2500Hz频率范围内降低显著；在42m/s时，O型凸环杆件模型的气动噪声在低频区域明显降低，其它区域不明显，螺旋箍条杆件模型只在2500Hz左右频率范围内的声压级明显低于光滑圆柱杆件；在56m/s时，O型凸环杆件的声压级在250Hz以下略有降低，在高频区域明显降低，螺旋箍条杆件的声压级几乎在整个频率范围内都低于光滑圆柱杆件。对外径60mm光滑圆柱杆件、O型凸环杆件和螺旋箍条杆件模型表面的脉动压力测量结果显示：与光滑圆柱杆件相比，在风速14m/s时，O型凸环杆件和螺旋箍条杆件8个测点的总脉动压力均明显降低，O型凸环杆件最大可降低10.04dB，螺旋箍条杆件最大降低13.04dB；在28m/s时，O型凸环杆件最大降低2.58dB，螺旋箍条杆件最大降低4.93dB；在42m/s时，O型凸环杆件模型表面的脉动压力最大比光滑圆柱杆件降低2.04dB，螺旋箍条杆件最大降低2.21dB；在56m/s时，O型凸环杆件最大降低17.13dB，螺旋箍条杆件最大降低17.44dB；采用大涡模拟和FW-H方程在均匀来流56m/s和106m/s条件下对仿生杆件和原杆件的气动力学和气动声学性能进行了数值模拟对比分析。与光滑圆柱杆件相比，O型凸环杆件和螺旋箍条杆件模型的总声压级均明显降低。O型凸环杆件和螺旋箍条杆件的升力系数和声压的波动幅度在两个风速条件下均小于光滑圆柱杆件，且波动的频率也明显降低。压差阻力比较结果显示，O型凸环杆件和螺旋箍条杆件的压差阻力在总阻力中的比重与光滑圆柱杆件相比均有所下降。除O型凸环杆件在56m/s时的总阻力大于光滑圆柱杆件以外，其它情况下O型凸环杆件和螺旋箍条杆件的总阻力均明显降低。流场分析结果显示，O型凸环杆件和螺旋箍条杆件的边界层分离点明显后移，尾流涡的尺度也比光滑圆柱杆件的小，且漩涡脱落频率明显降低，分离剪切层向湍流的转变得到有效抑制，尾流涡的波动幅度明显减小。打孔四棱柱杆件的总声压级在两个风速条件下均明显低于光滑四棱柱杆件模型。总阻力也显著降低，且压差阻力在总阻力中的比重也明显低于光滑四棱柱杆件。通过杆件模型的速度矢量图和尾流涡量云图的对比可以看出，相比于光滑四棱柱杆件，打孔四棱柱杆件的通孔单元体使杆件的阻力明显降低，对于升力的波动也有很好的平衡作用，降低了升力的波动幅度，且使尾流的流动状态更加稳定，延缓了层流向湍流转变并卷绕生成漩涡的过程，降低了尾流涡的脱落频率，从而降低了杆件的气动噪声。在杆件仿生流动控制降噪技术基础上，选取某型号单臂式受电弓进行仿生设计，在风速56m/s、1/3倍频程、中心频率为800Hz时的气动声源识别云图显示：仿生受电弓的弓头处噪声强度和辐射范围都有所降低，臂杆处的噪声能量也分布更加均匀。闭口时受电弓各部分对气流的扰动明显小于开口时的情况，相应的噪声源辐射范围也明显缩小，声压级也显著降低。
【作者】王文强；
【导师】张成春；
【作者基本信息】吉林大学，农业机械化工程，2014，硕士
【关键词】仿生；受电弓；气动噪声；流动控制；风洞试验；数值模拟；

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