西门子高速列车不同受电弓系统气动噪声特性分析.pdf
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高速列车不同受电弓系统气动噪声特性分析
姚永芳
1
，孙振旭，刘 文，杨国伟
(中国科学院力学研究所流固耦合与系统力学重点实验室，北京市海淀区 100190)
摘 要：受电弓诱发气动噪声是高速列车重要的气动噪声源，对安装于高速列车不同受电弓外
形在 350km/h 运行速度下诱发气动噪声进行特性分析。通过搭建受电弓和车厢风洞模型，采用
大涡模拟（LES）计算外部瞬态流场。通过直接边界元法（DBEM）将脉动压力转化为气动噪
声，对比分析受电弓平整安装和下沉安装时，车厢的近场和远场气动噪声频谱特性和分布规律，
同时对比升弓和降弓在两种情形下的特性差异。结果表明：1) 受电弓下沉安装时气动噪声性能
较平整安装更好；2) 降弓诱发气动噪声在同等情形下比升弓更大。
关键词：高速列车；受电弓；气动噪声；大涡模拟；声学边界元
Analysis of aerodynamic noise characteristics of high-speed
train with different electric bow systems
Yao Y F,Sun Z X, Liu W, Yang G W
（key laboratory for mechanics in fluid solid coupling systems, institute of mechanics, Chinese Academy of
Sciences, Beijing, China）
Abstract: The aerodynamic noise of high speed train at the speed of 350km/h is simulated. The
pantograph and the carriage wind tunnel model are built, and using large eddy simulation (LES) to
calculate the external transient flow field. The pulsating pressure has the characteristics of the dipole
sound source, which is converted to aerodynamic noise by the direct boundary element method
(DBEM). The spectrum characteristics and distribution of near field and far-field aerodynamic noise
of pantograph are compared in the flat installation and sinking installation. At the same time, the
characteristics between the dropping and rising bow are compared. The results show that: 1)
aerodynamic noise performance is better when pantograph sinks; 2) the aerodynamic noise induced by
the falling bow is larger than the pantograph installed ordinarily under the same condition.
Key words: high-speed train; pantograph; aerodynamic noise; large eddy simulation; acoustic
boundary element
作者简介：姚永芳, 女，云南昭通人，博士，研究方向：高速列车空气动力学、高速列车室内外噪声、气
动外形优化. E-mail:yaoyongfang@imech.ac.cn
0 引言
已有的研究成果表明：当高速列车运行速度超过 250km/h ,气动噪声则与列车运行速度的六
次方成正比。气动噪声超过牵引噪声和轮轨噪声占据主导位置。随着列车的高速化发展，气动
噪声对室外环境友好性带来很大威胁。因此，对高速列车气动噪声产生的关键部位进行研究，
探究其诱发的气动噪声特性，有针对性采取措施达到减弱高速列车气动噪声对环境的影响有重
要意义。
目前，国内外学者对于高速列车室外气动噪声进行了相关研究。朱剑月和孙艳军等的研究
表明，高速列车气动噪声源主要处于受电弓、转向架及车头尾[1-2]。Xiao 和刘加利等研究了高
速列车车头表面气动噪声源的频谱特性，同时结合大涡模拟与 FW-H 声学模型分析了远场气动
噪声的分布规律[3-4]；孙振旭等[5]分别采用非线性声学求解方法（NLAS）和 FW -H 方程对简
化 CRH3 型高速列车近场与远场的气动噪声特性进行分析，并对关键部位的噪声水平进行了综
合评估。KITAGAWA T 和 NAGAKURA K 等通过对实验分析表明，受电弓和转向架产生的气动
噪声是高速列车路边噪声主要来源[6-7]。Noger 通过风洞实验测试发现受电弓背部垂直面是非
常重要的噪声源区域[8]; Iwamoto 结合理论研究和现场试验结果分析，提出降低受电弓气动噪
声的方法[9]; King 采用偶极子点声源描述受电弓漩涡脱离所导致的气动噪声，发现受电弓远场
气动噪声与车速的对数近似成线性关系[10];Takaishi 利用大涡模拟和涡声理论数值模拟了转向
架和受电弓表面的偶极子噪声源分布[11-12]; Yoshiki 利用格子 Boltzmann 方法对受电弓气动噪
声进行计算，计算结果与风洞试验结果吻合较好[13];
综上所述可以看到：目前对于高速列车气动噪声的研究主要集中于两个方面：1）关键气动
噪声源的确认，定性认识不同噪声源部位对于高速列车气动噪声的影响；2）对不包含受电弓、
转向架、导流罩等复杂结构的简化车型进行整体气动噪声分析，探究车体头、尾及车厢连接方
式等对气动噪声的影响。但是对于极易引发气动噪声的受电弓、转向架等复杂部位所产生的气
动噪声特性探究还没有得到较为共性的结论。本文拟结合大涡模拟和声学边界元方法的高速列
车受电弓诱发气动噪声特性进行分析，并对比不同受电弓系统诱发气动噪声的频谱特性和空间
分布规律，旨在为高速列车受电弓兼顾气动特性和噪声特性进行合理选取时提供基本参考。
1 计算方法和计算模型
气动声学分析方法主要有直接法和混合求解法。直接法即在一个较大区域内，包含近场声
源以及远场区域，统一采用高精度数值分析方法求解流场和声场方程。直接法包括直接数值模
拟(DNS)、大涡模拟(LES)、脱体涡模拟(DES)等。但由于声场与流场存在尺度和能量上的差异，
声压相对于流场宏观量极小，需要采用高阶精度、低耗散、低色散的离散格式来保证求解精度，
这给直接求解带来的极大难度，高速列车外形其复杂，应用更加困难。因而当前针对高速列车
气动噪声求解采用混合求解方法。混合求解法将气动噪声计算拆分成声源求解和声传播求解两
部分，即近场区域和远场区域。
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