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：

上式中，

进一步地：所述步骤S1中幅值系数为：

上式中，

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：

上式中，

进一步地：所述步骤S2中气动噪声频谱的计算公式为：

上式中，

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：

上式中，

进一步地：所述基于圆柱尺寸的雷诺数修正的公式为：

上式中，

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：

上式中，

所述矩阵截面杆件修正的公式为：

上式中，

进一步地：所述边缘倒角修正的公式为：

上式中，

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：

上式中，

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，得到幅值系数，

上式中，

上式中，

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：

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：

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：

该式描述峰值频率时，以涡脱落频率

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：

（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：

上式中，

（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：

（4）边缘倒角修正

矩形杆件特征参数取宽高比B/D，修正公式如下：

杆件的边缘倒角修正主要针对矩形杆件，修正公式如下：

上式中，

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。