一种基于高速列车远场噪声高精度仿真的车型选型方法技术

本发明专利技术涉及一种基于高速列车远场噪声高精度仿真的车型选型方法，包括以下步骤：S1)构建几何模型；S2)通过切割网格划分符合高速列车流场特征的网格；S3)建立远场噪声仿真模型；S4)根据噪声仿真模型进行稳态流动计算和瞬态流动计算；S5)设定声源面并采集噪声源数据；S6)进行高速列车远场噪声的仿真计算，得到多个噪声接收点的远场噪声，与现有技术相比，本发明专利技术具有精度高等优点。

A model selection method based on high-precision far-field noise simulation of high-speed train

【技术实现步骤摘要】
一种基于高速列车远场噪声高精度仿真的车型选型方法
本专利技术涉及列车远场噪声仿真方法，尤其是涉及一种基于高速列车远场噪声高精度仿真的车型选型方法。
技术介绍
高速列车高速运行带来了强的气动噪声，对车内乘坐舒适性和车外环境产生强的噪声干扰。正如何华武院士指出，“噪声和振动问题将制约我国高速列车进一步提速的瓶颈”。高速列车产生的气动噪声传到车外会给沿线居民的生活和工作带来巨大干扰，是我国和国外法律法规要严格控制的环境污染之一。随着高速铁路建设已由“四纵四横”向“八纵八横”迈进，加之高铁线路沿线的开发，高速列车远场噪声的控制将会变得越来越重要。如何快速准确仿真远场噪声将成为当前急需解决的问题。传统通过直接数值模拟进行气动噪声仿真从理论上是可行的，但是他要求巨大的计算资源，是当前计算能力和时间所不允许的。基于声类比方法是当前用于高速列车气动噪声仿真的唯一方法，这种方法不仅从理论上还是实际操作都是基本可行。然而从当前公开资料来看，总体仿真精度不高。大多数仿真结果都缺乏试验验证，极个别有试验验证的仿真结果也是量值差异较大，频谱差异明显。有模型和网格构建不合理，也有计算设置和评价不合理等多方面原因。专利CN108009344A公开了一种列车远场气动噪声仿真的方法，包括根据列车的相关参数，构建多种三车编组列车模型，并由此构建气动噪声源文件及网络文件，以实现列车整车远场气动噪声仿真。从该专利公开内容可以看出，该方法基于FLUENT平台，靠近列车区域采用四面体网格，远离列车区域采用六面体网格，两者间采用五面体进行过渡。稳态采用标准k-ε湍流模型，瞬态采用大涡模拟和较早且较简单的涡粘亚格子模型。给出声压级频谱曲线波动巨大，中低频段约20dB，高频段约40dB，这与真实情况相差较大。总之，该方法远场噪声仿真精度较差，且无试验结果支撑，另外由于FLUENT平台对网格质量要求高，更多适用于较为简单的高速列车模型，显然并不适用于复杂高速列车模型和高精度要求。当前高速列车选型或优化时，外形改动都很小，这些改动导致远场噪声变化均不大。有明显差异的头型，可能远场噪声相差小于2dB。某些部件的优化，比如导流罩形状优化或改变转向架裙板，可能远场噪声相差小于1.5dB。现有技术和方法显然无法实现这样的选型或优化，急需有更高精度的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷，改进仿真模型和湍流模型，而提供一种适用于符合高精度选型要求，提升高速列车性能的基于高速列车远场噪声高精度仿真的车型选型方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于高速列车远场噪声高精度仿真的车型选型方法，该方法根据对不同车型列车的远场噪声仿真测试结果，完成车型的优化选型，所述的列车远场噪声仿真测试包括以下步骤：S1)构建几何模型；S2)通过切割网格划分符合高速列车流场特征的网格；S3)建立远场噪声仿真模型；S4)根据噪声仿真模型进行稳态流动计算和瞬态流动计算；S5)设定声源面并采集噪声源数据；S6)进行高速列车远场噪声的仿真计算，得到多个噪声接收点的远场噪声。进一步地，所述的几何模型包括高速列车模型、轨道、路基和虚拟风洞，在仿真模型建立时首次考虑路基和轨道，一方面能够更真实复现列车在实际线路情况，另一方面能够建立与风洞试验相一致的模型，所述的高速列车模型包括依次连接形成车身的头车、中间车和尾车以及设置于车身上的转向架、车厢连接处和受电弓，所述的中间车处于高速列车模型的平直段，所述的头车和尾车分别包括依次过渡的鼻尖、曲线段和平直段。进一步地，所述的步骤S2)具体包括：S201)创建模拟高速列车表面的边界层网格；S202)在流动大分离区域划分面网格和体网格；S203)采用由车身向外渐进增长的方式，创建空间体网格；S204)创建网格加密区。采用数值误差更小的切割网格划分技术，实现更小网格尺寸和更低数值耗散，避免流场脉动的不合理衰减。更进一步地，所述的流动大分离区域包括头车和尾车的曲线段、转向架、受电弓和车厢连接处，所述的空间体网格包括轨道体网格、路基体网格和虚拟风洞体网格。更进一步优选地，所述的流动大分离区域中的面网格根据各部件的尺寸大小确定，且均小于3mm。更进一步优选地，所述的轨道的面网格小于3mm，所述的路基的面网格小于6mm，所述的虚拟风洞的面网格小于48mm。进一步地，所述的步骤S3)具体包括：S301)设定边界条件；S302)设定稳态仿真的湍流模型和瞬态仿真的湍流模型；S303)设定时间数值格式和空间数值格式，并给定时间步长和迭代步数。进一步优选地，所述的边界条件包括虚拟风洞进口、虚拟风洞出口、虚拟风洞两侧、虚拟风洞顶面、虚拟风洞地面、路基、轨道和列车表面；所述的虚拟风洞进口根据试验风速和来流湍流度设定，或根据列车车速和对应湍流度设定；所述的虚拟风洞出口设定为自由出流或相对压力为0Pa的压力出口；所述的虚拟风洞两侧和虚拟风洞顶面设定为对称边界，以避免边界层增长导致试验段产生逆压梯度；所述的虚拟风洞地面、路基、轨道和列车表面均设定为无滑移壁面，设定较小的粗糙度。进一步优选地，所述的稳态仿真的湍流模型为k-ωSST(shearstresstransport)，所述的瞬态仿真的湍流模型为WLES(LargeEddySimulation+WallAdaptingLocalEddyViscosity)。其中，WALE(WallAdaptingLocalEddyViscosity)模型与传统模型相比，对系数取值不敏感，并且在近壁面不要求任何阻尼，提高在壁面附近的预测精度。稳态仿真和瞬态仿真下，所述的时间和空间数值格式均至少为二阶格式。进一步地，所述的步骤S5)具体包括：S501)设定车身表面或车身表面附近创建的一个内部面为声源面；S502)在流场进入动态稳定后，采集设定时间的噪声源数据，所述的设定时间t大于流动时间，所述的流动时间为车长与车速的比值。进一步地，所述的远场噪声通过FW-H(FfowcsWilliams&Hawkings)方程进行仿真，得到所有噪声接收点的平均总声压级和对应声压级频谱。所述的多个噪声接收点设置于与车身相距至少六倍车高处，形成噪声接收点阵列；在高度方向上，所述的噪声接收点阵列为多排不同高度的噪声接收点；在流动方向上，所述的噪声接收点阵列中首个噪声接收点正对头车的鼻尖，末个噪声接收点正对中间车和尾车之间的车厢连接处或尾车的鼻尖，其他噪声接收点等间距设置于首个噪声接收点和末个噪声接收点之间。步骤S6)中完成远场噪声的计算后，通过远场噪声风洞试验，比较同一噪声接收点的试验和仿真的频谱曲线以及所有噪声接收点总声压级的仿真值与试验值之间的误差，表明本专利技术仿真方法具有高精度。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1)本专利技术在仿真模型建立时首次考本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于高速列车远场噪声高精度仿真的车型选型方法，该方法根据对不同车型列车的远场噪声仿真结果，完成车型的优化选型，其特征在于，所述的列车远场噪声仿真包括以下步骤：/nS1)构建几何模型；/nS2)通过切割网格划分符合高速列车流场特征的网格；/nS3)建立远场噪声仿真模型；/nS4)根据噪声仿真模型进行稳态流动计算和瞬态流动计算；/nS5)设定声源面并采集噪声源数据；/nS6)进行高速列车远场噪声的仿真计算，得到多个噪声接收点的远场噪声。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于高速列车远场噪声高精度仿真的车型选型方法，该方法根据对不同车型列车的远场噪声仿真结果，完成车型的优化选型，其特征在于，所述的列车远场噪声仿真包括以下步骤：
S1)构建几何模型；
S2)通过切割网格划分符合高速列车流场特征的网格；
S3)建立远场噪声仿真模型；
S4)根据噪声仿真模型进行稳态流动计算和瞬态流动计算；
S5)设定声源面并采集噪声源数据；
S6)进行高速列车远场噪声的仿真计算，得到多个噪声接收点的远场噪声。


2.根据权利要求1所述的一种基于高速列车远场噪声高精度仿真的车型选型方法，其特征在于，所述的几何模型包括高速列车模型、轨道、路基和虚拟风洞，所述的高速列车模型包括依次连接形成车身的头车、中间车和尾车以及设置于车身上的转向架、车厢连接处和受电弓，所述的中间车处于高速列车模型的平直段，所述的头车和尾车分别包括依次过渡的鼻尖、曲线段和平直段。


3.根据权利要求2所述的一种基于高速列车远场噪声高精度仿真的车型选型方法，其特征在于，所述的步骤S2)具体包括：
S201)创建模拟高速列车表面的边界层网格；
S202)在流动大分离区域划分面网格和体网格；
S203)采用由车身向外渐进增长的方式，创建空间体网格；
S204)创建网格加密区。


4.根据权利要求3所述的一种基于高速列车远场噪声高精度仿真的车型选型方法，其特征在于，所述的流动大分离区域包括头车和尾车的曲线段、转向架、受电弓和车厢连接处，所述的空间体网格包括轨道体网格、路基体网格和虚拟风洞体网格。


5.根据权利要求4所述的一种基于高速列车远场噪声高精度仿真的车型选型方法，其特征在于，所述的流动大分离区域中的面网格根据各部件的尺寸大小确定，且均小于3mm。


6.根据权利要求4所述的一种基于高速列车远场噪声高精度仿真的车型选型方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：李启良，李卓明，贾尚帅，张文敏，陈羽，王毅刚，杨志刚，
申请(专利权)人：同济大学，中车唐山机车车辆有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31