[发明专利]基于SNGR方法的高速列车气动噪声计算方法

说明书

本发明提供一种基于SNGR方法的高速列车气动噪声计算方法。本发明包括：建立高速列车计算流体动力学模型；基于建立的高速列车计算流体动力学模型，求解高速列车周围稳态流场；基于稳态速度场，合成湍流速度场，构造与时间相关湍流速度场序列；求解声波动方程，得出声源项；将求解的声源项代入FW‑H方程，求解高速列车对外辐射噪声。本发明相对于现有的基于大涡瞬态计算气动噪声计算相比，不需要进行耗时耗资源的大涡瞬态计算，而只进行高速列车稳态计算，利用稳态解合成构造湍流速度场，并用来预测高速列车气动噪声。本发明可以克服原有方法计算瞬态流场的耗时长、浪费资源的弊端，快速高效预测分析高速列车气动噪声，节省的时间及资源。

技术领域

本发明涉及高速列车技术领域，尤其涉及一种基于SNGR方法的高速列车气动噪声计算方法。

背景技术

随着高速列车运行速度超过300km/h，高速列车气动噪声已超过轮轨噪声成为主要噪声源，高强度气动噪声向车内传播，严重影响车辆乘坐舒适性，同时造成很强的路边噪声污染，所以计算分析控制高速列车气动噪声是高速列车研制及运营过程中的重要问题之一。

现有技术多通过计算高速列车周围稳态流场、以稳态流场做为初始值，用大涡模拟计算高速列车瞬态流场、以瞬态流场数据为噪声源数据，基于Lighthill声模拟理论用FW-H方程计算高速列车对外辐射的气动噪声。这种方法是目前计算高速列车最普遍使用的方法，还有其它各种方法，但不论哪种方法，都需要计算高速列车周围瞬态流场，然后基于瞬态流场数据计算高速列车气动噪声。高速列车周围流场瞬态计算需要耗费大量计算时间和计算资源，高速列车气动噪声计算主要是周围流场的瞬态计算。

以3车编组高速列车气动噪声计算为例，计算精度较好的最低网格数量需大于2000万个单元，CFD要计算5000Hz范围内的气动噪声，至少需要计算3500个时间步，在128G内存的普通工作站需要计算24小时。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种基于SNGR(随机噪产生及传播，StochasticNoise Generation and Radiation method)方法的高速列车气动噪声计算方法。本发明采用的技术手段如下：

一种基于SNGR方法的高速列车气动噪声计算方法，包括如下步骤：

步骤1、建立高速列车计算流体动力学模型；

步骤2、基于建立的高速列车计算流体动力学模型，求解高速列车周围稳态流场，即求解稳态三维雷诺平均方程，得到流场的关键物理量，其包括流场的密度、速度、静压以及湍动能和湍流耗散率；

还包括：步骤3、基于稳态速度场，合成湍流速度场，构造与时间相关湍流速度场序列，即将每个时刻t的速度表示成N个傅里叶模态之和；

步骤4、求解以密度ρ为变量的声波动方程，得出声源项；

步骤5、将求解的声源项代入FW-H方程，求解高速列车对外辐射噪声。

进一步地，所述高速列车计算流体动力学模型的建立包括高速列车表面几何修理、确定计算域、划分网格、定义边界条件。

进一步地，所述构造与时间相关湍流速度场序列具体公式如下：

式中，t为时间，x为位置向量，N为模态数，u_n、Ψ_n、σ_n和ω_n分别为第n个傅里叶模态幅值、相位、方向和角频率，k_n为波数；

第n个模态幅值用下式计算：

式中，E(k_n)为湍流动能谱，计算E(k_n)需要湍动能和湍流耗散率，二者从步骤2雷诺方程的稳态解获得。