基于降噪的CFRP受电弓导流罩优化设计分析

在前期研究成果的基础上，首先对CFRP受电弓导流罩的气动噪声机理进行了分析；然后，基于降噪理论，选取了9个噪声监测点，对CFRP受电弓导流罩进行气动噪声数值模拟，对比分析了两种不同方案的导流罩结构在100～8000Hz声压级下不同的测点声压级、1，3倍频程声压级和1，3倍频下A计权声压级．研究结果表明：低频段区域，导流罩结构B和导流罩结构E噪声水平相差不大；高频段区域，导流罩结构E的降噪效果整体上优于导流罩结构B。基于该文的研究方法设计出的低噪声CFRP受电弓导流罩结构对未来导流罩的T程化运用具有一定的指导意义。

不同导流罩作用下高速列车受电弓气动特性分析

采用雷诺时均法对安装不同导流罩的高速列车受电弓流场进行数值模拟,研究在不同运行速度及4种导流罩作用下受电弓的气动特性,分析流线、压力场、速度场、气动力系数和气动抬升力等的变化规律。结果表明:导流罩装置能够对受电弓流场产生显著影响,通过改变气流的方向和速度使受电弓表面压力发生变化,起到降低受电弓气动阻力和升力的效果。结构设计差异使不同导流罩对受电弓空气动力学的影响差异显著,同时导流罩自身受到不可忽略的气动力,可能使导流罩和受电弓整体的总气动阻力和升力相比无导流罩情况大幅增加。导流罩能够使受电弓气动抬升力发生明显改变,同样类型的导流罩可能对气动抬升力产生差异显著的影响。

高速列车受电弓导流罩气动噪声特性分析

针对高速列车受电弓区域气动噪声问题,采用大涡模拟和FW-H声学模型重点对列车在250 km/h、350 km/h运行时受电弓导流罩气动噪声进行数值模拟,建立了车体+受电弓导流罩的计算模型,分析导流罩表面偶极子声源分布和气动噪声频谱特性。研究结果表明:350 km/h下导流罩表面气动噪声整体大于250 km/h;两种速度下导流罩表面偶极子声源分布规律在频域表现一致:在高频阶段声压级明显低于低频阶段,5000 Hz下最大声压级仅为20 Hz下的40%;导流罩表面最大声压级都诱发于凹腔与后引导面的过渡处,20 Hz下分别可达136 dB、143 dB。此外,导流罩近场和远场气动噪声频谱曲线相似,均是一种宽频噪声,且能量主要集中在150~950 Hz,对后续更高速级列车受电弓导流罩降噪结构设计和隔声材料的选取有一定实际参考意义。

导流罩头型对受电弓气动阻力的影响

为了优化列车高速运行时受电弓周围的气动性能,降低受电弓在高速运行时受到的空气阻力,设计了椭球面、导动面、双拱曲面3种不同头型的导流罩,并设定列车为稳态运行,基于RANS法对不同头型导流罩的高速列车进行了数值模拟,通过计算,对比分析了不同头型导流罩的受电弓气动阻力,研究结果表明:在受电弓区域设置导流罩后,改善了受电弓下部的流场结构,减小了受电弓前后的压差阻力,进而减小了受电弓的气动阻力;椭球面、导动面、双拱曲面导流罩分别减小了受电弓气动阻力的31.89%、37.46%、43.94%。因此,双拱曲面导流罩对受电弓的减阻效果最显著。

导流罩对受电弓气动噪声影响的风洞试验研究

受电弓是高速列车顶部最主要的气动噪声源,合理的导流罩设计是降低受电弓气动噪声的重要方法。通过声学风洞试验的方法,研究缩比模型导流罩对高速列车受电弓气动噪声的影响,采用远场麦克风及声阵列,给出了风速范围为200～250 km·h^(-1)时的升弓、降弓状态下,受电弓和加装导流罩的远场气动噪声频谱、主要噪声源位置、强度和对应频带范围。研究表明,受电弓气动噪声为宽频带噪声,中频噪声源位于受电弓区域后部近车体位置,中高频、高频噪声源对应弓头和支座区域;升弓状态下,导流罩增大了弓头区域的气动噪声能量,在降弓状态下,导流罩减小了弓头和支座的噪声水平。

碳纤维复合材料受电弓导流罩降噪优化设计

随着高速铁路的发展和列车运行速度的提高,高速铁路沿线以及高速列车内部的噪声问题越来越严重。针对车顶受电弓噪声的降噪方法进行了探讨,对现有导流罩结构改进优化,设计出新型受电弓导流罩结构,有效地降低了受电弓噪声,并采用碳纤维复合材料对导流罩结构进行铺层设计,使得结构达到了减重和强化的目的。

受电弓安放位置与导流罩嵌入车体高低的气动噪声特性

为研究高速列车受电弓安放位置和受电弓导流罩嵌入车体高低对气动噪声的影响,基于计算声学理论,建立高速列车气动噪声模型。高速列车模型采用四节编组,包括头车、两节中间车和尾车。受电弓分别安放于02车一位端、02车二位端和03车一位端,并考虑受电弓的开/闭口方式。研究结果表明:沿列车长度方向,受电弓分别安放在02车一位端、02车二位端、03车一位端的受电弓导流罩区域的气动噪声最大声压级呈减少趋势,且这种减小趋势与受电弓开闭口方式无关;受电弓导流罩安放在同一位置时,受电弓以闭口方式运行的受电弓导流罩区域声压级均小于开口方式,最大声压级相差1.1 dBA;采用dlz3模型(受电弓导流罩与车顶表面平齐)的气动噪声性能最优,最大声压级减小2.3 dBA。

高速列车受电弓导流罩的设计及验证

介绍高速列车受电弓导流罩的结构形式和作用,研究受电弓导流罩受力工况,并进行仿真计算分析和试验验证。通过仿真计算确定设计方案,通过试验验证,证明受电弓导流罩满足高速列车的运用要求。

高速动车组受电弓导流罩多学科优化设计

受电弓导流罩是改善高速动车组气动性能的重要部件。为降低高速动车组受电弓导流罩区域的气动阻力,基于DOE(实验设计)方法对优化空间均匀采样,进行了涉及气动性能、结构强度等性能指标的多学科优化设计;然后借助NCGA(多目标优化遗传算法)建立近似模型,寻求气动阻力、结构强度综合性能最佳的导流罩结构。结果表明,最佳受电弓导流罩方案的整车气动阻力比初始方案降低5%,同时压力、变形满足设计要求。

橫风作用下导流罩高度对受电弓气动特性影响

建立接触网-受电弓-导流罩-列车整体模型,基于分离涡模拟方法,研究了橫风作用时不同导流罩高度下受电弓非定常气动特性,分析了涡量、流线、气动荷载等的变化规律。结果表明:导流罩高度为100 mm时分离涡向橫风背风侧偏转显著,导流罩高度增加为400 mm时对受电弓下部杆件、车体连接处等作用增强;导流罩高度为200 mm时横风作用产生的绕流场偏转的效应明显得到改善,流场分布在纵向呈较好的对称性,其阻力系数的增幅远小于受电弓所受横向力的降幅,同时大幅降低了倾覆力矩和侧偏力矩,故在恶劣的风环境下采用200 mm高度的导流罩是可取的。研究结果对横风作用下导流罩高度对受电弓气动特性的影响研究具有重要意义。

高速列车受电弓气动噪声降噪

基于Lighthill声学理论,采用宽频带噪声源模型、大涡模拟和Ffowcs Williams-Hawkings声学模型对某型高速列车气动噪声进行数值模拟,建立3节编组高速列车整车气动噪声模型,分析该型高速列车的主要气动噪声声源及远场气动噪声特性,并以受电弓为主要气动噪声源进行降噪研究,主要考虑受电弓的开/闭口方式、不同受电弓导流罩结构、受电弓导流罩不同安装位置等主要噪声源部位处的低噪声设计。基于以上分析,得到低噪声的高速列车受电弓结构,较原始高速列车其最大声压级减小3.1 dBA,达到低噪声设计目标。且通过风洞试验验证了所提出的高速列车气动噪声计算方法的有效性和正确性。

受电弓设备对列车气动特性影响的风洞试验

为了充分了解和掌握在强侧风作用下受电弓设备(受电弓和导流罩)对高速列车气动性能的影响,通过风洞试验对强侧风下高速列车运行时的气动性能进行测量和分析。实验结果表明:当侧滑角小于15°时,列车模型阻力系数随着侧滑角的增大而增加,当侧滑角为15°时,阻力系数出现拐点,拐点后阻力系数开始下降,其侧向力系数的绝对值和升力系数随着侧滑角的增大而增加;受电弓设备对头车的影响较小,但可使中车侧向力系数的绝对值及阻力系数明显增加,使尾车的阻力系数明显减小,而侧向力系数明显增加;受电弓设备中"浴盆"式导流罩对高速列车阻力系数的影响强于"挡板"式导流罩的影响,但对升力系数及侧向力系数的影响弱于"挡板"式导流罩的影响。

强降雪环境下导流罩对受电弓空气动力学的影响

基于Euler-Lagrange方法对强降雪环境下导流罩及受电弓流场进行数值模拟,分析了压力场、速度场、雪粒轨迹等的变化规律。计算结果表明:降雪环境下导流罩会对受电弓流场产生显著影响,不同结构的导流罩对受电弓气动特性的影响亦不相同,全封闭式的导流罩有利于改善受电弓底部流场,降低底部部件所受的正负压,同时减小受电弓自身所受阻力;降雪会使受电弓迎风侧的压力显著增大,阻力亦随之增大;雪粒自入口入射落到受电弓上形成一层雪膜,全封闭式的导流罩有利于降低受电弓底部结冰风险。