本發(fā)明是涉及一種仿真分析高速列車受電弓近場(chǎng)噪聲模態(tài)能量分布的方法，屬于氣動(dòng)噪聲分析。

背景技術(shù)：

1、近年來(lái)，隨著高鐵技術(shù)的不斷發(fā)展，高速列車的運(yùn)行速度也在不斷提高。截止2023年底，我國(guó)高鐵運(yùn)營(yíng)里程已達(dá)到4.5萬(wàn)公里，并且最高運(yùn)營(yíng)時(shí)速已達(dá)到350km。但現(xiàn)有研究表明，當(dāng)高速列車時(shí)速超過(guò)300km時(shí)，列車上的氣動(dòng)噪聲就會(huì)超過(guò)輪軌噪聲成為主要噪聲源，其中受電弓區(qū)域是高速列車上的主要?dú)鈩?dòng)噪聲源之一，而受電弓近場(chǎng)噪聲是受電弓氣動(dòng)噪聲的一部分，是由氣動(dòng)激勵(lì)的聲輻射部分引起，具體表現(xiàn)為受電弓區(qū)域的近場(chǎng)聲壓變化所產(chǎn)生的噪聲。隨著列車運(yùn)行速度的提高，由受電弓區(qū)域引起的近場(chǎng)氣動(dòng)噪聲也隨之大幅度增加，從而會(huì)顯著影響列車上的乘務(wù)人員以及乘客的舒適感。但要想降低高速列車受電弓近場(chǎng)氣動(dòng)噪聲，就需要首先研究高速列車受電弓近場(chǎng)氣動(dòng)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理和分布特性。

2、氣動(dòng)噪聲的模態(tài)能量分布?是指在不同頻率下氣動(dòng)噪聲的能量分布情況。在氣動(dòng)噪聲的研究中，模態(tài)分解是一種重要工具，可幫助我們更好地理解噪聲的產(chǎn)生和傳播機(jī)制。通過(guò)分析受電弓近場(chǎng)噪聲模態(tài)能量分布，可幫助了解受電弓處近場(chǎng)聲壓空間傳遞特性，從而能更好幫助設(shè)計(jì)噪聲控制策略，可為降低受電弓近場(chǎng)氣動(dòng)噪聲提供重要理論參考依據(jù)。但至今還未見關(guān)于?高速列車受電弓近場(chǎng)噪聲模態(tài)能量分布的研究方法報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問(wèn)題和需求，本發(fā)明的目的是提供一種仿真分析高速列車受電弓近場(chǎng)噪聲模態(tài)能量分布的方法。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

3、一種仿真分析高速列車受電弓近場(chǎng)噪聲模態(tài)能量分布的方法，包括如下步驟：

4、s1）建立帶有受電弓的高速列車三維有限元模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分；

5、s2）對(duì)步驟s1）所建立的網(wǎng)格模型進(jìn)行流體仿真分析；

6、s3）采集位于受電弓區(qū)域不同空間高度且平行于地面的若干截面上各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處的聲壓數(shù)據(jù)；

7、s4）對(duì)所采集的聲壓數(shù)據(jù)采用譜本征正交分解（spod）法進(jìn)行處理和分析，即獲得spod模態(tài)能量與頻率之間的噪聲模態(tài)能量分布圖。

8、進(jìn)一步說(shuō)，所述步驟s1）包括如下具體操作：

9、s11）創(chuàng)建帶有頭尾車廂和受電弓車廂的三節(jié)列車編組模型；

10、s12）創(chuàng)建計(jì)算域，包括空氣入口與出口、底部地面和其余三個(gè)面的對(duì)稱邊界；

11、s13）去除步驟s12）創(chuàng)建的計(jì)算域中的列車模型，只留下空氣存在的部分，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

12、一種實(shí)施方案，步驟s12）是依據(jù)國(guó)家鐵路標(biāo)準(zhǔn)tb/t?3503.4-2018《列車空氣動(dòng)力學(xué)性能數(shù)值仿真規(guī)范》創(chuàng)建計(jì)算域。

13、一種實(shí)施方案，步驟s13）采用star-ccm+自帶的切割體（trimmed）進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

14、進(jìn)一步說(shuō)，所述步驟s2）包括如下具體操作：

15、s21）采用k-湍流模型進(jìn)行定常流場(chǎng)計(jì)算；

16、s22）以步驟s21）計(jì)算的定常流場(chǎng)為初始條件，采用大渦模擬（les）進(jìn)行非定常流場(chǎng)計(jì)算；

17、s23）在流場(chǎng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡之后，采用聲擾動(dòng)方程（ape）進(jìn)行聲場(chǎng)計(jì)算。

18、一種實(shí)施方案，步驟s21）中所述的k-湍流模型的控制方程為：

19、；

20、式中：為流體密度；k為湍流動(dòng)能；t為時(shí)間；xj為渦旋尺度的y向分量；uj為氣體流動(dòng)速度的y向分量；為湍流粘度的x向分量；為湍流粘度；為雷諾應(yīng)力的渦黏性模型；sij為平均速度應(yīng)變率張量；β*為模型常數(shù)，取0.09；為湍流動(dòng)能的內(nèi)耗散率；為生成項(xiàng)；、、β、f1、均為模型常數(shù)。

21、一種優(yōu)選方案，步驟s21）的計(jì)算步數(shù)設(shè)置為1000步。

22、一種實(shí)施方案，步驟s22）中所述的大渦模擬（les）的控制方程為：

23、；

24、式中：為濾波后的氣體流動(dòng)速度的x向分量，為濾波后的氣體流動(dòng)速度的y向分量，且i≠j=0,1,2；t為時(shí)間；xj為渦旋尺度的y向分量；為流體密度；為濾波后壓力；xi為渦旋尺度的x向分量；為粘度系數(shù)；為亞格子應(yīng)力。

25、一種優(yōu)選方案，步驟s22）的計(jì)算步數(shù)為1000步，時(shí)間步長(zhǎng)為0.0005s，每步迭代10次。

26、一種實(shí)施方案，步驟s23）中所述的聲擾動(dòng)方程（ape）為：

27、；

28、式中：c為聲速；為聲壓；t為時(shí)間；為時(shí)間平均速度；為流體動(dòng)力壓力；為阻尼系數(shù)；為時(shí)間步長(zhǎng)；，是局部庫(kù)朗數(shù)，它反映了流體在網(wǎng)格中的運(yùn)動(dòng)距離，其中是網(wǎng)格間距，為delta，代指增量，，xn和xn-1為網(wǎng)格中相鄰兩節(jié)點(diǎn)；另外，為nabla算子，是向量微分算符，具體計(jì)算方法如下：

29、

30、其中：i、j、k是分別表示沿著x、y、z三個(gè)坐標(biāo)軸正方向的方向分量。

31、一種優(yōu)選方案，步驟s23）的計(jì)算步數(shù)為500步，時(shí)間步長(zhǎng)為0.0001s，每步迭代10次。

32、一種實(shí)施方案，步驟s2）進(jìn)行流體仿真分析的邊界條件設(shè)置為：入口為速度入口，設(shè)為111m/s（相當(dāng)于模擬400km/h的列車運(yùn)行）；出口為壓力出口，設(shè)為0pa；地面為無(wú)滑移壁面，其余各面為對(duì)稱邊界，模擬列車在露天環(huán)境下運(yùn)行。

33、一種優(yōu)選方案，步驟s3）共采集1500步，時(shí)間步長(zhǎng)為0.0001s。

34、一種實(shí)施方案，步驟s4）進(jìn)行處理和分析的具體步驟如下：

35、s41）將步驟s3）所采集的聲壓數(shù)據(jù)以壓縮快照形式導(dǎo)入matlab軟件中；

36、s42）構(gòu)建快照矩陣為q=[q1,q2,…,qm]，其中qm為m時(shí)刻包含截面上各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)聲壓信息的n行1列矩陣，n為截面上網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)；

37、s43）采用welch方法將步驟s42）所構(gòu)建的快照矩陣分塊劃分為多個(gè)有重疊的分塊矩陣，得到相鄰重疊快照數(shù)為n0的分塊矩陣qnf，其中nf為每一分塊矩陣包括的快照數(shù)；

38、s44）對(duì)每個(gè)分塊矩陣進(jìn)行離散傅里葉變換并進(jìn)行加窗處理，然后提取指定頻率fg下的快照重新排列得到新的分塊矩陣，再將每個(gè)分塊的傅里葉分量按照頻率排列組成新的快照矩陣；

39、s45）求解每個(gè)頻率相關(guān)矩陣的特征值問(wèn)題，即獲得對(duì)應(yīng)各特征頻率下的spod模態(tài)及對(duì)應(yīng)的模態(tài)能量，然后依據(jù)模態(tài)能量的大小對(duì)模態(tài)進(jìn)行排序，得到各階模態(tài)能量與頻率之間的關(guān)系圖，從而得到各截面處的噪聲模態(tài)能量分布圖。

40、相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益技術(shù)效果在于：

41、通過(guò)本發(fā)明方法可仿真分析得到高速列車受電弓區(qū)域各截面處的噪聲模態(tài)能量分布圖，由所獲得的噪聲模態(tài)能量分布圖可以獲知各階模態(tài)能量峰值頻率的變化和得到主能量分布的頻率區(qū)間，并能獲知頻率區(qū)間隨空間位置高度的變化趨勢(shì)，從而得到受電弓近場(chǎng)聲壓分布和空間傳播特性，從而可對(duì)高速列車受電弓近場(chǎng)氣動(dòng)降噪提供理論依據(jù)，對(duì)解決高速列車的氣動(dòng)噪聲具有重要意義和應(yīng)用價(jià)值。