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基于数值模拟的高速列车气动噪声特性及影响研究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着科技的飞速发展与城市化进程的加速，人们对高效、便捷的交通运输需求日益增长，高速列车应运而生，并在全球范围内得到了广泛的发展和应用。高速列车凭借其快速、安全、舒适等显著优势，成为现代交通运输体系中不可或缺的重要组成部分，极大地改变了人们的出行方式和时空观念，促进了区域间的经济交流与合作，推动了社会经济的快速发展。

自1964年日本开通世界上第一条高速铁路——东海道新干线以来，高速列车技术在全球范围内取得了长足的进步。法国的TGV、德国的ICE、中国的CRH系列等高速列车相继问世，不断刷新着列车运行速度的记录，也推动着高速列车技术向更高水平迈进。以中国为例，截至2022年底，中国高速铁路运营里程突破4.2万公里，稳居世界第一，并拥有了完善的高铁技术体系及世界领先的自主研发平台，已经成为世界高铁产业的领头羊。

然而，随着列车运行速度的不断提高，一系列在低速运行时可以忽略的问题逐渐凸显出来，其中气动噪声问题尤为突出。研究表明，列车高速运行时，轮轨噪声与速度的3次方成正比，而气动噪声与速度的6次方成正比。当列车运行速度达到一定程度后，气动噪声将超越轮轨噪声和机车牵引噪声，成为高速列车的主要噪声源。例如，在列车速度达到300km/h左右时，气动噪声就会超过轮轨噪声，成为主导噪声源。

气动噪声对高速列车的运行和周围环境产生了诸多负面影响。在车内，过大的气动噪声会严重影响乘客的乘坐舒适性，干扰乘客的交谈、休息和娱乐，降低旅行体验；在车外，气动噪声向周围环境传播，会引起严重的环境噪声污染，影响铁路沿线居民的正常生活和工作，甚至可能对铁路沿线的生态环境造成破坏。此外，过高的气动噪声还可能对铁路沿线的通信、信号等设备产生干扰，影响铁路系统的正常运行，也可能引起周围有关设备和建筑物的疲劳损坏，缩短其使用寿命。日本S2500系高速列车，设计速度和试验速度均超过350km/h，但受到噪声标准的限制，只能以300km/h的速度运行；上海磁悬浮列车的设计速度达430km/h，但受噪声标准的限制，在市区内只能以200km/h的速度运行。由此可见，噪声超标已成为限制列车速度提升的主要因素之一，严重制约着高速铁路的可持续发展。

因此，深入研究高速列车气动噪声及其影响具有重要的现实意义。通过对高速列车气动噪声的产生机理、传播特性以及影响因素进行系统的研究，可以为提出有效的降噪措施提供理论依据和技术支持，从而降低高速列车的气动噪声，提高乘客的乘坐舒适性，减少对周围环境的噪声污染，促进高速铁路的可持续发展。同时，这也有助于推动高速列车技术的进一步发展，提升列车的整体性能和竞争力，满足人们对高品质出行的需求。

1.2国内外研究现状

高速列车气动噪声问题自高速列车问世以来便受到了广泛关注，国内外众多学者和研究机构从实验研究和数值模拟等多个角度对其展开了深入探索，取得了一系列有价值的研究成果。

在实验研究方面，风洞实验是研究高速列车气动噪声的重要手段之一。国外早在20世纪七八十年代就开始利用风洞对高速列车的气动噪声特性进行研究。例如，日本利用其先进的风洞设施，对新干线列车的不同部件，如受电弓、转向架、车体连接处等进行了细致的风洞实验，深入分析了这些部件在高速气流作用下的噪声产生机理和传播特性。通过实验，他们发现受电弓由于其复杂的结构和在列车顶部的突出位置，在高速气流中会产生强烈的气动噪声，是列车气动噪声的主要来源之一。法国和德国也分别利用各自的大型风洞对TGV和ICE系列高速列车进行了大量实验，研究了列车外形、运行速度、轨道条件等因素对气动噪声的影响。研究表明，列车的运行速度对气动噪声的影响最为显著，随着速度的增加，气动噪声呈指数级增长；而流线型的列车外形可以有效降低空气阻力和湍流强度，从而减少气动噪声的产生。

国内在风洞实验研究高速列车气动噪声方面起步相对较晚，但近年来发展迅速。中国空气动力研究与发展中心、西南交通大学等科研机构和高校建立了先进的风洞实验平台，开展了一系列针对中国高速列车的气动噪声实验研究。通过实验，对CRH系列高速列车的气动噪声特性有了更深入的了解，为降噪措施的制定提供了实验依据。例如，研究发现列车车体表面的微小凸起和缝隙会引起气流的局部扰动，从而增加气动噪声的产生；而合理设计的裙板和导流罩可以有效改善气流的流动状态，降低气动噪声。

实车实验也是研究高速列车气动噪声的重要方法。国外一些发达国家，如日本、法国、德国等，经常在实际运营线路上进行高速列车的实车噪声测试。通过在列车不同部位和沿线不同位置布置传感器，采集列车运行时的噪声数据，分析噪声的产生源和传播规律。这些实车实验数据不仅验证了风洞实验的结果，