不同形状杆件受电弓气动降噪大涡模拟研究

Large Eddy Simulation of Aerodynamic Noise Reduction of Pantographs with Different Cross-Section Shapes of Arms

摘要

为降低高速列车受电弓气动噪声，采用大涡模拟（Large Eddy Simulation，LES）和FW-H（Ffowcs Williams and Hawkings）声类比方法，在对空气流动及表面声辐射影响较大的原型受电弓圆形上下臂杆及绝缘子立柱进行尖椭圆化改型设计基础上，采用三维流体分析软件STAR-CCM+对不同形状杆件受电弓进行流场特征和气动噪声数值模拟，并与原型受电弓进行对比。结果表明：受电弓远场辐射噪声主要集中在弓头、上下臂杆、底架及绝缘子等部位，尖椭圆化设计使受电弓上下臂杆和绝缘子迎流面压力减小，受电弓表面及周围流场的压力波动减弱，这是由于气流撞击受电弓形成的大尺度涡旋沿纵向方向发展破碎形成更小尺度的涡旋结构，进而降低了受电弓气动噪声；尖椭圆形状的改型受电弓较原型受电弓在横向、纵向方向均有气动降噪效果，时速350和400 km条件下改型受电弓纵向方向25 m处可分别降噪5.1和2.4 dB，降幅分别为6.7%和3.0%。研究结果可为设计制造新型低噪声高速列车受电弓提供基本数据支撑。

Abstract

To reduce the aerodynamic noise of high-speed train pantographs, based on the Large Eddy Simulation (LES) and FW-H (Ffowcs Williams and Hawkings) acoustic analogy method, the three-dimensional fluid flow analysis code STAR-CCM+ was used to numerically simulate the flow characteristics and aerodynamic noise reduction of pantographs with different cross-section shapes of arms. The upper and lower arms and insulators of pantograph, which have great influence on flow and surface acoustic radiation, were designed with sharp-end-shaped elliptical arms, and the current field characteristics and aerodynamic noise were compared with those of the original pantograph. The results show that the far-field radiated noise of pantographs mainly concentrates on the pantograph head, upper and lower arms, underframe and insulators. Pantograph with cross-section of sharp-end-shaped elliptical arms can reduce the pressure on the upper and lower arms of the pantograph and the upstream surface of insulators. The pressure fluctuations on the surface and surrounding flow of the pantograph are weakened, and the large-scale vortices formed when the air flows through the upstream surface of the pantograph, come into contact with the rear parts of pantograph and then develop and break into more smaller ones along the longitudinal direction. All these result in reduction of the aerodynamic noise of pantograph. The upper, lower arms and insulators with sharp-end-shaped ellipsoids cross-section has aerodynamic noise reduction effects in both the lateral and longitudinal directions. At two running speeds of 350 km · h^-1 and 400 km · h^-1, the aerodynamic noise of the arms with sharp-end-shaped ellipsoids cross-section can be reduced by 5.1 dB and 2.4 dB, with a reduction percentage of 6.7% and 3.0% respectively, at a distance of 25 m in the flow direction. The results of present work can provide fundamental data in designing and manufacturing new type low-noise high-speed train pantographs.

Graphical abstract

关键词

高速列车 / 受电弓 / 杆件形状 / 流场特征 / 气动噪声 / 大涡模拟 / FW-H声类比方法

Key words

High-speed trains / Pantograph / Rod cross-sectional geometry / Flow field characteristics / Aerodynamic noise / Large eddy simulation / FW-H acoustic analogy method

高速列车运行时将产生3种类型的噪声，即轮轨噪声、电气噪声和气动噪声，研究表明列车运行速度超过300 km · h^-1时气动噪声将超过另外2种噪声，占据主导地位，且与列车运行速度的6次方成正比^［1］。受电弓主体结构复杂且与外界空气直接接触，难以实现有效包覆，导致其降噪难度较大。随高速列车的进一步提速，探索受电弓气动噪声机理及更优的降噪措施具有一定的工程研究价值。

针对高速列车受电弓气动噪声问题，国内外学者通过多种研究方法系统研究了其产生机理，并提出了降噪优化方案。Noger等^［2］通过风洞试验对高速列车受电弓进行气动噪声测试，发现受电弓系统背部垂直面周围具有强烈的流动分离、涡流的形成和脱落，是主要的噪声来源之一。Ikeda等^［3］对弓头形状进行优化设计，并在关键部位开孔引流以减弱气流扰动，风洞测试结果表明改进后的弓头形状能够减弱弓头尾部扰流并实现气动降噪。King等^［4］对截面为圆形、正方形、矩形和椭圆形杆件的受电弓进行气动噪声测试，结果表明椭圆形截面杆件受电弓的气动噪声较其他形状杆件更低。Kurita等^［5］设计研发的PS9038式单臂受电弓采用底部结构防风罩包裹设计，试验证明该结构具有较好的声学性能。Latorre等^［6］建立了受电弓气动噪声预测的半经验模型，全尺寸风洞试验验证了该模型的有效性。张军等^［7］采用大涡模拟（Large Eddy Simulation，LES）和FW-H（Ffowcs Williams and Hawkings）声类比方法对高速列车远场气动噪声贡献率进行分析，结果表明车体头部、受电弓及一位转向架是主要噪声源。Kim等^［8］基于改进延迟分离涡模拟（Improved Delayed Detached Eddy Simulation，IDDES）和FW-H声类比方法，研究空腔结构和升降状态对受电弓气动噪声的影响，证实采用空腔设计的受电弓具备降噪效果。Li等^［9］采用分离涡模拟（Detached Eddy Simulation， DES）和FW-H声类比方法研究碳滑板间距对受电弓气动噪声的影响，得到间距为450 mm时气动噪声最多可降低2.8 dB（A）。张长亮等^［10］将弓头杆件设计为展向波纹结构，得到展向波纹结构参数波长λ、振幅ω与厚度D之比为λ/D=2，ω/D=0.48时噪声最多可降低9.15 dB，降幅为6.7%。Shi等^［11］采用DDES（Delayed Detached Eddy Simulation， DDES）和FW-H声类比方法，数值模拟研究发现采用六边形碳滑板并结合波浪形臂杆和导杆，可使受电弓气动噪声降低3.0 dB。Yao等^［12］采用IDDES和声学有限元法（FEM）等数值技术，研究得到高速列车受电弓底架和绝缘子部位的气动阻力较大，包裹绝缘子和底架可实现受电弓气动减阻降噪。蔡博等^［13］采用DES和FW-H声类比方法对长曲线截面弓头进行数值模拟，得到350 km · h^-1速度下宽频噪声降低了9 dB，降幅为23.8%。Qin等^［14］基于IDDES和FW-H声类比方法，数值模拟研究得到波浪形臂杆受电弓气动噪声最多可降低1.16 dB（A）。潘永琛等^［15］采用DES和FW-H声类比方法，对比分析安装在车顶平面与凹腔的受电弓流场和噪声特性，发现凹腔结构增大了受电弓周围涡旋尺度，使气流流动更为有序，从而实现降噪。李波等^［16］通过风洞试验研究了不同风速和运行状态下的受电弓噪声特性，确定了弓头区域为主要噪声源。许建林等^［17］将受电弓上下臂杆进行椭圆及椭圆扭转设计，基于LES和FW-H声类比方法研究得到椭圆扭转臂杆受电弓远场25 m处气动噪声可降低4.3 dB（A），降幅约4.4%。已有的高速列车受电弓气动降噪措施多集中于弓头和臂杆结构，而对受来流影响较大的绝缘子部件研究较少。

本文对受电弓上下臂杆和绝缘子立柱进行尖椭圆化设计并对其进行数值模拟，研究尖椭圆杆件受电弓的气动降噪机理及效果。

1 数值模拟

1.1　数值模拟方法验证

为验证LES和FW-H声类比方法对受电弓气动噪声数值模拟研究的适用性，考虑到受电弓主要部件大多可类比圆柱杆件，因此采用圆柱绕流进行数值模拟方法验证，并将数值模拟得到的结果与文献［18］风洞试验结果进行对比。

文献［18］的风洞试验于北京航空航天大学D5气动声学风洞实验室进行，采用直径为0.02 m的圆柱，风洞试验段入口来流速度为30~80 m · s^-1，流体介质为25 ℃空气，密度为1.184 kg · m^-3。

数值方法验证中选用的来流速度为70 m · s^-1（马赫数Ma=0.2），采用的几何模型与风洞试验保持一致，为直径D=0.02 m的圆柱。划分网格时以圆柱体直径D为特征长度，按照第1层网格无量纲厚度y⁺=1划分棱柱层网格，按照拉伸比为1.1拉伸12层棱柱层，网格总数为201万个，并通过网格无关性验证（公沛霖^［19］划分出3种不同细化程度的网格，网格数分别为49万个、179万个及385万个，结果表明中等规模的网格满足计算要求，且计算结果误差在允许范围之内）。图1为具体计算域、测点布置及网格划分。

流动物理模型为25 ℃可压缩理想气体的三维可压缩湍流流动，采用基于有限体积法的通用流体分析软件STAR-CCM+进行求解，空间离散采用中心差分法，求解器为分离流求解器；非稳态计算的时间步长为0.05 ms，时间离散精度为2阶，对流项采用有界中心差分格式。湍流的模拟先采用基于\mathrm{S}\mathrm{S}\mathrm{T}k-\omega模型的雷诺平均N-S方程（Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations，RANS）进行稳态求解，计算3 000迭代步，流场基本稳定后再通过LES法进行非稳态求解。LES求解小尺度涡旋时采用WALE亚格子模型，最后以FW-H声类比方法计算气动噪声^［17］。将数值模拟结果与文献［18］试验结果进行对比，选取文献试验所设置的2.0 m处测点1数据为基准。图2为数值模拟与文献试验在此测点的声压级与A计权声压级结果对比。由图2可以看出：数值模拟得到的2.0 m处测点1声压级、A计权声压级与文献试验数据变化趋势及声压级峰值基本符合。

数值模拟与文献［18］试验结果对比见表1。

由表1可以看出：监测点处声压级和A计权声压级变化趋势的数值模拟结果与文献试验趋势吻合较好，得到的斯特劳哈尔数St也在误差容许范围以内，表明采用的数值模拟方法是可行的。

1.2　受电弓几何模型及计算域

选择某型单臂杆、单碳滑板式受电弓为研究对象，考虑计算经济性问题对其进行合理简化，省略受电弓结构中的软管、螺母等细小部件，对受电弓螺栓孔和缝隙等特征进行平滑填充处理。高速列车在运行过程中上下臂杆及绝缘子与空气之间的相互作用更为强烈，此处也是引发受电弓气动噪声的主要来源之一，因此对截面为圆形的原型受电弓上下臂杆及绝缘子立柱进行尖椭圆化设计，得到杆件截面为尖椭圆形状的尖椭圆受电弓，考察其气动降噪效果。原型及改型后的受电弓上下臂杆及绝缘子立柱的基本特征是相同的，均为变截面尺寸杆件结构。杆件顶部截面尺寸小、底部截面尺寸大。其中原型受电弓直径定义为d，尖椭圆长轴尺寸定义为a，短轴尺寸定义为b；考虑到上下臂杆、绝缘子与其他部件的装配连接问题，尖椭圆杆件的截面长轴与短轴尺寸a∶b约为1.2~1.5，端部因安装配合需要，相应参数有所改变。受电弓以开口方式安装于列车顶部，图3（a）和图3（b）分别为原型和改型受电弓几何模型，图3（c）为计算域布置。不同形状杆件截面尺寸参数见表2。

1.3　网格划分

高速列车以350和400 km · h^-1速度运行时，受电弓附近雷诺数约为1.4×10⁷~1.6×10⁷，气流与受电弓接触后在受电弓周围引发强烈气流扰动，使受电弓向近远场辐射较大噪声。以受电弓高度h为特征尺度，将受电弓面网格最小尺寸设置为2 mm，平滑部分为4 mm，以更好地保持其表面形状。为捕捉受电弓后方涡旋变化，在其尾流区域内以较小尺寸网格进行加密，并向外以不同网格尺寸布置2个加密块。车体部分只起到进一步贴近受电弓真实安装形态的作用，且为平直光滑车身，因此车体面网格最小尺寸设置为16 mm，平滑部分为32 mm。受电弓表面关键部位网格纵横比Δx⁺ 与Δz⁺ 均保持在40以内，按照y⁺=1设置受电弓第1层棱柱层厚度，按拉伸比为1.2拉伸15层棱柱层；在划分车体网格时适当放大y⁺取值，按照y⁺=10设置车体第1层棱柱层厚度，按照拉伸比为1.2拉伸10层棱柱层，划分的网格总数约为3 200万个。图4为计算域网格划分结果。

1.4　物理模型

数值模拟场景为以速度350 km · h^-1（Ma=0.286）和400 km · h^-1（Ma=0.327）运行的高速列车受电弓。因400 km · h^-1速度下马赫数大于0.300，需考虑流体可压缩性，因此数值模拟时气流为15 ℃可压缩理想气体，而对于350 km · h^-1速度运行时是否考虑流体可压缩性对受电弓气动噪声影响进行了数值模拟研究，得到其远场气动噪声差异最大值为2.9 dB，差幅为3.8%，因此数值模拟时有必要考虑流体可压缩性。非定常计算时的时间步长取0.1 ms，根据奈奎斯特采样定理，模拟时气动噪声最高频率为5 kHz，2种速度情况下物理计算时间分别为1.543和1.350 s。

1.5　近远场气动噪声测点布置

根据标准ISO 3095—2013《Acoustics-Railway Applications-Measurement of Noise Emitted by Railbound Vehicles》^［20］和TB/T 3050—2022《铁路环境测量-环境噪声测量》^［21］，在受电弓横向两侧对称布置气动噪声测点。横向方向：在距离轨道中心线7.5，12.0，25.0和30.0 m处布置4组测点；纵向方向：在距离轨道中心线25 m处相邻测点间隔2.2 m布置14×2计28个测点；垂向方向：分别在距轨面高度为1.2，3.5及5.0 m处设置测点。

以下臂杆底座连接杆中心为圆心，以7.5 m为半径、相邻两测点间隔为10°布置3组气动噪声指向性测点，分别为横向、垂向及纵向中心平面。图5为受电弓气动噪声测点布置结果。

2 计算结果及讨论

2.1　不同形状杆件受电弓流场特性

图6为不同运行速度下不同形状杆件受电弓周围气流速度分布。由图6可以看出：气流与受电弓撞击后引发强烈气流扰动，受电弓部件阻碍了气流向后平稳流动，迫使气流在其迎流面发生分离；弓头和臂杆周围的气流速度较高，受电弓底部结构复杂且多为钝体截面，对气流的阻碍作用更强，使受电弓底架和绝缘子后方区域气流流速降低；受电弓上下臂杆及绝缘子立柱的尖椭圆化设计使气流在流经这些部位时与迎流面撞击面积减小，气流速度并未出现大幅减弱；尖椭圆形状杆件对气流的引导效果更好，气流在经过臂杆、铰接位置及绝缘子后以较高速度继续向后方区域延伸，相较于原型受电弓，改型受电弓后方形成了更为明显的小尺度涡旋结构。

图7为不同运行速度下不同形状杆件受电弓周围压力分布。图中：压力为负值表示此处压力低于参考压力值。由图7可以看出：高速气流与受电弓迎流面相接触，在其部件表面形成气流阻滞区，进而形成高强度正压力，而在部件背面形成负压力，随着运行速度的提高高强度正压力区及其影响范围也随之扩大；相较于原型受电弓，尖椭圆杆件改型受电弓在铰接和下臂杆后方处压力减小，尖椭圆上下臂杆和绝缘子迎流面受到的正压力减小。

高速列车在线路上运行时，气流与高速运行的受电弓相碰撞，在其表面后方形成多尺度的涡旋结构，伴随着周期性产生并逐渐脱落，在受电弓表面及周围区域形成正负交替的压力波动，是引发受电弓偶极子噪声的主导因素之一。压力波动值定义为

P^{\text{'}}=P-\overline{P}（1）

式中：P^{\text{'}}为压力波动值；P为压力；\overline{P}为平均压力。

图8为不同运行速度下不同形状杆件受电弓周围压力波动分布。由图8可以看出：高速气流与受电弓接触后在其周围形成正负交替分布的压力波动，弓头、铰接结构、底架及绝缘子等部位周围分布着正压力波动，而在气囊前挡板迎流面处分布着大范围的负压力波动；相较于原型受电弓，尖椭圆杆件改型受电弓在铰接结构及下臂杆后方区域压力波动有所减弱；随运行速度的提高，受电弓底部迎流面周围负压力波动范围更广，400 km · h^-1速度下改型受电弓绝缘子所在区域形成广泛分布的负压力波动，铰接结构后方区域形成较原型受电弓更大范围的负压力波动。

图9为不同运行速度下不同形状杆件受电弓周围涡量分布。由图9可以看出：相较于原型受电弓，尖椭圆杆件改型受电弓的上臂杆后方涡旋强度明显减弱，延续范围更小；在改型受电弓上下臂杆、铰接位置、绝缘子后方及底架区域形成密集分布的小尺度涡旋，而原型受电弓相同区域涡旋尺度较大且分布区域更广泛。

图10为不同运行速度下不同形状杆件受电弓三维拟序结构（以速度函数进行渲染）。由图10可以看出：气流在流经受电弓迎流面时在其后方形成周期性产生并脱落的紧凑分布式环状涡旋结构；随气流向后方区域流动，受电弓下臂杆、底架及绝缘子等区域的大尺度环状涡旋逐渐发展破碎形成紧密分布的小尺度涡旋结构，沿受电弓纵向方向不断发展变化直至消失；而改型受电弓后方形成的涡旋结构相较于原型受电弓更加细碎化，分布也愈加稀疏，且随运行速度的提高，涡旋尺度也更大，延伸范围也随之扩大。

2.2　不同形状杆件受电弓气动噪声特性及降噪效果

受电弓主体结构复杂且暴露在外，当列车高速运行时受电弓与周围高速气流相互作用引发强烈气流扰动并伴随着涡旋脱落与破碎，随之产生较大的气动噪声。

图11为不同运行速度下不同形状杆件受电弓各部位远场辐射噪声声压级。由图11可以看出：在不同速度工况下，受电弓主体结构中的弓头、上下臂杆、铰接结构、底架及绝缘子等部件远场辐射噪声较大，350 km · h^-1速度下上述部件的远场辐射噪声声压级均超过60 dB；400 km · h^-1速度下远场辐射噪声达到70 dB甚至更高；尖椭圆化设计的受电弓上下臂杆及绝缘子等部件在远场25 m处辐射噪声有所降低，350与400 km · h^-1速度下，改型受电弓的上下臂杆、铰接结构及部分绝缘子在远场25 m处均有气动降噪效果，降低值可达2 dB。

图12为不同运行速度下不同形状上下臂杆横向气动噪声衰减特性。由图12可以看出：2种形状臂杆的气动噪声衰减趋势相似，气动噪声随与受电弓中心距离的增加而逐渐降低，横向右侧降噪效果优于左侧；350 km · h^-1速度下，尖椭圆形状臂杆在横向左侧25 m处可实现气动降噪5.3 dB，降幅为7.9%，右侧7.5 m处降低4.4 dB，降幅为5.6%；400 km · h^-1速度下，尖椭圆臂杆在横向左侧气动噪声最大可降低3.8 dB，降幅为4.5%，右侧最大可降噪7.3 dB，降幅为9.8%。

图13为不同运行速度下不同形状绝缘子横向气动噪声衰减特性。由图13可以看出：350 km · h^-1速度下绝缘子横向气动噪声保持在72~80 dB范围内，400 km · h^-1速度下横向噪声随之增大，保持在74~90 dB范围内；2种形状绝缘子在横向方向气动噪声衰减趋势基本一致，噪声声压级随与受电弓距离的增加而逐渐降低，尖椭圆形状绝缘子在横向方向具备气动降噪效果；350和400 km · h^-1速度下，尖椭圆绝缘子横向方向气动噪声较圆形绝缘子最大可降低2.7和3.6 dB，降幅分别为3.3%和4.3%；随着运行速度的提升，尖椭圆设计的绝缘子横向方向气动降噪效果显著提升。

图14为不同运行速度下距不同形状杆件受电弓7.5 m处气动噪声指向特性。图中：中心位置受电弓表明测点位置。由图14可以看出：不同速度工况下，横向中心平面内受电弓迎流面声辐射角范围内噪声较大，且改型受电弓较原型受电弓在此平面内整体具有降噪效果，350和400 km · h^-1速度下改型受电弓在此平面内气动噪声最大可降低3.5与4.4 dB、降幅为4.2%和4.7%；在垂向中心平面内2种受电弓在声辐射角90°方向气动噪声达到峰值，350 km · h^-1速度下改型受电弓较原型受电弓在声辐射角150°方向气动噪声降低3.2 dB、降幅为3.6%，400 km · h^-1速度下在声辐射角230°方向降低4.8 dB、降幅为4.9%；在纵向中心平面内，350 km · h^-1速度下2种受电弓在声辐射角40°~120°方向范围内噪声均超过了90 dB，在受电弓纵向前方和后方位置气动噪声较低，350 km · h^-1速度下改型受电弓较原型受电弓在声辐射角150°方向气动噪声降低了3.9 dB、降幅为4.5%，400 km · h^-1速度下声辐射角80°方向降低了2.7 dB、降幅为2.6%。

不同运行速度下2种受电弓各中心平面气动降噪最大值对比见表3。由表3可以看出：350 km · h^-1运行速度下，受电弓各中心平面气动降噪最大值均超过3.0 dB，最大可达到3.9 dB，400 km · h^-1运行速度下，受电弓横向和垂向中心平面气动降噪最大值均超过4.0 dB，而纵向中心平面噪声降低值仅为2.7 dB。

图15为不同运行速度下不同形状杆件受电弓横向气动噪声衰减特性。由图15可以看出：在350和400 km · h^-1速度下，2种受电弓横向方向的气动噪声衰减趋势基本一致，随着与受电弓距离的增加而逐渐降低，气动噪声分布在72~92 dB范围内；臂杆和绝缘子立柱的尖椭圆化设计使受电弓在横向方向气动噪声有不同程度降低，随着运行速度的提高，尖椭圆杆件改型受电弓横向降噪效果也随之提升；350 km · h^-1速度下改型受电弓横向气动噪声最大可降低2.5 dB、降幅为3.3%，400 km · h^-1速度下气动噪声最大可降低3.3 dB、降幅为3.8%。

图16为不同运行速度下距不同形状杆件受电弓25 m处纵向气动噪声衰减特性。由图16可以看出：不同速度下2种受电弓纵向方向气动噪声均呈现出先增大再减小的趋势，噪声声压级峰值出现在受电弓中心附近位置，分别可达到约76.5和79.5 dB，臂杆及绝缘子尖椭圆化设计的改型受电弓具有较好的降噪效果；350 km · h^-1速度下改型受电弓气动噪声最大可降低5.1 dB、降幅为6.7%，400 km · h^-1速度下气动噪声最大可降低2.4 dB、降幅为3.0%。

图17为不同运行速度下原型受电弓在距轨道中心线25 m处垂向测点A计权声压级频谱。图中：括号内数据为噪声测点坐标，如（0，25，1.2）中的0表示该测点为受电弓中心位置，25表示该测点横向距轨道中心线25 m，1.2表示该测点在轨面上1.2 m处。由图17可以看出：不同速度下原型受电弓气动噪声A计权声压级频谱变化趋势相似，噪声较大值均保持在中低频频率范围内；350 km · h^-1速度下气动噪声主频频率主要分布在600~700 Hz之间，400 km · h^-1速度下主要分布在700~800 Hz之间，2种速度下受电弓垂向方向在轨面以上3.5 m处气动噪声最大，全频段内受电弓气动噪声值随运行速度的提高而显著增大。

3 结论

（1）受电弓上下臂杆和绝缘子的尖椭圆化设计使迎流面所受压力减小，受电弓后方区域压力波动幅度减弱；在气流流经改型受电弓表面时形成周期性产生并脱落的多尺度环状涡旋结构，沿纵向方向发展延伸，逐渐破碎成为较原型受电弓更为细碎化分布的小尺度涡旋，延伸范围随运行速度的提高而显著扩大。

（2）不同运行速度下，原型和改型受电弓在25 m远场表面辐射噪声较大的部位主要为弓头、上下臂杆、底架及绝缘子。

（3）尖椭圆设计的上下臂杆、绝缘子部件在横向方向有气动降噪效果，且随运行速度的增加而有所提升；350和400 km · h^-1速度下，尖椭圆上下臂杆横向方向气动噪声分别可降低5.3和7.3 dB、降幅为7.9%和7.3%，尖椭圆绝缘子可降低2.7和3.6 dB、降幅为3.3%与4.3%。

（4）上下臂杆及绝缘子尖椭圆化设计的受电弓在横向和纵向方向均有气动降噪效果。350和400 km · h^-1速度下，尖椭圆杆件的改型受电弓在远场7.5 m处各中心平面气动降噪最大值均超过2.0 dB；横向方向气动噪声最大可降低2.5和3.3 dB，降幅分别为3.3%和3.8%；纵向方向远场25 m处最大可降噪5.1和2.4 dB，降幅分别为6.7%和3.0%。研究结果可为设计制造新型低噪声高速列车受电弓提供基本数据支撑。

参考文献

[1] 丁叁叁，陈大伟，刘加利.中国高速列车研发与展望［J］.力学学报，2021，53（1）：35-50.

[2] DING Sansan， CHEN Dawei， LIU Jiali. Research， Development and Prospect of China High-Speed Train ［J］. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics， 2021， 53 （1）： 35-50. in Chinese

[3] NOGER C， PATRAT J C， PEUBE J， et al. Aeroacoustical Study of the TGV Pantograph Recess ［J］. Journal of Sound and Vibration， 2000， 231 （3）： 563-575.

[4] IKEDA M， TAKAISHI T. Perforated Pantograph Horn Aeolian Tone Suppression Mechanism ［J］. Quarterly Report of RTRI， 2004， 45 （3）： 169-174.

[5] KING W F， PFIZENMAIER E. An Experimental Study of Sound Generated by Flows around Cylinders of Different Cross-Section ［J］. Journal of Sound and Vibration， 2009， 328 （3）： 318-337.

[6] KURITA T， HARA M， YAMADA H. Reduction of Pantograph Noise of High-Speed Trains ［J］. Journal of Mechanical Systems for Transportation and Logistics， 2010， 3 （1）： 63-74.

[7] LATORRE I E， THOMPSON D J， SMITH M G. Component-Based Model to Predict Aerodynamic Noise from High-Speed Train Pantographs ［J］. Journal of Sound and Vibration， 2017， 394： 280-305.

[8] 张军，朱程.高速列车气动噪声源远场噪声贡献度研究［J］.中国铁道科学，2019，40（2）：115-121.

[9] ZHANG Jun， ZHU Cheng. Far Field Noise Contribution Radiated from Aerodynamic Noise Source of High-Speed Train ［J］. China Railway Science， 2019， 40 （2）： 115-121. in Chinese

[10] KIM H， HU Z， THOMPSON D. Numerical Investigation of the Effect of Cavity Flow on High-Speed Train Pantograph Aerodynamic Noise ［J］. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2020， 201： 104159.

[11] LI T， QIN D， ZHANG W， et al. Study on the Aerodynamic Noise Characteristics of High-Speed Pantographs with Different Strip Spacings ［J］. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2020， 202： 104191.

[12] 张长亮，刘海涛，周新，等.基于展向波纹结构受电弓杆件减阻降噪研究［J］.噪声与振动控制，2021，41（6）：126-133.

[13] ZHANG Changliang， LIU Haitao， ZHOU Xin， et al. Reduction of Drag and Noise for Pantograph Rods with Spanwise Waviness Structure ［J］. Noise and Vibration Control， 2021， 41 （6）： 126-133. in Chinese

[14] SHI Fangcheng， SHI Fushan， TIAN Xudong， et al. Numerical Study on Aerodynamic Noise Reduction of Pantograph ［J］. Applied Sciences， 2022， 12 （21）： 10720.

[15] YAO Y， SUN Z， LI G， et al. Numerical Investigation on Aerodynamic Drag and Noise of Pantographs with Modified Structures ［J］. Journal of Applied Fluid Mechanics， 2022， 15 （2）： 617-631.

[16] 蔡博，向鑫瑞，潘峰，等.高速列车仿生受电弓弓头气动及噪声特性数值研究［J］.铁道机车与动车，2023（6）：10-14.

[17] CAI Bo， XIANG Xinrui， PAN Feng， et al. Numerical Study on Aerodynamic and Noise Characteristics of Bionic Pantograph Head for High-Speed Train ［J］. Railway Locomotive and Motor Car， 2023 （6）： 10-14. in Chinese

[18] QIN D， LI T， ZHANG J， et al. Numerical Study on Aerodynamic Drag and Noise of High-Speed Pantograph by Introducing Spanwise Waviness ［J］. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics， 2023， 17 （1）： 2260463.

[19] 潘永琛，张格明，李志强，等.不同边界工况下受电弓区域流场结构及气动噪声特性对比分析［J］.中国铁道科学，2024，45（3）：117-127.

[20] PAN Yongchen， ZHANG Geming， LI Zhiqiang， et al. Comparative Analysis on Flow Field Structure and Aerodynamic Noise Characteristics of a Pantograph with Different Boundary Conditions ［J］. China Railway Science， 2024， 45 （3）： 117-127. in Chinese

[21] 李波，黄思俊，靳铠龙，等.开/闭口运行对高速受电弓气动噪声特性影响的风洞试验研究［J］.中南大学学报（自然科学版），2024，55（5）：1846-1854.

[22] LI Bo， HUANG Sijun， JIN Kailong， et al. Wind Tunnel Test Study on Influence of Open/Close Operation on Aerodynamic Noise Characteristics of High-Speed Pantographs ［J］. Journal of Central South University （Science and Technology）， 2024， 55 （5）： 1846-1854. in Chinese

[23] 许建林，公沛霖，周一鸣，等.高速列车受电弓上下臂杆气动降噪大涡模拟研究［J］.中南大学学报（自然科学版），2024，55（5）：1855-1866.

[24] XU Jianlin， GONG Peilin， ZHOU Yiming， et al. Large Eddy Simulation of Aerodynamic Noise Reduction of Upper and Lower Arms of High-Speed Train Pantographs ［J］. Journal of Central South University （Science and Technology）， 2024， 55 （5）： 1855-1866. in Chinese

[25] 李玲，刘沛清，邢宇，等.亚临界雷诺数圆柱绕流远场气动噪声实验研究［J］.北京航空航天大学学报，2016，42（5）：977-983.

[26] LI Ling， LIU Peiqing， XING Yu， et al. Far-Field Aeroacoustic Experimental Study of Flow around a Circular Cylinder at Subcritical Reynolds Number ［J］. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics， 2016， 42 （5）： 977-983. in Chinese

[27] 公沛霖.高速列车受电弓过渡式空腔噪声机理及降噪大涡模拟研究［D］.兰州：兰州交通大学，2024.

[28] GONG Peilin. Study of the Mechanism of Noise Radiation and Transition Cavity Noise Reduction of High-Speed Train Pantographs with Large Eddy Simulation ［D］. Lanzhou： Lanzhou Jiaotong University， 2024. in Chinese

[29] European Committee for Standardization. ISO 3095—2013 Acoustics - Railway Applications - Measurement of Noise Emitted by Railbound Vehicles ［S］. London： British Standards Institution， 2013.

[30] 国家铁路局. TB/T 3050—2022 铁路环境测量-环境噪声测量 ［S］.北京：中国铁道出版社，2022.

[31] National Railway Administration of the People's Republic of China. TB/T 3050—2022 Railway Environmental Measurement - Measurement of Environmental Noise ［S］. Beijing： China Railway Publishing House Co.， Ltd.， 2022. in Chinese ）

基金资助

国家自然科学基金资助项目(11962014)

高速磁浮运载技术全国重点实验室开放基金项目(SKLM-SFCF-2023-009)