高速列车流线型关键设计参数对气动噪声影响规律研究

Low-noise design is a bottleneck for the research of new high-speed trains, and the design of low-noise streamlines is key for the design of new high-speed trains. This project aims at the design of low-noise streamlines, adopts CAA analysis and optimization approaches as basic tools, and focuses on the influence mechanism between key design parameters of the streamline and the noise level. Firstly, this project discusses the probability of aerodynamic noise as the optimization objective for the aerodynamic shape optimization, and studies the efficient CAA methods and optimization approaches in detail, so as to reduce the time cost when performing CAA simulation and optimization. Meanwhile, the aerodynamic loads of the whole train should be considered during the optimization, indicating that it's a multidisciplinary multi-objective optimization process. For the specific key design parameters, the ranges where the noise standard is met could be found through this study. Furthermore, the influence mechanism between the key parameters of the streamline and the noise level will be investigated. Then how the aerodynamic noise changes under the interaction of different design parameters will also be studied. Based on the above analysis, the semi-empirical formula of aerocynamic noise will be obtained.The study of this project deepens the mechanisms in the basic problems, and is an important connection part between the basic research and engineering application, which will aid in the improvement of the ability for the design of low-noise streamlines.

本项目拟针对高速列车低噪声头型设计这一关键问题，以CAA分析和优化分析作为基本手段，探索高速列车流线型关键设计参数与气动噪声的影响规律。具体而言，本项目首先探讨以气动噪声作为优化目标进行气动外形优化设计的可能性，就高效的气动噪声计算方法和优化算法等进行详细分析，以便降低气动噪声计算和优化计算的时间代价，形成高效精确的气动噪声优化分析流程。同时优化过程需要兼顾列车承受气动力的影响，因而这是一个多目标多学科优化问题。针对流线型具体的关键设计参数，确定满足噪声规范要求的设计参数范围，获得设计参数对气动噪声的影响规律，以及不同设计参数耦合作用时气动噪声的变化规律。在此基础上，获得基于关键设计参数的气动噪声近似计算公式。本项目的研究是对基础问题中机理和规律的深化，也是促进与工程应用衔接的重要环节，有助于促进高速列车流线型低噪声设计能力的提升。

高速列车低噪声头型设计是高速列车头型研发的一个关键问题，也是限制高速列车运行速度的一个关键因素。本项目研究主要关注流线头型设计参数对气动噪声的影响机理，以CAA分析和优化分析作为基本研究手段，重点关注了流线头型的参数化问题、面向气动噪声的高效优化策略问题等，探索建立相应的物理模型和分析手段，获得了流线型关键参数对气动噪声的影响规律。.项目执行过程中，主要在以下三个方面取得了重要进展：.（1）流线型的高效精准参数化。系统发展了四类参数化方法，包括局部型函数参数化和自由变形参数化等两类扰动类参数化方法，以及VMF参数化和CST参数化等两类描型类参数化方法。其中前两种方法直接基于现有车辆外型，可以直接在感兴趣部位实现快速变形，正好适用于工程化的复杂外形优化问题；后两种方法可以直接以较少的设计参数构建复杂外形，实现从无到有。这是整个项目研究的基础，直接服务于后续优化分析、规律总结等。.（2）高效精准的气动优化策略。改进了启发式优化算法中的遗传算法和粒子群算法，两种改进的优化算法均可以用于后续高速列车气动噪声优化分析，大大提升优化分析的效率；发展了基于交叉验证的Kriging替代模型，相对于原始Kriging模型无论在精度还是效率上均有大幅提升,由此建立了基于替代模型的快速优化策略。此外，将等效连续A计权声压级引入到气动噪声优化问题中，由此可以综合考虑所有远场测点的影响，使得气动噪声优化成为可能。.（3）关键设计参数对气动噪声的影响规律分析。确立了远离地面的设计变量（司机室车窗、鼻锥引流等）是影响远场噪声的关键设计参数，设计变量与远场噪声间具有非常强的非线性关系，获得了基于关键设计变量和远场噪声的响应面关系。.项目执行过程中在国内外重要期刊中发表了多篇学术论文，并参加了多次学术会议促进了合作与交流工作。研究成果深化研究了基础问题中的机理和规律，也促进了与工程应用的衔接，并有助于提升高速列车流线型的低噪声设计能力。