随着高速列车速度提高，高速列车的气动噪声问题更加突出。许多研究表明，在300 km/h以上，随着滚动噪声贡献的减少，气动噪声成为主导 [1] - [3] 。前人的研究表明，列车运行产生气动噪声涉及多个部位，其中主要有头车、尾车、转向架、受电弓、风挡等区域 [4] [5] 。

目前，对于高速列车气动噪声的研究方法主要有现场试验、风洞试验和数值模拟。杨妍等 [6] 使用声阵列，基于反卷积波束形成算法，对高速列车车外声源识别进行测试。王东镇等 [7] 对列车运行时转向架区域的噪声源进行了现场试验研究。贾尚帅等 [8] 通过风洞试验和数值仿真对某高速动车组整车、受电弓以及转向架气动进行分析。高阳等 [9] 通过风洞试验，探究了高速列车1:8缩尺的三节编组模型的气动噪声特性。结果表明排障器位置的气动噪声能量集中在630 Hz~2.5 kHz。相对于现场试验和风洞试验，通过计算流体力学(CFD)和计算空气声学(CAA)对列车的流场信息和噪声分析的成本更低。柳润东等 [10] 采用分离涡(DES)对高速列车外流场进行计算，利用宽带噪声源模型和FW-H方程对高速列车车头、车尾、转向架、受电弓区域的近场噪声源和远场噪声进行分析。季玲等 [11] 选择高速列车的车体表面的噪声源的声功率、空气升力以及空气阻力作为优化目标，对高速列车头型进行多目标优化设计。朱剑月等 [12] 在高速列车排障器底部后端采用扰流措施后，转向架区域的噪声得到了有效控制。陈羽 [13] 等探究了排障器厚度和排障器前缘夹角对气动噪声的影响。

高速列车的头车作为关键的气动噪声源区域，通过控制头车区域的气动噪声对高速列车整车的噪声控制具有重要意义。本文通过数值仿真，探究高速列车头车排障器区域产生的气动噪声情况，通过优化排障器外形降低气动噪声。通过优化排障器，排障器区域产生的气动噪声得到有效的控制。

文章建立了包括头车、尾车、中间车3节编组的高速列车外流场仿真模型，如 图1 所示。本文只研究头车的气动噪声问题，因此没有建立受电弓，并对车辆连接处进行了适当简化。整车长度92 m，计算域入口距车头55 m (大于0.5倍车长)，出口距离车尾155 m (大于1.5倍车长)，高度60 m (大于10倍车高)，宽度72 m (大于10倍车宽)。模型中网格的最小尺寸为24 mm，最大尺寸为64 mm，网格总数约为4500万。划分了12层边界层，边界层厚度约为4 mm。其中，第一层边界层厚度设置为0.08 mm，增长率为1.2，最外层厚度为0.7 mm。

本文分析列车运行时速350 km/h的工况，此时对应的马赫数小于0.3，因此在高速列车外流场仿真分析时采用不可压缩模型。流场边界条件设置如 图2 所示。其中，速度入口设置为97.2 m/s；压力出口设置为0；将地面设置为滑移壁面，其中速度大小为97.2 m/s，方向与速度入口方向相反；车体设置为固定壁面；其他面设置为对称边界。

将高速列车外流场仿真所得的车体表面脉动压力进行积分变换，获取列车表面的声源数据，然后将列车表面声源数据进行傅里叶变换，获得了不同频率下列车表面的声源分布情况，如 图3 所示。

从 图3 中可以看出，气动噪声源主要集中在头车、尾车、转向架、排障器区域。气动噪声源主要集中在30 Hz~1000 Hz，在3000 Hz，头车和排障器区域的声压级较低。

本文只分析高速列车的头车气动噪声，因此建立了如 图4 所示的高速列车外声场模型。考虑到高速列车在实际线路运行时其周围环境可以视为无限大的自由流场，因此将列车运行时的外声场设置为一个半无限大自由流场。考虑到地面对噪声的反射作用，因此将地面设置为全反射的刚性壁面。

由于气流在经过头车排障器时会受到一定阻碍，产生湍流涡团，进而产生较大的脉动压力。本文通过对排障器外形进行优化来降低气动噪声的产生。

本文通过数值仿真，探究了高速列车头车排障器区域的气动噪声源特性。通过对排障器外形进行优化设计，来降低该区域的气动噪声，仿真结果表明对排障器外形进行优化设计可以有效地降低该区域的气动噪声。本文主要得出以下结论：

1) 由于高速气流流过排障器时，在该区域产生了湍流、较大的脉动压力和较大的声压。排障器区域的噪声主要集中在30 Hz~1000 Hz，3000 Hz以上对声源贡献度较小。

2) 通过对排障器外形进行优化设计，取得了有效的降噪效果。在50 Hz、100 Hz、500 Hz、1000 Hz下，优化排障器外形后，声源得到有效的控制。在30 Hz~3000 Hz范围内，对比优化前后排障器区域位置的噪声总值，该区域的噪声总值降低7.4 dB(A)。

中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划(L2022Z002)；中国铁道科学研究院集团有限公司科研开发基金项目(2022YJ254)。

^*通讯作者。