基于非结构网格的高速列车气动噪声LBM数值方法研究

随着高速列车运行速度的提高，噪声问题正受到越来越多的关注。数值研究能够高效低成本地实现对高速列车气动噪声的计算分析，LBM（Lattice Boltzmann Method）数值计算方法具有并行性高、易于编程的特点，正受到越来越多的关注。但目前LBM方法多采用均匀网格进行数值计算，对处理高速列车等具有复杂外形的物体有一定难度。基于申请人前期对LBM方法理论及其应用的研究，有望解决这一问题。本项目针对气动噪声高精度低色散的计算特点，拟建立非结构网格下有限体积LBM（FVLBM）离散格式，应用移动最小二乘法（MLS）构建通量重构函数，提高计算精度，降低色散度，实现复杂外形气动噪声LBM数值计算方法，且应用该方法对高速列车进行气动噪声数值模拟，为其降噪设计提供合理化建议。该研究拓展了LBM方法在气动噪声数值计算领域的应用，具有较高的理论价值和应用前景。

本项目在三年的研究工作中对基于非结构网格的高速列车气动噪声LBM（Lattice Boltzmann Method）数值方法问题进行了详细的分析、研究和计算。申请人根据前期在LBM 方法理论及其应用的方面的研究，再根据气动噪声高精度低色散的计算特点，建立了非结构网格下有限体积LBM（FVLBM）离散格式，应用移动最小二乘法（MLS）构建通量重构函数，提高计算精度，降低色散度，结合LES(Large eddy simulation)，初步实现了复杂外形气动噪声LBM 数值计算方法，并且对高速列车气动噪声的产生机理和分布情况进行了初步计算模拟，为高速列车的气动设计提供快捷、高效、可靠的降噪优选方案。.基于移动最小二乘法的有限体积格式（FV-MLS）方法应用在求解N-S方程和Euler方程的气动声学的计算中，构造了高分辨率的计算格式。由于移动最小二乘法的有限体积格式 ( FV-MLS ) 具有计算精度高、构造简单等优点，本项目将FV-MLS 格式应用到LBM方法中建立了基于MLS 方法的有限体积LBM的离散 ( MLS/FVLBM ) 格式，并且通过选用合适的权函数，调节权函数中的参数来减小色散，从而实现了非结构网格上高分辨率低色散有限体积LBM离散格式的研究。并对典型的噪声问题进行了计算，验证了算法的可靠性和正确性。.将大涡模拟（Large Eddy Simulation ，LES）和多弛豫时间格子玻尔兹曼（Multiple Relaxation Time（MRT）LBM）方法相结合，解决了LBM方法在高雷诺数流动模拟产生的数值不稳定的问题。文中结合D2Q9-MRT模型与Smargorinsky涡粘模型，对高雷诺数下二维圆柱绕流进行数值模拟。并根据实验结果，系统分析了圆柱绕流涡的脱落形态，以及Strouhal数和其阻力升力系数随雷诺数的变化情况。实验结果表明该方法可以很好增加LBM在高雷诺数模拟中数值稳定性。.由于近年来我国高速列车运行速度的不断提高，气动噪声已经成为高速列车噪声的主要来源，因此，该项目针对某型号高速列车外形进行了网格生成，并且应用基于MLS/FVLBM格式的LBM方法对列车外流场进行了气动噪声数值分析，并且和现有Fluent商用软件的计算结果进行了对比分析，给出了高速列车气动噪声的主要来源和列车上的大致分布，为我国高铁工程的发展贡献了一份力量。