高速列车表面脉动压力测试原理与信号提取方法研究

The surface fluctuation pressure on high speed train is formed by turbulent flow field which is around the train when it travels. The fluctuation pressure can cause aerodynamic noise and structural vibration. In order to forecast and control the noise and vibration, the fluctuation pressure signal and power spectrum are needed. But it's always limited by Computer hardware conditions and Turbulence model assumptions, the fluctuation pressure's numerical modeling result need test to prove. The fluctuation pressure's amplitude is low, the band is wide, and the test require little influence to flow field. However there are lots of interference factors in the testing environment, so the test is difficult and the test signal's SNR is low. Now, the surface pressure can only be extracted by the signal's LPF, which is average pressure, but the fluctuation pressure can't be extracted effectively. This project will combine theoretical analysis, numerical simulation, and model test, build internal multi-factors coupling model of sensor's test principium and interior finite element modeling. Adopt the empirical mode decomposition of Hilbert-Huang transform, combining with multi-factors coupling model of sensors, and multivariable control as well as system identification theory. On the application, extract the fluctuation pressure from the test signal and analyze its power spectrum, put forward measures to decrease the fluctuation.

高速列车表面的脉动压力是列车行驶时，列车周围附近的空气湍流场形成的表面气压脉动。脉动压力引发气动噪声与结构振动等问题。为了对气动噪声和振动的预测与控制，需要知道列车表面脉动压力信号或功率谱。但受计算机硬件及湍流模型假设所限制，列车表面脉动压力的数值模拟结果需要试验值来验证。列车表面脉动压力幅值低、频带宽，测试要求对流场影响小，测试环境存在多因素耦合干扰，造成测试困难和测试信号的信噪比低，难于有效提取脉动压力。目前列车表面压力只能通过测试信号滤波提取出平均压力，而脉动压力尚不能有效提取。课题拟采用理论分析、数值模拟、模型试验相结合方法，对传感器测试原理进行内部有限元分析，建立内部多因素耦合模型；将希尔伯特-黄变换的经验模态分解法与传感器内部多因素耦合模型结合，用多变量控制与系统辨识理论对脉动压力提取方法展开研究。在应用上，对线路试验信号提取脉动压力及功率谱分析，提出进一步减小脉动压力的措施。

随着高速列车运行速度的提高，气动噪声越来越大。当列车速度超过250km/h时，气动噪声将超过轮轨噪声等其它噪声，占据列车噪声的主导地位，而脉动压力是气动噪声之源。为了实现气动噪声的预测和振动控制，研究脉动压力的形成机理与特性具有重要意义。. 通过理论分析、流体计算模拟及试验研究，探明了高速列车表面脉动压力的形成机理及其分布特性。结果表明：脉动压力具有幅值低、频带宽等特点，随着车速提高，脉动压力幅值将增大，且主要能量向高频转移。. 根据列车表面脉动压力特性，选用测试性能较高的压阻式传感器贴于列车表面进行压力测试。但现有测试方法仍然难以满足脉动压力测试所需的高灵敏度与线性度的测试性能，为此，采用CFD流体仿真数值模拟了传感器尺寸对流场的影响，确定了传感器尺寸大小。通过微电子机械力学建模与有限元仿真设计了双岛结构和双岛-横梁结构的传感器内部结构，使得传感器测试性能有了较大提高。将所设计的传感器结构集成为阵列传感器，能够更全面准确地收集脉动压力及其空间变化信息。. 针对压阻式传感器受振动、温度干扰影响较大的问题，通过有限元方法模拟了振动与温度对传感器的测试干扰，建立了多传感器融合的干扰补偿方法。利用热学综合实验台进行了压力传感器的温度效应试验，同时搭建了模型车振动试验台，利用改进的EEMD方法与基于EEMD-SVD和相空间局部投影的方法对振动干扰进行了分离研究。针对线路实车测试所受环境复杂、测试信号信噪比低的问题，搭建了风洞试验台，完成了不同风速下模型车表面的气压、振动、温度、噪声的测试试验。 . 对于数值模拟信号中的脉动压力采用希尔伯特-黄变换提取，由于实际测试信号中脉动压力易受干扰、信噪比低的原因，提出了小波变换阈值去噪方法进行脉动压力提取。项目通过对提取的脉动压力的机理、特性和测试方法的研究，为气动噪声的预测提供支撑，也为高速列车外形及气动部件的设计提供指导，同时脉动压力能够作为激振载荷应用于列车的结构振动研究中。