高速列车受电弓气动噪声仿生控制关键技术

本项目依据2011年度高铁联合基金"环保及新技术研究"项目指南的要求，针对高速列车受电弓气动噪声问题，从基础研究与技术应用结合的角度，探索杆件的多元耦合仿生降噪基础理论与技术，并初步用于受电弓的降噪设计。项目的主要内容和技术难点包括：短耳鸮跗跖覆羽及翅膀前缘结构仿生信息的提取、短耳鸮跗跖羽毛层仿生多孔降噪功能材料的研究、杆件噪声多元耦合仿生控制机理、受电主要零部件仿生设计与设计原则以及受电弓总成仿生设计及气动与声学性能分析。项目的开展不仅丰富仿生学的内容，还为解决杆件的气动噪声问题提供新思路。从构形、表面形态及材料多元耦合仿生角度降低受电弓的气动噪声，对于我国急需获得高速受电弓的低噪声技术，具有积极的推动作用。

在低噪声飞行生物的仿生学研究基础上，本项目开展了杆件仿生流动控制降噪技术与机理的研究、仿生隔声吸声材料的研究，并在高速列车受电弓上开展了应用试验。项目圆满完成了申请书的所有研究任务，具体如下：.　　(1)鸮类羽毛结构对其飞行噪声的影响分析.　　本项目研究了鸮翼前缘锯齿结构对长耳鸮扑翼飞行噪声的影响。测试结果表明，去除翼前缘锯齿结构后，在1/3倍频程中心频率200Hz及其以下的低频段，长耳鸮扑翼飞行噪声明显增高，但在200Hz以上频段没有明显的变化。.　　(2)杆件表面仿生功能结构降噪性能及机理研究.　　基于低噪声飞行生物的仿生研究结论，在圆柱表面设计了锯齿结构、V形凹环结构、波纹结构、O型环结构、螺纹箍条结构，在棱柱形杆件设计了锯齿及键形孔结构，应用风洞试验及数值模拟研究了其降噪性能，分析了其降噪机理。结果表明，不同仿生功能结构均可有效降低杆件气动噪声作用，在来流速度为14m/s时，杆件噪声降低了9.4dB。仿生功能结构可阻止杆件后方分离剪切层在卷绕过程中形成大尺度涡，减弱随机脉动造成涡团扩散的强度。.　　(3)仿生吸声材料性能及机理研究.基于鸮皮肤和覆羽的多层次组织结构与形态特征，建立了梯形棱纹表面，背衬空腔以及多层耦合仿生模型，制备了稻壳－聚氨酯仿生吸声材料，测试了其吸声隔声性能。仿生耦合模型在0-2000Hz内的垂直入射平均吸声系数达到0.778，200-2000Hz内达到0.85。低频吸声系数的显著提高可归功于微缝板和柔性微穿孔膜的Helmholtz效应，与多孔材料结合则导致宽频段内吸声系数的进一步提高。稻壳－聚氨酯仿生吸声复合材料具有优异的吸声隔声性能，低频段吸声系数可达0.93。.　　(4)高速列车受电弓仿生流动控制降噪试验及数值模拟.应用传声器阵列及数值模拟，对受电弓的声学性能进行了评价，确定了气动噪声产生的主要部件为弓头、弓角及支杆等，并对其进行了仿生改进设计。结果表明，来流速度U= 83.3m/s时，与原受电弓模型相比，改进后受电弓模型弓头部位对气流的扰动要明显减小，在5个噪声监测点处的总声压级分别降低了0.1、3.0、3.3、3.8和1.9dB。