运行低温对高速列车气动特性的影响（英文）

目的：受空气物理参数变化影响,低温下列车周围的流场特性与常温时存在差异。本文旨在对高速列车在低运行温度下的空气动力学性能及流场特性变化研究予以补充,探究低温对列车周围流场、列车风及列车尾流等方面的影响,以提高高速列车的抗高寒性能。创新点：1.将气体参数设置为低温环境,探究列车相比常温下的气动性能及周围流场的变化。2.对比不同低温环境,探究不同程度低温对列车气动特性的影响。方法：1.通过基于SSTk-ω湍流模型的IDDES数值计算方法对高速列车在雷诺数约为1.85×10⁶的条件下低温运行的流动特性进行仿真。2.依托后处理软件对不同温度下列车气动阻力、表面压力分布、车身周围流动及尾流等进行分析。3.将结果进行比对,得出不同程度低温对列车气动特性的影响。结论：1.低温显著增加列车气动阻力;相比常温环境,0℃、-15℃及-30℃时的气动阻力分别增加了5.3%、11.0%和17.4%。2.低温会增强车体周围的正负压力场,进而提高冲击流及流速快速变化区域的正负压力峰值。3.低温时,列车风的作用范围缩小,涡量分布区域后移,而转向架舱内的气流流速增加。4.低温时,列车的尾流速度降...     

喷孔上游涡流发生器诱导下的横向射流流动特性研究（英文）

目的:通过在喷孔上游安装涡流发生器(VG)来研究超声速横向射流(JISC)的流动特性。采用纳米粒子平面激光散射(NPLS)和空间粒子图像测速(SPIV)技术对流场进行观测,并设计三种工况进行对比实验,以研究横向射流的流动特性。创新点:1.采用NPLS和SPIV为实验观测手段,定量化地研究涡流发生器对超声速来流的穿透深度和横向扩散的影响;2.根据实验观测结果展示涡流发生器与横向射流相互作用的流场特性,揭示涡流发生器的混合增强机理。方法:1.采用NPLS流场进行观测,获得瞬态流场灰度图(图6、7和10～12),并分析不同观测平面的瞬态流场结构;2.基于瞬态流场灰度图,通过边缘检测和统计分析方法,提取射流穿透深度和横向扩散边界(图14),并对涡流发生器的混合增强效果进行分析;3.采用SPIV技术对流场进行观测,获得多个观测截面的平均速度场,并根据速度场计算涡量场(图8、11和15),揭示射流流向涡的涡量分布。结论:1.在设计的三个实验工况中,CASE0是横向射流基本工况;与CASE0相比,CASE1中的VG在喷孔附近的羽流两侧产生了两个诱导涡,在形态上形成了一个耳朵形涡结构;CASE2中VG尾流的间歇性大尺度涡对射流迎风侧的诱导涡起主导作用,产生了一个大尺度流向涡。2.与CASE0相比,CASE1中射流的穿透深度和横向扩散边界分别增加了8.5%和17.0%,而CASE2中的穿透深度和横向扩散边界分别增加了26.2%和0.5%;因此,在CASE2中,穿透深度的增加更显著,而横向扩散没有明显改善,这与相互作用模式的涡结构特性有关。3.涡量分布表明,CASE1中存在一个复杂流向涡系统,且VG的尾流在射流反转旋涡对(CVP)的内侧形成了一对诱导涡,而在CASE0中,诱导涡应该在CVP的下方。4.根据多个yoz截面的涡量场分布可以发现,VG促进了射流肾形涡的形成和发展。     

DPIV技术在HY-750低速风洞实验中的应用探索

为进一步提高航空气动力教学设计性实验水平,增强对新型导弹、无人机、舰载机和舰船的气动特性研究能力,根据DPIV技术的基本原理和非接触式整体流场成像的特点,将DPIV技术可有效应用于绕流、喷流、分离流等复杂流场结构的显示和研究,探讨将DPIV实验装置应用于HY-750风洞的升级改造,以提高"飞行器表面涡分布"和"翼型表面压力测量"等实验的流场显示效果,促进导弹垂直发射气动干扰、航母飞行甲板扰流流场特性、舰船尾流干扰等海军特色气动问题以及新型作战飞行器气动特性的研究工作。     

地面效应对高速列车流场结构及气动噪声的影响（英文）

目的：高速列车作为高速地面交通工具,不可避免地会遇到地面效应问题。地面效应模拟一直是高速列车风洞试验的技术难点。地面效应现象的准确模拟对高速列车空气动力学和气动噪声的预测精度有很大的影响。通过对比4种地面模拟系统（GSS）的流声场结果,研究不同GSS对流场结构、气动声源和远场辐射噪声特性的影响规律,为高速列车声学风洞试验提供指导。创新点：1.搭建高速列车地面模拟系统,模拟不同边界条件;2.明确轮对旋转与地面滑移对高速列车气动噪声幅值的相对增量及影响频率范围。方法：1.在仿真系统中建立“移动地面+旋转轮对”、“静止地面+旋转轮对”、“移动地面+静止轮对”和“静止地面+静止轮对”四种地面模拟系统;2.采用大涡模拟和旋度声学积分方程,对高速列车的流声场结果进行模拟;3.通过对比4种GSS的流声场结果,研究不同GSS对流场结构、气动声源和远场辐射噪声特性的影响规律。结论：1.移动地面和旋转轮对是影响列车底部气动声学性能的主要因素;2.旋转轮对对整车等效声源功率的影响不大于5%,且移动地面对整车等效声源功率的影响大于15%;3.旋转轮对对整车辐射声压级的平均影响为0.3d BA,且运动地面对整车...     

不同运行条件下的高速列车车内噪声特性分析（英文）

目的:研究高速列车在不同速度(260~385 km/h)、无砟和有砟轨道以及明线和隧道运行时的车内噪声特性,为高速列车车内减振降噪和车体低噪声设计提供科学依据。创新点:系统分析高速列车在不同运行条件下的车内噪声总值变化、空间分布、频谱特性和声源贡献,掌握车内噪声随列车运行速度的变化规律、轨道型式和隧道混响对车内噪声的影响,研究轮轨噪声、气动噪声和弓网噪声对车内噪声的作用。方法:1.根据不同的列车运行速度,分析车内噪声的变化规律;通过进一步对比头尾车运行时,不同测点位置的噪声总值、显著频率和声源贡献,研究气动作用对车内噪声的影响。2.针对不同轨道型式,分析车内噪声的差异特性;通过进一步对比不同速度下的前、后转向架上方车内噪声测点(其中一个还位于受电弓下方)的噪声总值、显著频率和声源贡献,研究有砟和无砟轨道、弓网噪声对车内噪声的影响以及速度因素的作用。3.对于隧道运行,分析不同速度下在明线和隧道运行时的车内噪声总值和显著频率,研究隧道混响对车内噪声的影响以及速度因素的作用。结论:1.TC01车无论作为头车或尾车运行,车内观光区的噪声均主要受气动作用影响。2.随着列车运行速度的提高,轨道型式的不同对车内噪声的影响有所降低。3.隧道混响对中间车的影响要高于头车。     

基于大涡模拟方法研究大跨度曲面屋盖非定常气动力的特性（英文）

目的:探讨作用于大跨度曲面屋盖非定常气动力的特性,为考虑非定常气动力影响的大跨度曲面屋盖抗风设计提供理论参考。创新点:1.采用强迫振动试验;2.采用大涡模拟(LES)流入脉动风的生成方法;3.研究大跨度曲面屋盖非定常气动力特性。方法:1.通过强迫振动风洞试验方法探讨风速、强迫振动振幅、屋盖的矢跨比和缩减频率对非定常气动力的影响;2.采用计算流体力学数值模拟重现风洞试验,从而在更宽的缩减频率范围内分析非定常气动力的特性,并且通过可视化流场的分析探讨风与屋盖相互作用的机理。结论:1.屋盖的振动对屋盖表面的风压分布影响较大。2.屋盖的振动可能抑制屋盖背风面漩涡的脱落。3.根据风洞试验和数值模拟的结果分析得到的矢跨比、风速和振动振幅对气动阻尼系数和气动刚度系数的影响较小;气动阻尼系数和气动刚度系数主要随着缩减频率的变化而变化。4.气动刚度系数为正值,使得结构的总刚度减小,从而减小结构的固有频率;气动阻尼系数为负值,使得结构总阻尼增加。5.风洞试验和LES模拟结果的一致性可以说明,LES是一个能够有效研究非定常气动力特性的数值模拟方法。     

适用于吸气式高速飞行器的蚌式进气道堵盖气动设计及数值模拟研究（英文）

目的:吸气式高速飞行器在助推阶段需要对进气道采取保护措施,而应用传统的圆锥体载荷式整流罩存在体积大、质量重等缺陷。为避免载荷罩的空间雍余,基于激波干扰理论,本文旨在提出一种通用型可实现气动自分离的整流罩设计方法,并探讨设计的两组构型在两个弹道特殊状态点的气动力和气动热特性,以及研究构型的适用性和基本气动性能。创新点:1.通过激波干扰理论模型方程,推导出环境变量与构型基本尺寸之间的关系;2.建立气动设计模型,成功求得助推阶段和整流罩分离状态点的气动特性;3.新构型减轻了整流罩系统重量,实现了自分离,简化了机械结构系统。方法:1.通过理论推导,得到飞行器头锥长度和进气口尺寸变化对整流罩构型设计的影响;2.通过数值计算,得到异形整流罩及头锥附近流场分布受设计型面的影响以及产生的适应性气动力。结论:1.整流罩在分离状态可产生负升力,有自动打开的趋势;2.减小整流罩的设计长度有利于气动减阻和降低峰值热流;3.整流罩前缘的极限热流约为13 MW/m~2,在所选复合材料的受热范围内。     

超燃冲压发动机喷管流场流向涡特性研究

超燃冲压发动机喷管是发动机提供推力和升力的主要部件,因此对该流场流向涡特性的研究具有重要意义。采用计算流体力学软件运用数值模拟的方法对超燃冲压发动机喷管的三维流场做定常计算,得到了流场各个截面的流线图。结果表明:外喷管流场中的流向涡起源于喷管下壁面两侧,流向涡随着流动的发展涡的强度会逐渐减弱,且发现外喷管流场中上壁面两侧边缘附近流线开始出现弯折。这是由于此处存在边界层分离现象,该处流场的扰动会向下游传递,并在尾流中形成流向涡;尾流流场流向涡起源于上壁面尾部两侧,随着流动的发展流向涡的尺度逐渐增大,并且涡核有明显靠近的趋势,当两个流向涡边界发生接触时,涡核位置的变化不再明显。同时由于涡尺度的增大流向涡之间会发生挤压变形,但在一定长度内的尾流流场中流向涡不会发生相互卷并。     

超声速台阶壁面燃烧室中射流抬举火焰的稳定机制（英文）

目的:深入理解超声速条件下火焰稳定机制,为超燃冲压发动机燃烧室的优化提供理论基础。创新点:1.通过大涡模拟准确地再现Burrows-Kurkov实验中台阶壁面射流燃烧室的反应流场;2.揭示射流火焰稳定抬举的机制;3.总结射流总温对火焰抬举特性的影响。方法:1.采用大涡模拟,获得了瞬时和时均的反应流场参数;2.通过计算燃烧学的数据分析,提取湍流火焰特性。结论:1.自点火过程维持了混合层中抬举火焰的稳定,并进一步在下游形成充分发展的湍流扩散火焰;2.升高射流总温会使火焰抬举高度降低,而过高的射流总温会抑制火焰温度的升高。     

基于小波变换的高速磁浮导轨模型更新方法（英文）

以高速磁浮交通导轨结构为研究对象,针对高速磁浮导轨结构模型与实测结构模态参数不一致的情况,依托600 km时速高速磁浮车辆及高速磁浮试验线,对12.384 m长的混凝土导轨直道段进行测点布置和振动加速度数据采集.在响应信号中利用小波变换识别导轨结构模态参数,并采用最大坡度法提取小波脊线,分析高速磁浮导轨结构与时速600 km/h磁悬浮车辆相互作用振动特性的频率参数和振动模态.建立导轨结构模型来更新目标函数,采用反复迭代法更新和修正初始导轨模型,获得与实际结构相符合的高速磁浮导轨模型结构.结合18自由度的高速磁浮列车车轨耦合动力学模型,验证了更新后导轨模型在动力响应计算方面的精确性.研究结果表明,基于小波变换与最大坡度法的模型更新方法具有识别速度快、精度高的特点,可有效获得符合实测结构模型参数的精确导轨模型,确保车轨耦合动力分析计算的正确性,该方法同样适用于高速磁浮列车其他结构的模型更新.     

小型垂直轴风力机叶片气动特性模拟与分析

针对NACA4412翼型风力发电机扰流流动特点,建立了二维和三维不可压缩湍流模型,并对基于流体连续性方程和N-S方程及k-ε湍流模型的二维流场进行数值模拟计算。采用多参考系计算（MRF）模型,用FLUENT模拟了流场内翼型截面的受力情况和速度分布情况,得到了NACA4412翼型风机的气动特性。     

基于壁面函数大涡模拟研究横流通道对转静系盘腔流动特性的影响（英文）

目的：本文旨在探究带有均匀预旋速度的外部横流对转静系盘腔流动特性的影响,从而指导对真实发动机条件下涡轮盘腔流动特性的研究。创新点：1.采用壁面函数大涡模拟（WMLES）方法,获得了带有横流通道的转静系盘腔更为精细的流场结构;2.识别了盘腔轮缘处的开尔文-赫姆霍茨（K-H）不稳定性,并探究了K-H剪切涡结构对轮缘处流动特性的影响。方法：1.通过高精度大涡模拟方法,捕捉流场中的精细化流场结构。2.结合理论推导,通过对于流动结构的机理和动力学分析,探究外部横流和盘腔耦合流动特性。结论：1.由于雷诺平均（RANS）模拟对壁面小尺度涡结构和输运方程的解析能力不足,所以RANS模拟流场与WMLES模拟流场出现了明显偏差。2.在横流和盘腔流动的耦合作用下,由于轮缘处的速度剪切诱导产生K-H涡结构,所以这些涡结构将会加强轮缘处的外部入侵和盘腔出流流动。3.在外部入侵和盘腔出流的影响下,盘腔端区发现了大尺度流动结构;这些大尺度流动结构以一定的转速旋转,且其转速和数量可以通过快速傅里叶变换以及相关性分析确定。     

高速磁浮轨道不平顺测试及分析（英文）

研究目的:提出高速磁浮轨道不平顺处理方法,分析不平顺特征,拟合形成轨道谱,为线路空间维护提供参考。创新要点:实现了对高速磁浮轨道不平顺的提取,确定了轨道谱参数。研究方法:基于惯性基准法,运用数字信号处理方法实现对轨道不平顺的提取,采用最小二乘法拟合得到定子面和导向面七参数轨道谱。重要结论:定子面和导向面分别在5–100 m和10–100 m波长范围内平顺性状态较好,由功能件安装等引起的1–5 m和1–10 m波长范围内的偏差应严格控制。     

汽车多攻角尾翼的空气动力特性研究

利用数值模拟研究方法,研究了多几何攻角尾翼的工作状况。通过稳态模拟分析,得到汽车气动阻力、负升力、压力分布、涡流及车身周围流场变化。结果表明,气流由车顶流至车尾,会产生下洗流。由于下洗流的存在,导致尾翼中部的实际工作攻角要大于设计使用攻角,造成气流分离,产生阻力、减小升力。本文提出了一种全新的设计理念,采用多几何攻角的尾翼来适应汽车尾部的复杂流场。本研究为汽车空气动力学附加套件的设计与应用提供了一种新的认识,并为汽车的尾翼设计提供重要参考。     

三分螺旋折流板换热器壳侧通道二次流分析

采用数值模拟方法分析了35°倾斜角三分螺旋折流板换热器壳侧流体流动特性,重点考察了壳侧通道的二次流分布.在子午切面上的结果表明：壳侧通道内轴心区域的流体受螺旋流动离心力的作用存在向外扩张的趋势,而外围区域的流体在向心力的作用下存在向轴心流动的趋势;在壳侧通道的每个螺旋周期内,流线分成上下2股,并在左侧折流板附近形成迪恩涡,在右侧折流板附近开始向心流动并最终被吸进轴向主流中.一个螺旋周期内平行的2块折流板之间多个平行切片的结果进一步证实了二次流的存在,同时还显示了V形缺口处存在的倒流现象.二次流有利于螺旋通道内流体的掺混,有效促进主流流体与近壁流体的动量和质量交换,从而可强化此类换热器的传热.     

高速列车头部外形多目标气动优化设计（英文）

目的:为改善高速列车明线运行时的气动性能,提出一种基于近似模型的高速列车头部外形多目标气动优化设计方法。创新点:1.建立包含转向架区域的高速列车参数化模型;2.基于近似模型并结合遗传算法,对高速列车头部外形及转向架区域进行多目标气动优化设计。方法:1.建立包含转向架区域的原始头型高速列车模型(图2和3),并基于CATIA脚本文件和MATLAB自编程序对列车头部外形进行参数化处理;2.通过最优拉丁超立方设计方法在设计空间内对优化设计变量进行采样,并采用计算流体动力学方法对样本点中新头型列车气动性能进行计算;3.基于样本点的列车头型优化设计变量及优化目标(表4),建立优化目标与设计变量之间的近似模型;4.基于近似模型和多目标遗传算法,对高速列车头部外形进行多目标优化设计,选取其中的一个优化头型与原始头型进行比较,并验证横风下优化头型的可行性。结论:1.相较于原始头型列车,无横风时,优化头型列车的整车气动阻力减小2.61%,尾车气动升力减小9.90%;2.横风下,优化头型列车的整车气动阻力减小2.98%,头车气动侧力减小0.24%;3.横风下,优化头型列车的头车气动载荷波动幅值有所减小。     

船用螺旋桨流动尺度解析模拟与粒子图像测速验证（英文）

目的:船用螺旋桨性能评估中常用的雷诺平均方法(RANS)存在许多难题,特别是在处理边界层发展、尺度效应、翼尖和轮毂涡等复杂流动现象时。本文使用动态大涡模拟(DLES)、延迟分离涡模拟(DDES)和应力混合涡模拟(SBES)三种尺度解析模拟(SRS)方法,以提高流动特性预测的准确性。创新点:1.通过SRS方法详细地描述螺旋桨流场的不规则和多尺度湍流结构;2.通过粒子图像测速(PIV)试验,分析缩比螺旋桨的真实流场。方法:1.考虑叶片的周期分布和计算消耗,提取1/5的螺旋桨计算区域,并采用局部网格细化方法,获得分辨率足够高的网格模型(图1);通过仿真结果与已有试验数据的对比,验证SRS方法在螺旋桨性能预测方面的可行性与有效性(图3)。2.通过搭建PIV试验装置(图4),得到缩比螺旋桨在特定横截面上的速度和涡量分布情况下的尾流演变(图9和10),从而分析SRS方法对流场结构的捕捉能力。结论:1.通过定量和定性分析发现,SRS方法在预测特征参数和捕捉流场信息方面表现良好,特别是值得重点关注的SBES模型;2.作为一种可视化流场分析工具,PIV测量方法可以为螺旋桨等旋转机械的设计和性能改进提供一定的参考依据。     

不同速度高速列车车外噪声的调查研究

研究目的：基于声源识别,得出车外噪声分布特性及场点主要噪声源。创新要点：1．研究高速列车噪声源强特性及频谱特性;2．揭示不同速度下不同声源频谱变化规律;3．分析车外声场场点噪声变化规律及主要声源。研究方法：1．利用车外声源识别系统（图2）分析高速列车声源分布规律及频谱特性;2．利用声源的垂向（图10）分布研究不同声源在各频率下垂向分布规律;3．利用场点声源与速度的拟合关系（图16）研究场点主要噪声源。重要结论：1．高速列车车外噪声源主要分布在轮轨区域、受电弓和车间连接区域;2．轮轨区域噪声包括滚动噪声和气动噪声,在各频率均为最显著声源;3．在整个列车高度,轮轨滚动噪声对总噪声贡献率大于气动噪声;4．车外场点噪声主要频率为630-2500Hz,主要来自轮轨滚动噪声。     

典型工况下液力偶合器内流场PIV试验

为探究大功率调速型液力偶合器流场内部流动规律,建立了偶合器内/外特性同步测试试验台,利用粒子图像测速(PIV)技术对偶合器内流场进行测量,分析流场在不同工况条件下、不同流道区域的速度及涡量场分布,建立内外特性的关联关系。结果表明:额定工况时,偶合器内流场流动平稳,随着转速比的降低,流动逐渐趋于紊乱;过渡工况时,流场出现环流转换的趋势,对应于外特性力矩出现大幅度跌落;制动工况时,流场速度方向变化最为剧烈,涡轮入口处液流不断冲击涡轮叶片压力面,使吸力面附近逐渐出现大面积的低速区,最终在速度梯度较大的涡轮入口流道中部靠近吸力面处形成多处漩涡。     

基于浸入边界-格子波尔兹曼通量求解法的并列双圆柱流动特性数值研究（英文）

目的:本文旨在应用新型数值求解方法,即浸入边界-格子波尔兹曼通量求解法,研究并列双圆柱流动特性,并探索该数值方法在工程应用中的可行性。创新点:1.将浸入边界法与格子波尔兹曼求解法相结合,简单并高效地实现在非均匀直角网格下求解不可压流动以及动边界问题;2.应用浸入边界-格子波尔兹曼求解法研究并列双圆柱流场特性。方法:1.通过理论推导,建立状态变量和通量与格子波尔兹曼方程中粒子密度分布函数之间的关系(公式(8)~(10));2.采用强制浸入边界法处理流固界面使固壁表面满足无滑移边界条件,实现在笛卡尔网格下求解运动边界问题;3.通过数值模拟,探讨雷诺数和圆柱间距对静止双圆柱受力及流场尾流特性的影响以及雷诺数、间距和旋转速度对旋转并列双圆柱受力及尾流特性的影响规律。结论:1.浸入边界-格子波尔兹曼求解法可以简单实现采用非贴体网格求解不可压流动及动边界问题。2.对于并列静止双圆柱,随着间距的增加,双圆柱尾流场的相互作用逐渐消失,尾迹由无规则性转变为规则的同相位流动或反向流动;雷诺数影响圆柱受力系数。3.对于并列旋转双圆柱,雷诺数对旋转圆柱受力影响较弱;旋转速度可以抑制单圆柱尾流场的非定常效应;随着圆柱间距的增加,双圆柱后方形成固定的相位关系以及同一频率的脱落涡。