基于边界层控制的高速列车减阻技术

为减小高速列车在运行过程中的气动阻力,提出一种基于边界层控制的减阻技术。以CRH3高速列车为研究对象,通过在车体表面加设球窝非光滑表面来控制边界层的湍流特性,实现列车运行减阻效果;通过PRO/Engineer三维软件建立了高速列车模型、参数化的球窝模型和计算域模型,在不影响研究效果的前提下,对高速列车模型进行简化处理以减少数值仿真计算周期;为使网格能够更好地贴合流线型车体和球窝非光滑表面,采用ICEM CFD软件对计算域进行非结构网格划分;在考虑列车表面粗糙度对气动阻力的影响工况下,应用商业流体软件FLUENT中的k-ε湍流模型对列车在300km·h~(-1)明线运行工况下的列车外流场进行数值仿真分析。仿真结果表明:只在尾车加设球窝非光滑表面更有利于列车减阻,且随球窝的半径、深度和阵列距离的增大,列车的气动阻力均呈先下降后上升的趋势;当球窝阵列距离为350mm,球窝半径为80mm,球窝深度为10mm时,球窝非光滑表面的减阻效果最好,此时气动阻力为2 220.4N,没有加设球窝非光滑表面的列车气动阻力为2 967.9N,减阻率可达25.19%。可见,采用球窝非光滑表面来改变边界层湍流特性是降低列车气动阻力的有效途径。     

边界层网格参数对汽车外流场模拟结果的影响

为了提高汽车外流场数值模拟计算的精度,对边界层网格特征尺寸参数进行优化设计,分析各参数对模拟结果的影响。在MIRA直背车型基础上,选取第一层边界层厚度、边界层总厚度和边界层层数为设计变量进行实验设计,以阻力系数Cd和升力系数Cl为优化目标进行多目标优化,依据响应值Cd和Cl的Pareto图探究各设计变量与响应值的效应影响,最后将风洞试验和优化后数值模拟计算的Cd、Cl及速度流场情况进行对比。结果表明:第一层边界层厚度与边界层总厚度的交互效应对Cd影响最大,边界层层数和边界层总厚度的单因素效应对Cl影响较大;优化后,Cd和Cl的计算误差减小,速度流场显示与PIV实验的一致性亦得到较大改善。     

尾翼对高速汽车气动特性及制动性能的影响

为了提高高速汽车在湿滑、冰雪路面紧急制动时的主动安全性,以MIRA模型为基础,设计了尾翼系统,对加装尾翼的MIRA汽车进行外流场数值模拟,分析了尾翼对高速汽车气动特性及制动性能的影响,并研究了尾翼攻角、纵向水平距离和垂向高度参数的影响规律.结果表明:高速汽车加装尾翼后增加了整车的气动阻力和负升力,有利于提高有效制动力;...     

动车组明线运行空气动力学数值仿真

通过采用不可压缩粘性流体的N-S方程和K-ε双方程湍流模型,建立了带有车轮的200 km/h动车组模型,对其明线运行的外流场进行了空气动力学仿真.并对列车壁面附面层网格进行了细分,得出压力、速度的分布规律,针对网格划分对计算结果的影响进行了探讨.得出如下结论:列车的阻力系数为0.436,升力系数为0.014;此型200 km/h动车组车尾的安全避让距离为6 m;当加密附面层网格使y+从2200减小到55时,阻力系数提高15%.     

列车绕流的瞬态与稳态数值模拟对比

采用大涡模拟（Large Eddy Simulation,LES）和基于雷诺平均（Reynolds Average Navier-Stocks,RANS）的SST（Shear Stress Transport）k-ω湍流模型,分别对高速列车单车明线运行进行瞬态和稳态的仿真计算,通过与实车测试数据比较对数值模拟进行了验证.对比分析LES和RANS的计算结果发现：对于车头表面测压点,LES和RANS都能给出高精度的计算结果,且LES的瞬态计算结果表明,表面压力最大值在一个很宽的范围内波动;对于列车绕流结构,LES较RANS表现出更强的小尺度涡的捕捉能力,尤其表现在复杂的尾流区;通过气动力系数的傅里叶变换分析了波动的频域特性.LES在较复杂列车模型外流场模拟中的高计算精度,及其广泛的结果信息可以为列车的系统耦合设计提供可靠的数据参考.     

动车组明线运行空气动力学数值仿真

通过采用不可压缩粘性流体的N-S方程和K-ε双方程湍流模型,建立了带有车轮的200 km/h动车组模型,对其明线运行的外流场进行了空气动力学仿真.并对列车壁面附面层网格进行了细分,得出压力、速度的分布规律,针对网格划分对计算结果的影响进行了探讨.得出如下结论：列车的阻力系数为0.436,升力系数为0.014;此型200 km/h动车组车尾的安全避让距离为6 m;当加密附面层网格使y＋从2200减小到55时,阻力系数提高15%.     

队列行驶三辆汽车外流场的数值模拟

以智能车辆的MIRA简化模型作为研究对象,在自动控制的前提下,采用移动地面边界条件,对单车和队列行驶状态下的汽车外流场进行了数值模拟研究.分别获得了单车和各种行驶工况下的三辆汽车对称面的压力分布,队列行驶三辆汽车的压力分布与单车的压力分布相似,但是后两车前部的正压区明显减弱.对于等间距和不等间距2种行驶情况,改变车辆之间的距离来模拟多种状态.气动阻力的对比分析说明:队列行驶的三辆汽车,后两车的气动阻力都低于前车的气动阻力,而且平均气动阻力与单车相比均有了一定程度的降低.通过间距的改变分别进行数值模拟,获得了间距对前后行驶三辆汽车气动阻力影响的规律,为以后队列行驶的深入研究奠定了基础.     

队列行驶三辆汽车外流场的数值模拟

以智能车辆的MIRA简化模型作为研究对象,在自动控制的前提下,采用移动地面边界条件,对单车和队列行驶状态下的汽车外流场进行了数值模拟研究.分别获得了单车和各种行驶工况下的三辆汽车对称面的压力分布,队列行驶三辆汽车的压力分布与单车的压力分布相似,但是后两车前部的正压区明显减弱.对于等间距和不等间距2种行驶情况,改变车辆之间的距离来模拟多种状态.气动阻力的对比分析说明:队列行驶的三辆汽车,后两车的气动阻力都低于前车的气动阻力,而且平均气动阻力与单车相比均有了一定程度的降低.通过间距的改变分别进行数值模拟,获得了间距对前后行驶三辆汽车气动阻力影响的规律,为以后队列行驶的深入研究奠定了基础.     

高速列车车内中高频气动噪声计算方法

利用SST k-w湍流模型计算了高速列车的外部非定常流场,提取了车身表面的脉动压力；基于统计能量分析理论,建立了高速列车车内中高频气动噪声分析模型,确定了模型中各个子系统的参数,计算了由车外脉动压力诱发产生的车内气动噪声.计算结果表明:高速列车车头的脉动压力变化最剧烈；在中高频范围内,司机室和乘客室的声压级随着频率的增...     

基于非光滑单元体结构的车身气动特性研究

利用计算流体动力学的方法,对光滑表面MIRA阶梯背模型进行了外流场数值模拟与试验验证;根据仿生非光滑表面减阻理论,确定了凹坑型非光滑单元体的布置位置及尺寸,并对凹坑型非光滑单元体结构因素对减阻特性的影响进行仿真分析;并基于正交实验设计对凹坑型单元体的结构因素进行优化,仿真表明最优结构组合的减阻率可达10.54%;最后从压差阻力、诱导阻力和摩擦阻力3个方面对凹坑型非光滑单元体最优结构组合改进前后的减阻机理进行了对比分析,显著提高了车身的减阻效果。     

移动地面条件下的微型车外流场数值模拟研究

为研究地面边界条件对汽车外流场数值模拟的影响,制定了两种方案对某微型车进行数值模拟计算,并对结果进行分析．研究表明：不同的地面边界条件对汽车的底部流场有很大的影响,而对上部流场影响不大;不同的地面边界条件对汽车的气动升力和前轮的升力影响很大,对气动阻力和后轮升力影响较小;在汽车的外流场数值模拟中,采用移动地面条件可以提高数值模拟的精度．     

汽车交流发电机端盖栅格对其气动噪声和温度特性的综合影响

为了同步提高目前新能源汽车发电机的气动噪声性能和散热效果，满足更严苛的噪声、振动与声振粗糙度需求，以某型汽车交流发电机为研究对象，基于台架试验和数值仿真方法探究端盖栅格对气动噪声和温度场分布的综合影响规律；基于五点法获得了噪声声压级分布，基于多热电偶测点获得了关键部件的温度分布，基于计算流体动力学仿真软件和电磁场Maxwell仿真软件获得了发电机内部的流场、声场和温度场分布，采用试验结果验证数值计算模型的正确性；在分析原始发电机气动噪声特性和温度场特性的基础上，设计了具有不同倾角的端盖栅格侧壁以降低冷却气流冲击的动能损失，探讨了端盖栅格倾角和扇叶气流出口角的合理匹配，并基于牛顿冷却理论研究了波状端盖栅格对增加换热表面面积和降低气动噪声的影响。研究结果表明:端盖栅格结构对气动噪声有较大贡献，同时也对冷却效果产生显著影响；端盖栅格侧壁倾斜40°时能够和扇叶气流出口角更合理地匹配，有效减少冷却气流冲击的能量损失，三相定子绕组最高温度降低9.63 K，12阶次气动噪声降低3 dB(A)以上；波纹状端盖栅格增加对流换热面积和气流速度的同时降低了气动冲击作用，使得端盖散热量增加7.72 W，定子铁芯、端盖和三相定子绕组温度分别降低了5.12、4.94和5.29 K，栅格对涡流的改善以及气流对栅格的冲击削弱使12和24阶次气动噪声降低3 dB(A)以上。      

高速列车侧风效应的数值模拟

在侧风作用下,高速列车的空气动力学性能发生显著改变．基于三维定常可压缩流动的N-S方程,采用SST k-ω两方程湍流模型和有限体积法,对某型高速列车以350km／h的速度在25m／s侧风环境中运行的流场结构和气动力进行了数值模拟计算,分析了不同风向角的侧风对列车全车,以及受电弓、转向架和风挡等局部区域的作用．结果表明：在侧风作用下,列车的周围包括转向架处均产生复杂的涡流,压力分布十分复杂,转向架对流场的影响不容忽视;随着风向角（0～90°）的增大,侧向力系数及倾覆力矩系数也增大,列车倾覆及脱轨的风险性增加,且头车的倾覆力矩系数远大于中间车和尾车的倾覆力矩系数,应注重对头车的气动性能研究．     

基于半模型的高速列车远场气动噪声计算方法

随着高速列车运行速度的提高，其气动噪声问题逐渐凸显，如何准确快速预测高速列车的远场气动噪声成为关键.利用半自由空间的Green函数求解FW-H方程，推导了考虑半模型时的远场声学积分公式，提出通过半模型的数值计算结果预测全模型高速列车远场气动噪声的方法；建立了全模型和半模型高速列车的气动噪声数值计算模型，应用改进延迟的分离涡模拟方法对不同模型高速列车表面的气动噪声源进行求解；通过风洞试验进行了全模型高速列车的数值仿真计算方法验证；对比分析了全模型和半模型高速列车周围的流场结构、气动噪声源和远场气动噪声特性.结果表明：半模型高速列车数值计算得到的列车周围流场结构、气动噪声源以及远场气动噪声特性与全模型的一致；采用半模型计算会过高估计列车尾车流线型区域表面压力的波动程度和噪声源的辐射强度，但通过半模型预测整车模型的远场噪声平均声压级误差小于1 dBA；相比于全模型高速列车，半模型计算时的网格总量减少一半.     

隧道超速超车气动特性研究

利用先进的CFD动网格技术实现了汽车在隧道中超速、超车行驶过程的二维非稳态空气动力特性数值模拟,并与相同条件下非隧道行车时的仿真结果进行对比。研究结果表明:汽车在隧道中超速、超车时,流场和压力场变化幅度较大,超车车辆之间气动干扰影响较大,汽车的行驶安全性降低。     

基于时变边界屋面积雪分布数值模拟

为了预测风作用下屋面积雪的分布,采用Euler-Euler两相流混合模型,结合最新改进的k-ω模型等数值方法开发分析程序,对风致屋面积雪分布进行了数值模拟.模拟中为考虑积雪对屋面绕流的影响,计算区域边界根据雪深变化采用时变边界.对一典型阶梯形屋面积雪分布进行数值模拟,获得了几种不同状态下屋面积雪分布的时间历程.模拟结果表明:随着时间的发展,屋面积雪分布对屋面绕流产生较大影响,屋面积雪沉积率随之发生变化;模拟时长22 h的计算结果与实测结果基本一致,不考虑积雪对屋面绕流的影响将产生较大误差;不同风速比下模拟的屋面雪深分布形态基本一致,但入流风速比越小,雪深分布系数相对越大,达到近似分布的模拟时间就越短.      

湍流积分尺度对高层建筑风荷载影响的大涡模拟

为研究湍流积分尺度对高层建筑风荷载大小和分布的影响,研究其合理取值,基于大涡模拟开展了B类地貌不同湍流积分尺度下CAARC（commonwealth advisory aeronautical research council）标准高层建筑模型绕流模拟,并将模拟结果与风洞试验进行了比较.研究结果表明:大涡模拟能较好地反映高层建筑周围风场绕流特性和表面风压分布.随着湍流积分尺度的增大,平均运动的变形率向湍流脉动输入能量,以致平均风速降低、湍流强度增大;侧面风压脉动性降低15%、分离流附着提前出现;基底扭矩谱和弯矩谱的峰值及高频段幅值均减小;层斯托罗哈数在0.4倍建筑高度以下基本相同,随高度的增加其值下降20%~30%;层平均阻力系数下降5%~10%;迎风面风压系数平均值下降2%~5%,侧面和背面下降12%~17%.湍流积分尺度对迎风面和侧面上风向的风压水平相关性、层升力和0.8倍建筑高度以下的层阻力相关性的影响可以忽略.随湍流积分尺度的增大,风压水平相关系数增大,背风面增大5%~10%,侧面下风向增大15%~25%,0.8倍建筑高度以上层阻力相关性系数增大25%~50%.B类地貌湍流积分尺度的调整系数为0.4时,计算得到的风荷载与试验结果趋于一致.      

隧道结构对高速列车穿行过程气动特性的影响

以CRH2型高速列车穿行隧道过程的气动特性为研究对象,建立了列车模型及具有不同缓冲结构、不同阻塞比的隧道计算模型,并与相同工况下的模型实验进行对比,验证了仿真模型的可行性.以kε-湍流模型为基础,对高速列车以不同速度进入具有不同缓冲结构、不同阻塞比的隧道时的外流场进行了仿真模拟.分析了列车在进入隧道时压缩波的产生机理,得到了列车表面风口在车体进入隧道过程中的压力波动情况.仿真结果表明：隧道缓冲结构的缓冲性能按抛物线型、线性、不连续性的顺序依次减小;压力值随阻塞比增大而线性减小.由此提出了减小列车进入隧道时表面压力波动的方法.     

高速列车侧风安全域计算方法

使用参数传递、求解控制以及动态网格技术,建立了侧风流体动力学模型和高速列车多体动力学模型,通过对列车外流场和系统响应进行协同仿真,获得不同侧风环境下列车的稳定姿态和气动载荷,研究了列车运行的安全性指标,分析了不同侧风环境下列车安全运行的临界速度,确定了列车的侧风作用安全域。计算结果表明：随着列车运行速度和侧风强度的增大...