高速列车湍流绕流三维数值模拟研究

本文在般曲线坐标系下，采用Ｋ－ε双方程模型及壁面控制函数，借助于代数变换建立起以协变速度分量为独立变量的三维复杂钝体湍流绕流数值计算方法，建立了一套适合于近地大长细比复杂几何体的三维网格生成与控制方法，同时采用交错网格，成功地解决了压力－速度耦合关系。首次对高速列车三维湍流绕流场压力分布、速度分布以及气动阻力进行研究。本文的研究工作对进一步解决近地大长细比复杂几何体湍流绕流数值模拟是一个良好的开端     

三维波浪作用下大直径圆柱绕流的数值模拟

为探讨三维波浪与结构物的相互作用,以两相流概念、大涡模拟的不可压缩粘性流体运动方程和自由水面追踪分段线性近似的流体体积(VOF)法为基础,建立了三维波浪与结构物相互作用的数学模型;对三维波浪作用下大直径圆柱绕流进行了数值模拟,用两步边界定位法和虚拟边界力法确定波浪与结构物接触面.结果表明:大直径圆柱绕流系数的数值计算结果与理论解吻合,所建立的数学模型能够很好地模拟三维波浪与结构物的相互作用.     

螺旋桨非定常空泡数值预报中的几个问题

用基于速度势的低阶面元法对螺旋桨非定常空泡进行了预报分析，并对数值分析中的几个重点问题进行了分析讨论．通过桨叶表面划分不同的网格数进行计算，比较不同网格划分计算得到的空泡形状，讨论了空泡计算对网格疏密程度的要求．针对非定常空泡计算中不容易收敛的问题，采取的数值方法既能够较好地反映空泡的非定常性，也能够较快收敛，使得空泡数值模拟更加符合实际情况．计算得到空泡形状后，利用计算得到的奇点强度分布计算了空泡表面的压力分布，验证了空泡表面的压力等于水的汽化压力．     

横向风作用下高速铁路车桥系统绕流特性分析

基于不可压缩二维雷诺平均N-S方程，采用RING（renormalization group）k-ε两方程湍流模型，对德国ICE（intercity-express）列车和标准简支梁组成的车桥系统在横向风作用下的二维绕流特性进行了分析．计算网格为由三角形非结构网格和四边形结构网格组成的混合网格，采用有限体积法对微分方程进行离散，应用SIMPLE算法解决压强-速度耦合关系．根据高速铁路桥梁带挡风墙的特点，引入空腔流动研究成果对车桥系统的绕流特性进行了理论分析．结果表明，高速铁路桥梁挡风墙的挡风机理在于充分运用了空腔流的旋涡特性．     

模拟气泡上升运动的一种改进的Level Set方法

采用基于体积校正法和局部重新初始化的Level Set方法,解决了Level Set方法中由于数值耗散引起的气泡体积的非守恒问题.控制方程采用同位网格下的有限容积法进行离散,采用经典的SIMPLE算法解决速度与压力耦合问题,表面张力采用CSF模型计算.通过对竖直流道内并排临近双气泡的上升运动过程进行了数值模拟,获得了令...     

矿用多级泵水力性能的数值模拟及性能预测

以矿用多级泵为研究对象,运用CFX软件,采用基于非结构网格的SIMPLE算法和标准k-ε湍流模型对矿用多级泵内部流场进行数值模拟,得到了流场的速度分布和压力分布.选用多相流Mixture模型进行空化模拟,显示首级叶轮的进口背面区域有空泡集聚,通过增大叶轮进口正冲角改善了气蚀状况,并进行了优化模拟验证,同时对多级泵的模拟性能曲线进行了预测,预测结果与实验性能曲线相吻合.     

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.      

基于XFlow的涡激振动压电能量收集数值研究

基于格子波尔兹曼无网格方法,利用XFlow对低质量阻尼比的单圆柱进行了涡激振动的数值模拟,数值计算结果与实验结果吻合较好。利用XFlow与Open Modelica建立流-机-电耦合计算模型求解涡激振动与高斯定律联立方程,对涡激振动压电能量收集进行了数值分析,得到不同电阻下的电压及功率输出。通过对振幅及电压时程曲线的比较得到两者相位差的变化规律。结果表明:输出电压随着电阻的增大而增大,输出功率在特定来流速度和电阻时最大。     

带附体圆柱的涡激振动特性研究

以带鳍状物附体二维圆柱为研究对象,采用动网格技术,通过FLUENT自定义函数接口进行流场与结构间的数据交换,对其涡激振动特性进行了数值研究.数值分析前,以裸圆柱为模型进行了计算并将结果与已有的实验数据进行了对比,验证了本文算法的有效性和准确性.数值计算中,分别对初始分支、超上端分支及下端分支条件下的带附体圆柱在不同来流攻角的涡激振动特性进行了研究.计算结果表明,对于初始分支与超上端分支,附体的存在能够减小圆柱的横向振动;下端分支在小来流攻角情况与初始分支类似,但在大来流攻角时附体的存在会增大圆柱的振动幅值.     

计算区域尺寸对列车绕流数值模拟的影响

对于列车绕流数值模拟而言,其计算区域越大,边界条件对计算结果的影响越小,但过大的计算区域会导致计算工作量和计算时间的增加,因此,计算区域尺寸的选取是列车绕流数值模拟的关键之一。通过建立12种不同尺寸的计算区域模型,结合数值模拟方法,研究其对列车压力分布特征及气动性能的影响。研究结果表明:数值计算仿真得到的气动力系数与风洞试验得到的气动力系数的误差4%;当计算区域上游高度≥8倍特征高度时,头车鼻尖驻点压力系数基本稳定在1.0左右。通过对比不同大小计算区域的计算结果可知,流线型高速列车绕流数值仿真的推荐采用最小计算区域尺寸为:高度方向为12倍特征高度,宽度方向为24倍特征高度,长度方向上游为12倍特征高度,下游方向为24倍特征高度。     

250km/h动车组头车司机室及客室内流场数值分析

以某250 km/h动车组头车为研究对象,建立了其司机室和客室内流场的计算模型,利用计算流体力学数值仿真方法,采用κ-ε标准湍流计算模型和SIMPLE算法,对头车司机室和客室的空调风道和内流场进行了数值计算,获得了流场内流动参数的详细信息,并结合国际铁路联盟规程UIC 553-01-2005（客车的通风、采暖和空调型式试验）对头车司机室和客室的温度场和速度场进行评估.研究结果表明该头车空调通风系统设计合理,满足人体舒适性要求.     

A Computational Model for Pedestrian Level Wind Environment Around Tall Buildings

A computational model has been developed for the simulation of pedestrian level wind environment around tall buildings by coupling the numerical simulation of the full-scale site and meteorological station materials. In the first step, the hybrid/mixed finite element method is employed to solve the two dimensional Navier-Stokes equation for the flow field around tall buildings, in view of the influence of fluctuating wind, the flow field is revised with the effective wind velocity. The velocity ratio is defined in order to relate numerical wind velocity to oncoming reference wind velocity. In the second step, the frequency occurred discomfort wind velocity as a suitable criterion is calculated by use of the coupling between the numerical wind velocity and the wind velocity at the nearest meteorological station. The prediction accuracy of the wind environment simulation by use of the computation model will be discussed. Using the available wind data at the nearest meteorological station as well as the established criteria of wind discomfort, the frequency of wind discomfort can be predicted. A numerical example is given to illustrate the application of the proposed method.     

基于CFX的方程式赛车绕流场分析与优化

针对某型大学生方程式（FSC）赛车的整车绕流场展开计算流体力学（CFD）分析与优化。利用三维建模软件CATIA对车身、车架、发动机总成、车轮及舱内模型进行建模、装配并生成风洞分析模型。采用集成于ANSYS Workbench环境下的流体分析软件CFX对此模型进行仿真分析,着重分析了赛车在正面风向状态下的受力情况及气流流态。仿真计算结果显示,原型车风阻较大,多处流场存在明显的紊流,影响了气动性能及赛车的速度性;气动升力及纵倾力矩偏大,影响赛车的驾驶稳定性。根据原型车的仿真结果,对车身及其他部件的优化改进提出几种策略,通过CFX仿真计算得出其优化效果。在对各项策略的优化效果进行详细分析后,通过选择优化效果好的策略、剔除无作用甚至反作用的策略以及多策略组合的办法,完成对原型车的优化设计。优化后赛车的气动性能得到提升,整车的气动阻力、气动升力及纵倾力矩均得到改善。     

船用焚烧炉燃烧过程的模拟分析研究

在三维数值模拟基本原理的基础上,对船用焚烧炉建立三维几何模型和数学模型,用GAMBIT软件建模,借助CFD计算流体力学燃烧模型对焚烧炉炉膛部分进行燃烧过程模拟,以及对烟囱部分进行流场数值模拟,并分析炉膛内温度场的分布,以及烟囱内温度场、压力场和速度场的分布.分析结果证实了焚烧炉的结构设计可行性.     

基于壁面射流的下击暴流非稳态风场大涡模拟

为研究边界层风洞中下击暴流大缩尺比试验的可行性,基于冲击射流和壁面射流模型,采用大涡模拟方法,分析了静止和移动下击暴流的风场特性;通过与Wood模型、Oseguera模型、Victory模型以及经典壁面射流实验对比,验证了采用冲击射流和壁面射流模型在模拟稳态下击暴流出流段的一致性和有效性;在壁面射流模型入口处引入3种速度函数,模拟了下击暴流非稳态风速时程. 研究结果表明:与冲击射流一样,无协同流壁面射流能够有效地模拟静止下击暴流的稳态出流段;当冲击射流平移速度为出流速度的15%时,其最大水平风速较静止冲击射流增大了15.8%;协同流速度为射流速度的19.2%时,其最大风速较无协同流壁面射流增大了16.9%,带协同流壁面射流能够有效地模拟移动下击暴流;提出的速度入口函数模型作为壁面射流入流条件,能够较为真实地模拟出Andrews AFB下击暴流非稳态风场.      

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.     

Investigation on drag reduction of trucks

A study of the mechanism of fences was given to reduce drag by means of theoretical analysis, numerical simulation and experimental research. A 3D mathematical model has been developed based on computational fluid dynamics software Phoenics that was capable of handling steady state, 3D flow to simulate the flow field around the truck. The experiment made in a low speed wind tunnel is used as references for validation. By analyzing the results of calculation and experiment, the flowing mechanism of the flow field around the container truck and the drag-reducing mechanism of #-shaped fences on the truck are unveiled, which provides theoretical guidance to the aerodynamic formation designing and amelioration.     

施工隧道负离子除尘效率的主要影响因素

为研究施工隧道内粉尘颗粒粒径、颗粒浓度、通风风速和负离子系统工作电压、纵向安装位置对负离子系统粉尘降除效率的影响，依据调研和实测选取隧道计算参数，建立隧道及负离子系统三维模型，采用RNG k-ε双方程湍流模型，并通过动量方程附加电场力源项的方法求解电流场，利用拉格朗日法求解粉尘颗粒的运动轨迹，用SIMPLE算法对颗粒运动与电场流场进行离散相和流体相相间耦合的数值模拟计算，并将模拟结果和隧道现场抽样试验结果对比分析. 研究结果表明:隧道粉尘粒径越大，浓度越大，风速越低，负离子系统工作电压越高，系统纵向安装位置越偏于上风口，负离子系统除尘效率越高；两组现场抽样试验与对应数值模拟所得的除尘效率分别为41.2%、56.7%和38.2%、51.1%，误差分别为15.5%和12.9%. 考虑施工隧道大空间复杂环境的影响，通过数值模拟的方法来研究负离子系统除尘效率及其与主要影响因素的关系是可行的.      

Modified QUICK schemes for 3D advection-diffusion equation of pollutants on unstructured grids

In the framework of finite volume method (FVM), two modified schemes of quadratic upstream interpolation for convective kinematics (QUICK), namely quasi-QUICK (Q-QUICK) and normal quasi-QUICK (NQ-QUICK), for improving the precision of convective flux approximation are verified in 3D unsteady advection-diffusion equation of pollutants on unstructured grids. The constructed auxiliary nodes for Q-QUICK or NQQUICK are composed of two neighboring nodes plus the next upwind node; the later node is generated from intersection of the line of current neighboring nodes and their corresponding interfaces. The numerical results show that Q-QUICK and NQ-QUICK overwhelm central differencing scheme (CDS) in computational accuracy and behave similar numerical stability to upwind difference scheme (UDS), hybrid differencing scheme (HDS) and power difference scheme (PDS) after applying the deferred correction method. Their corresponding CPU time is approximately equivalent to that of traditional difference schemes. In addition, their abilities for adapting high grid deformation are robust. It is so promising to apply the suggested schemes to simulate pollutant transportation on arbitrary 3D natural boundary in the hydraulic or environmental engineering.