高速列车优化外形的数值分析

本文利用作者博士研究生期间提出的三维钝体湍流绕流数值计算方法和计算程序，在国内首次对高速列车头型及车体横截面优化进行数值模拟研究，了解流线型头型各几何参数与形阻关系以及横截面各几何参数对横风下列车稳定性、安全性的影响。为京沪线高速列车推荐出综合考虑气动阻力、压力波特性的最佳头型，计算结果与西南交通大学ＸＮＪＤ－１风洞试验结果吻合很好。     

明线运行列车气动地面效应数值模拟

通过数值仿真方法研究了滑移地面以及旋转轮对对明线运行列车气动性能的影响。首先,建立了三车编组列车计算模型,考虑固定和滑移两种不同的地面边界条件、固定和滑移两种不同的路基边界条件、静止和旋转两种不同的轮对边界条件;其次,基于风洞试验数据验证了数值仿真的可靠性,表明了剪切应力运输湍流模型和网格划分的可行性和有效性;最后,对比四种不同组合下的明线运行列车气动性能。研究结果表明:固定地面将得到偏低的列车气动阻力系数,约减少4.27%;滑移路基使得尾车气动阻力系数和整车阻力增加约1.87%,引起这一差异主要原因在于地面和路基的表面附面层厚度差异;静止轮对和旋转轮对对列车气动阻力和升力系数都小于1.0%,因此,列车气动风洞试验可以忽略轮对旋转的影响,考虑地面边界和路基边界的影响。     

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.     

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。     

高速列车气动性能低温风洞试验

采用低温风洞试验对比了中国高速列车HST、法国高速列车TGV和德国高速列车ICE3的气动性能; 基于EN 14067和TSI标准在铝质材料模型上测试了不同侧偏角下列车阻力、升力和倾覆力矩; 利用粒子图像测速技术测量了列车周围流场, 得到了高速列车与空气的相互作用机理和气动现象; 采用计算流体力学方法模拟了高速列车实际运行情况, 并与低温风洞试验流场测试结果进行了对比。研究结果表明: 0°~10°侧偏角下列车阻力系数绝对值从大到小依次为HST、ICE3、TGV, 侧偏角为0°时, 3种列车的阻力系数分别为0.223、0.166、0.140;0°~5°侧偏角下列车升力系数绝对值从大到小依次为TGV、ICE3、HST, 且数值均接近0, 其中ICE3、HST为正升力, 列车受压向轨面力, TGV为负升力, 列车受上浮力; 0°~5°侧偏角下列车倾覆力矩系数绝对值从大到小依次为TGV、HST、ICE3, 侧偏角为0°时, 3种列车倾覆力矩系数分别为0.021、0.019、0.011;HST高速列车由于头部双层造型设计, 在头部曲面过渡处出现流动分离, 增大了列车摩擦阻力和压差阻力, 导致列车阻力系数比TGV和ICE3偏大一些, 但阻力系数在高速列车头型设计技术要求限值0.25之内, 且升力和倾覆力矩性能较好, 列车具有良好的稳定性, 满足高速列车头型气动设计的工程需求。      

强降雨环境下高速列车空气动力学性能

为研究强降雨对高速列车空气动力学性能的影响, 利用Euler-Lagrange方法建立了强降雨环境下高速列车空气动力学计算模型; 空气建模为连续相, 采用Euler方法描述, 雨滴建模为离散相, 采用Lagrange方法描述, 并采用相间耦合方法对降雨环境进行模拟; 分别开展列车气动性能计算及雨滴降落仿真, 并与试验数据进行对比, 验证计算方法的准确性; 数值仿真了强降雨环境下高速列车的流场结构和气动特性。计算结果表明: 随着降雨强度的增加, 在雨滴的冲击作用下, 流线型头型前端区域的正压逐渐增大, 流线型头型后端区域的负压逐渐减小, 从而导致头车气动阻力增大; 降雨强度对高速列车头车气动阻力系数的影响较为显著, 而对气动升力系数的影响较小; 与无降雨环境相比, 当降雨强度为100~500 mm·h-1时, 200 km·h-1车速下的气动阻力系数增加0.004 0~0.020 4, 气动阻力增加85~432 N, 增大率为2.64%~13.46%;300 km·h-1车速下的气动阻力系数增加0.002 7~0.013 7, 气动阻力增加129~652 N, 增大率为1.78%~9.05%;400 km·h-1车速下的气动阻力系数增加0.002 3~0.009 8, 气动阻力增加195~829 N, 增大率为1.52%~6.49%, 因此, 不同车速下, 气动阻力系数随着降雨强度的增加而增大, 且与降雨强度近似呈线性关系; 当车速为300 km·h-1, 降雨强度为100 mm·h-1, 雨滴粒径由2 mm增加为4 mm时, 气动阻力系数由0.152 0增大到0.154 9, 气动阻力增加138 N, 增大率为1.91%, 因此, 高速列车气动阻力系数随着雨滴粒径的增加而增大, 且与雨滴粒径近似呈线性关系。      

高速列车车头外形优化

针对高速列车气动性能,探讨一种列车车头外形优化仿真方法,利用优化软件Sculptor对某高速列车车头司机室观测窗处曲面进行重构,并运用流体数值仿真软件Fluent对重构模型进行数值模拟,计算结果显示,降低司机室观测窗处曲面的高度,有利于降低列车的气动阻力.     

基于FLUENT软件的小水线面双体船粘性流数值模拟

利用计算流体力学商业软件FLUENT对一实尺度小水线面双体船(SWATH)数学船型的粘性绕流进行了数值模拟，得到了不同航速下的船体表面总压力、表面剪切应力分布和相应的粘性阻力系数；将各航速下的粘性阻力计算结果和经验公式估算结果作了比较，验证了FLUENT用于计算小水线面双体船三维粘性流和粘性阻力的有效性．     

风洞试验地面效应对列车流场结构及气动力的影响

利用风洞试验、CFD方法,开展了风洞试验地面效应对列车流场结构及气动力影响研究.研究发现在头车部分,与静止地面边界条件相比,移动地面边界条件下列车鼻尖点以及轨道两侧的涡旋结构较少.头车流线型部分,静止地面条件下列车周围以及列车与轨道之间的涡量强度较移动地面条件下大,随着涡旋结构向后发展过程中不断衰减,在尾车流线型部分静止地面下列车周围的涡量强度小于移动地面条件.相对于静止地面边界条件,移动地面边界条件下头车阻力系数增大了1.31%,中车阻力系数增大了5.21%,尾车阻力系数增大了5.90%.相对于静止地面边界条件,移动地面边界条件下头车升力系数增大了27.85%,中车升力系数减小了13.80%,尾车升力系数减小了31.11%.     

赛艇黏性流场的数值模拟

利用计算流体力学商用软件FLUENT对一单人赛艇进行黏性绕流场数值模拟,得到不同航速下的艇体表面压力、黏性阻力及黏性阻力系数等流场特征值与试验结果吻合得较好;还计算出形状因子（1＋K）与经验公式计算结果相符合.结果表明FLUENT软件能准确地预报赛艇黏性阻力、黏性阻力系数和形状因子等艇型设计所关心的水动力性能参数.     

侧向风作用下车-桥系统的气动特性——基于风洞试验的参数研究

为考虑侧向风作用下车辆运动对车-桥系统气动特性的影响,基于研制的移动车辆模型风洞试验系统,针对轨道交通车辆和公路交通车辆,分别采用三车模型和单车模型,测试了不同工况下车辆、桥梁的气动力系数,讨论了车速、风向角、车辆在桥上所处轨道位置以及车辆类型等因素对车辆和桥梁气动特性的影响.研究表明,随着车速的增大和合成风向角的减小,车辆阻力系数和升力系数存在增大的趋势,车速对单车模型气动力系数的影响更显著;车辆在桥上所处轨道位置不同对车辆、桥梁气动力系数的影响均较大,桥梁气动力系数对车速和合成风向角不敏感.     

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.      

桥梁墩柱三维绕流特性精细化研究

为了深入研究桥梁墩柱水流力的特点及产生机理，对典型桥墩模型考虑自由液面影响时的三维绕流展开了精细化研究. 采用ANSYS FLUENT 作为数值模拟工具，研究了整个墩柱阻力和升力特点，并将墩柱模型从柱底到柱顶划分为5个分段，对比了各个分段阻力、升力特点及沿着水深的变化规律，进一步分析了自由液面、底部边界对漩涡结构的影响，阐述了流场三维特性与墩柱水流力之间的关系. 研究结果表明:墩柱水流力沿着水深是非一致分布的，墩柱分为5段（c1～c5），其中c1～c4分段阻力均值与圆柱整体受力的比值分别约为25%、30%、25%、20%，c5分段处于空气中受力贡献近似为0；另外阻力振幅、升力振幅中下部较大，而底部、中上部、液面处较小；漩涡交替脱落导致墩柱左右两侧自由液面交替起伏，自由液面对漩涡产生抑制作用，自由液面处产生多个尺度不同的漩涡，这与液面下仅有两个交替脱落的漩涡是不同的；墩柱中下部漩涡脱落比其余位置有所滞后，导致柱体不同分段处升力有明显的相位差；墩柱升力振幅与阻力均值分别为5.511 N和3.695 N，相差不大，升力引起的桥墩或桥梁的振动不可忽视.      

Rain-Wind Induced Vibration Mitigation of Stay Cables by Aerodynamic Means

Stay cables with various surface profiles were tested in wind tunnel.Dimples and helical fillets were applied to mitigate the rain-wind induced vibration.The rain-wind excited responses of the cable with smooth surface were larger than those of the cables with dimples and helical fillets.At high Reynolds number,the drag coefficients of cables with dimples and helical fillets are much larger than those of smooth surface cable.     

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．     

城轨高架环境噪声特性与不同频段能量

测试了某城市地铁1号线一期高架线路普通整体道床无声屏障和道床垫式浮置板道床全声屏障区段的桥侧环境噪声, 分析了桥侧各测点的A计权总声压级与1/3频程线性声压级, 绘制了线性声压级云图, 研究了各频段噪声能量比例。分析结果表明: 道床垫式浮置板道床全声屏障能有效降低噪声源强处与桥侧环境噪声, 降噪效果、能量分布与频段和测点位置有关; 在桥面高度相近的测点, 降噪效果随距线路中心线距离的增大而减小, 而在近地面的测点, 降噪效果随距线路中心线距离的增大而增大; 降噪效果在中高频段明显大于低频段; 在1/3频程中心频率为20.0~31.5 Hz时, 距离线路中心线55.0 m处, 道床垫式浮置板道床全声屏障区段的线性声压级较普通整体道床无声屏障区段大0.82~6.96 dB; 在普通整体道床无声屏障区段, 在高出地面1.2、9.8 m处, 噪声能量以低于200 Hz为主, 在高出地面11.3 m处, 噪声能量以250~400 Hz为主, 在高出地面12.8 m处, 噪声能量以400~1 000 Hz为主; 在高出地面11.3 m处与200 Hz以下范围内, 普通整体道床无声屏障和道床垫式浮置板道床全声屏障区段的噪声能量持平; 在道床垫式浮置板道床全声屏障区段, 低于200 Hz的桥侧噪声能量较高, 因此, 建议根据高架桥旁敏感点的具体位置采取针对性减振降噪措施, 并重点关注低频噪声失去中高频噪声的遮蔽后尤显突出的问题。      

随机地震动下粘滞阻尼减震结构振动台试验研究

为研究随机激励作用时粘滞阻尼器在结构中的实际减振效果,开展了随机地震动作用下粘滞阻尼减震结构振动台试验研究. 振动台试验中,采用基于物理随机地震动模型生成的地震动样本作为台面输入. 通过对有控和无控模型结构响应的均值、标准差以及概率密度函数等进行比较,系统分析了粘滞阻尼器的消能减震效果. 结果表明:有控模型结构层间位移响应显著减小,楼层剪力均方根值取得一定的减振效果,而大多数楼层绝对加速度响应出现不同程度增大;随机地震动作用下模型结构动力响应的变异性显著,且不同试验地震动样本输入时粘滞阻尼器取得的减振效果不同;粘滞阻尼器-钢支撑系统工作时能给被控结构提供一定的附加刚度和附加阻尼,使得结构动力特性产生变化,进而改变结构地震响应;有控模型结构底层位移响应的均值及标准差在地震动作用时段内均显著减小,且底层位移响应在各时刻的概率密度函数的分布宽度及其形态较无控时发生明显变化.      

正方形截面气动外型优化仿真计算

运用计算流体力学软件FLUENT，引入雷诺应力模型求解不可压粘性流体Navier-Stokes方程，对正方形及其不同切角截面进行仿真计算．研究了正方形，切角正方形，圆角正方形三种截面的阻力，升力，俯仰力矩，Strouhal数及尾流的流动状态．仿真计算结果表明几何形状的微小变化会引起气动力系数发生很大的变化，尤其是在物体形状的变化强烈的影响到压力分布的时候，其中圆角正方形截面的气动性能最好．仿真计算结果与风洞实验结果吻合良好．     

钝体绕流的随机涡方法

在离散涡方法中应用随机微分方程理论来求解二维钝体绕流问题，通过对静止圆柱不同雷诺数下的绕流计算，得到冯卡门涡街和回流区对称轴线上径向速度分布以及升力系数和阻力系数，都与已知结论非常一致。