湍流DSRFG与LES风场沿计算域流向变化的影响因素

为生成满足桥梁风工程大涡模拟（LES）要求的入口湍流风场,以丹麦大带桥桥址风特性为例,采用离散再合成的随机流动生成（DSRFG）方法合成了满足目标湍流度、积分尺度、脉动风速谱及空间相关性等参数的各向异性湍流;讨论了DSRFG方法在生成湍流风场上关键参数的合理取值;基于Fluent平台,通过自主开发的用户自定义函数（UDF）程序将生成的湍流风场赋给大涡模拟的入口边界,基于LES研究了不同网格尺寸和时间步长取值,入口湍流风场在计算域流向的变化规律。研究结果表明：DSRFG方法能生成满足桥梁LES模拟要求的指定湍流特性风场,产生的风场风谱和速度分量统计值与目标值吻合较好;入口湍流风场特性在计算域流向有较好的维持,脉动风谱在低频段与目标谱吻合较好,高频段出现一定衰减,而衰减起始频率随网格尺寸和时间步长的减小而增大。最后拟合了网格尺寸与脉动风谱衰减起始频率的关系曲线,建议了LES合适的网格尺寸和时间步大小,相关研究结果可为湍流风场模拟和桥梁风工程大涡模拟提供重要参考。     

内燃机进气过程缸内湍流流场的大涡模拟

为精确描述内燃机进气过程中的缸内流场动态特性,基于非结构化动网格和有限体积法,应用大涡模拟方法对1台模型发动机进气过程进行三维瞬态数值模拟研究。计算采用动态Smagorinsky亚网格尺度模型,得到缸内速度和湍流黏度分布及其随时间的变化。大涡模拟的计算结果与试验值吻合良好,与RNAS模型相比能更精确地揭示流场的瞬变结构和流动的随机特性。     

三效催化转化器压力损失对发动机性能的影响

采用计算流体动力学软件对三效催化转化器(TWC)流场和压力损失进行了数值模拟，并对原机与安装TWC后发动机的特性曲线进行了对比试验。结果表明：发动机的转速越高，即TWC的入口流速越大、流速分布越不均匀，压力损失越大；压力损失使发动机的排气背压升高，引起充气效率下降；高速时充气效果明显下降，发动机的动力性和燃油经济性降低。     

国产新型轿车空气动力特性的三维仿真计算

本文应用计算流体动力学（ＣＦＤ）方法处理汽车的三维绕流问题，采用有限体积法求解三维定常不可压Ｎ－Ｓ方程，给出了某国产新型轿车的计算结果，得到了其三维速度场、压力场和六分量气动力，并与实车风洞试验结果进行了对比，结果吻合较好。     

Simulation of flow in diesel particulate filter system using metal fiber filter media

Metal fiber is introduced as a new filter media in wall-flow Diesel Particulate Filter (DPF) system. This technology has high temperature durability which is required for filter regeneration, and can maintain the mechanical strength even in the extreme exhaust-related vibrations of vehicles. However, the regeneration near the wall (outer layer) is more difficult because of the heat loss and reduced gas flow near the wall. In this study, a flow is simulated to determine the flow control method for the more uniform flow in all filter layer. By using Star CCM+ commercial software, we obtain local velocity, streamline, and pressure distributions in the filter, which are typically difficult to obtain from measurements. The major control factors are the filter porosity, size and location of the distribution plate, and the number of blades of the swirler. By placing the distribution plate in front of the filter, the flow velocity near the wall was increased. The optimum location and size of the flat plate were chosen. By attaching the blade on the plate the flow velocity near the wall was increased more. Therefore, the regeneration efficiency is increased by using the swirler-type metal fiber DPF system.     

Influence of unsteady aerodynamics on driving dynamics of passenger cars

Recent approaches towards numerical investigations with computational fluid dynamics methods on unsteady aerodynamic loads of passenger cars identified major differences compared with steady-state aerodynamic excitations. Furthermore, innovative vehicle concepts such as electric-vehicles or hybrid drives further challenge the basic layout of passenger cars. Therefore, the relevance of unsteady aerodynamic loads on cross-wind stability of changing basic vehicle architectures should be analysed. In order to assure and improve handling and ride characteristics at high velocity of the actual range of vehicle layouts, the influence of unsteady excitations on the vehicle response was investigated. For this purpose, a simulation of the vehicle dynamics through multi-body simulation was used. The impact of certain unsteady aerodynamic load characteristics on the vehicle response was quantified and key factors were identified. Through a series of driving simulator tests, the identified differences in the vehicle response were evaluated regarding their significance on the subjective driver perception of cross-wind stability. Relevant criteria for the subjective driver assessment of the vehicle response were identified. As a consequence, a design method for the basic layout of passenger cars and chassis towards unsteady aerodynamic excitations was defined.     

冷热冲击工况下发动机冷却水套传热分析

通过模拟整车在上下坡过程中发动机工作状况,建立了冷却水套非稳态工作环境,利用CFX流体分析软件对非稳态工况下的冷却水套流动传热状况进行仿真分析,得到了冷却液流场和温度场,通过流固耦合分析得出了发动机缸体缸盖热负荷的分布情况。对发动机进行了实际的变工况试验验证,证明了仿真分析的正确性,验证了冷热冲击试验可以为冷却水套换热分析提供准确的工况环境。     

柴油机高压及微孔径下燃油雾化特性的数值研究(Ⅱ)——湍流模型对燃烧的影响

为了有效模拟燃油燃烧过程,向计算流体力学平台KIVA-3V中加入了大涡模拟程序,同时耦合了化学反应动力学软件Chemkin,建立了喷雾燃烧过程的大涡模拟燃烧平台。研究了在高压和微孔径条件下两种湍流模型对燃油雾化燃烧过程的影响,同时对1台Caterpillar 3401重型柴油发动机缸内燃油喷雾燃烧过程进行了数值研究。结果显示,大涡模拟得到的燃油的燃烧过程与试验结果较为接近,燃烧温度分布及缸内压力变化趋势都要好于雷诺平均模型。     

基于矢量法的气缸盖水腔流场数值分析

利用CFD软件STAR-CD对同种型号4缸柴油机两种不同结构的气缸盖冷却水腔进行速度场的模拟分析比较,分别得出了具有切向进气道和螺旋进气道气缸盖冷却水腔的速度分布特点,采用一种新方法对多个切面进行速度矢量的比较,速度场更加直观,由此判定两种结构的气缸盖水腔在速度分布方面的优缺点及其对温度分布的影响。     

异辛烷HCCI发动机燃烧特性的大涡数值模拟

通过修改发动机多维CFD计算程序KIVA-3V,并与化学动力学程序CHEMKINⅢ相耦合,建立了异辛烷HCCI发动机燃烧过程的大涡模拟(LES)计算模型。利用此模型对异辛烷HCCI发动机的燃烧特性进行了详细分析。发动机以异辛烷为燃料,其化学反应采用了详细的动力学机理。结果表明:大涡模拟所得到的缸内压力变化趋势与试验基本吻合;采用LES模型计算时,缸内混合气燃烧区域以柱形向四周扩散,而采用k-ε模型计算时以球形向四周扩散。     

A two-dimensional tire model on uneven roads for vehicle dynamic simulation1

This study proposes a comprehensive analytical tire model for handling and ride comfort in low frequency ranges. A contact algorithm that is developed in this study provides a two-dimensional contact pressure distribution on even and uneven road surfaces with reasonable computational cost. Shear stresses and strains during cornering and braking are estimated by direct measurement of tread deformations. The model is validated against experimental force and moment data for general handling simulations. Cleat tests are also conducted and validated under different forward velocity and vertical load conditions for a tire vibration study.     

水压下开裂混凝土中水分渗透红外试验

为了研究水下隧道开裂混凝土中水分渗透过程和影响因素,基于Richards方程和立方定律提出了外水压力下水分在开裂非饱和混凝土中的运动方程,根据水下隧道一侧承受外水压力、一侧接触大气的服役环境,设计了混凝土内部孔洞和裂缝承受冷却压力水的渗透试验,采用红外热像仪可视化研究水分入渗开裂混凝土的过程;通过红外辐射特性来分析裂缝几何特征、外水压力和初始饱和度对开裂混凝土中水分渗透的影响,并将试验结果与水分运动方程的影响因素进行对比。结果表明：外水压力越大、混凝土初始饱和度越小,则开裂混凝土试块的内外温差越大,表面温度变化曲线越陡峭,说明水分流速相应地越快,入渗深度越大,证明外水压力和初始饱和度都是开裂混凝土中水分运移的驱动因素;裂缝宽度越大、裂缝长度越长,混凝土试块表面红外温度越低,试块内外温差越大,说明裂缝面积越大导致冷却水入渗流量越大和渗透深度越深,证明裂缝宽度与开裂混凝土的渗透性正相关;另外垂直裂缝方向相比平行裂缝方向的红外热图观测效果更明显。在进行水下隧道渗漏预测时不宜忽略裂缝几何特征、外水压力和初始饱和度,不然会低估水流速度和流量,影响水下隧道的长期安全和耐久寿命。     

双层桥面钢桁梁静风系数数值研究

该文利用通用有限元程序ANSYS对双层桥面钢桁梁的二维流场进行数值模拟,得到流场中双层桥面钢桁梁表面的压力与速度分布,对表面压力进行积分,可得到静风三分力系数,验证了用CFD方法实现桥梁断面二维流场风洞数值模拟的可行性。     

大跨桥梁实测湍流风场的大涡模拟

为实现在大涡模拟(LES)中准确评估强风湍流对大跨桥梁的作用,关键难点在于生成符合桥梁真实强风特性的入口湍流。为此应用了一种新的规则化波矢量随机流生成方法PRFG³(Prescribed-wavevector Random Flow Generator),该方法遵守连续性方程和泰勒假设,可准确模拟目标湍流的脉动风谱、湍流度和湍流积分尺度等风特性参数。首先利用西堠门大桥结构健康监测系统(SHMS)2016年内采集的风速数据,选取了该桥址区10 min时距平均风速较大但风特性不同的2个强风样本,分析得到相应的强风特性参数;然后采用PRFG³方法合成了符合上述2个实测强风特性的均质各向异性湍流,同时为验证该方法用于主梁节段模型LES入口湍流的适用性,还模拟了缩尺比为1∶50的强风湍流场,并基于OPENFOAM平台,将3类风场赋予LES入口进行了数值计算;最后将LES流场中多个监测点的湍流特性与实测结果进行了对比。研究结果表明：2个实测风场在顺风向、横风向、竖风向的脉动风谱均与Von Kármán谱接近,顺风向湍流积分尺度最大约为192 m,各脉动风...     

不同雷诺数下车辆队列尾车发动机舱盖气动特性研究

数值仿真与模型风洞试验相结合研究了典型工况下两车队列中尾车发动机舱盖气动特性和两车间隔区域的流场,对比了缩比模型和实车模型对应雷诺数下车辆队列的流动形态。缩比模型仿真结果与风洞试验结果一致表明采用数值方法的可行。对比不同雷诺数下车辆队列气动特性发现,缩比模型与实车模型发动机舱盖表面平均静压分布基本相同,但在纵向对称面上,实车模型的前车尾迹比缩比模型更加上扬,底部区域气流速度更高。非定常条件下,实车模型前车尾涡相对尺度明显小于缩比模型,且扩散得更充分,尾迹区涡的分布状态更加混沌,发动机舱盖表面脉动能量的分布更加混乱。涡在两车间隔区域的运动并非简单的移动,而是一个由涡破裂、涡配对和涡融合构成的复杂过程。     

基于新型液冷板的电池热管理系统多目标优化

为提升电池热管理系统(BTMS)散热效果,采用计算流体力学(CFD)和基于快速非支配排序遗传算法(NGSA-II)的多目标优化相结合的方法设计优化了一种新型液冷板模型。通过电池实验,得到不同放电倍率下单体电池产热量。以通道夹角、通道宽度、冷却液的质量流量为设计变量,平均温度、温度标准差和压降为目标函数,采用拉丁超立方体抽样(LHS)方法,在设计空间中选取了35个设计点,利用响应面近似模型(RSM)拟合出目标函数的表达式。结果表明:在5C放电倍率下,优化后液冷板的散热性能得到有效提升,与初始模型相比,液冷板的平均温度和温度标准差分别下降了11%、51.2%,压降仅增加了3.3Pa。     

基于A柱-后视镜车内气动噪声数值模拟与预测

针对后视镜引起的前侧窗与车内气动噪声问题,采用计算流体力学(CFD)方法对某商用车进行车外后视镜区域数值模拟和车内噪声预测的研究。稳态分析采用RANS模型中SST(Menter)k-ω模型,瞬态分析采用基于SST(Menter)k-ω的分离涡模拟(DES);通过分析后视镜侧窗区域的稳态静压力与瞬态动压力、速度和涡量云图,揭示了因A柱后视镜而产生车窗表面的湍流压力脉动的机理;同时求解瞬态流场获得两侧车窗表面湍流压力脉动载荷。采用声学FEM方法将车窗表面湍流压力脉动作为边界条件来计算气动噪声的传播,基于车内声学空间不同频率的声压级云图分布规律,说明了车内气动噪声主要集中在中低频段和声压级最大的分布区域;驾驶员左耳旁声压级曲线展示了20-2500 Hz频段内声压级变化规律。最后进行实车道路滑行测试,证实了气动噪声在车速80-110 km/h时较为明显的结论;采用CFD结合声学有限元的方法可较为准确地预测车内100-2500 Hz气动噪声的声压级,为优化后视镜、降低驾驶室内气动噪声提供仿真和试验的技术方案。     

不同渗流形态下沥青路面结构动力响应分析

为了研究荷载-渗流耦合作用下不同渗流形态对沥青路面结构各力学场量响应的影响，进一步揭示沥青路面水损害机理，在高水压沥青混合料渗透试验的基础上，采用非线性有限元方法，模拟分析碗形分布动荷载下Forchheimer非线性渗流和达西线性渗流时饱水沥青路面内部各力学场量的变化。渗透试验结果表明：在较高水力梯度下渗流流速-水力梯度关系呈现出非线性特征，不再适用达西定律，而需应用Forchheimer非线性渗流定律描述。数值模拟分析结果表明：2种渗流形态时沥青路面结构内部各力学场量均随着车轮动荷载的作用过程表现出波动性，且孔隙水压力均随着半正弦波型荷载的变化而呈正相关关系；与达西渗流时计算结果相比，非线性渗流时上面层内正孔隙水压力的峰值高49%，沥青面层内水平方向的拉应力、压应力、拉应变的峰值分别高16%、105%、15%，且在路表产生竖向拉应力，孔隙水压力也远高于现场实测值；2种渗流形态时均在上基层底部产生竖向拉应力，在沥青路面内产生的剪应力差别很小。因此，在车轮动荷载作用下，饱水沥青路面内部形成超高孔隙水压力和高流速的非线性渗流，会产生比线性渗流更为严重的水损害，以往基于达西定律的饱水沥青路面动态响应分析低估了车轮动荷载对沥青路面水损害的影响程度。     

车用增压器涡轮非稳态流动特性研究进展

阐述了非稳态流动特性对于涡轮设计和增压发动机匹配具有重要的指导作用,对涡轮非稳态流动特性研究中涡轮测功方法、非稳态特性试验和性能预测等重要问题进行了回顾和总结。     

消声器内部流场及其对消声性能影响

在自行设计建造的消声器静态试验台上,对某型消声器在有、无气流两种情况下进行了试验研究,并根据试验进行了消声器内部流场CFD仿真研究。研究表明,气流在一定的速度范围内对消声器消声量影响很小,当超出范围时消声量随气流速度的增大而减小,同时消声器压力损失也加大。说明流速和内部结构是影响消声器性能的重要因素。