高速列车进入隧道空气动力学模型实验分析

高速列车在进出隧道时,会产生一系列气动效应,引起噪声及车厢内压力变化,对乘客及环境造成损害.实验测试和数值模拟是研究这一问题的有效方法.本文利用这两种方法对高速列车在进入隧道过程中,压力的变化情况进行了计算和测试.从得到的结果可以看出,它们能够起到相互补充,互相印证的目的.通过对结果的分析,也得出压力波产生、变化的一些规律.     

国内高速列车气动噪声研究进展概述

随着运行速度的提升,气动噪声逐渐成为高速列车最主要的噪声源,并极有可能成为新设计高速列车的一个技术瓶颈。开展高速列车气动噪声研究,明晰高速列车气动噪声机理与规律,发展低噪声高速列车外形设计对更高速度级的高速列车研发具有重要意义。本文主要对自2010年以来国内进行的高速列车气动噪声研究进行梳理总结。首先详细介绍了高速列车气动噪声研究采用的一系列方法,主要从实车试验、风洞实验以及数值模拟方法三个方面展开。在掌握高速列车气动噪声研究方法的基础上,进而探讨了当前高速列车气动噪声研究的现状,重点就高速列车气动噪声源识别、主要噪声源机理与特性、噪声源优化等方向进行了阐述,并明确了当前研究获得的一些主要结论。最后简要探讨了高速列车气动噪声未来可能的研究方向。     

线间距对时速600公里级高速磁浮列车明线交会气动性能的影响

高速磁浮列车设计速度高达600 km/h，明线交会时压力波幅值激增，容易导致列车结构疲劳损伤。作为影响高速列车明线交会气动特性的关键参数，线间距是研究重点之一。本文采用计算流体力学数值仿真方法和网格滑移技术，模拟了高速磁浮列车在线间距5.1 m、5.4 m、5.6 m的线路上明线交会时的气动特性，对比分析了高速磁浮列车表面压力分布及列车气动力/力矩的变化规律。结果表明：明线交会时，列车气动升力、侧向力和倾覆力矩随着线间距的增加明显降低；列车表面测点压力最大值、最小值的绝对值以及最大压力幅值随线间距增加近似呈线性关系降低；线间距5.1 m时，高速磁浮列车表面最大压力幅值为5 379 Pa，小于车体承载极限±6 000 Pa，满足600 km/h交会时对气动特性的要求。     

沟槽微结构尺寸对高速列车横风特性影响研究

随着列车运行速度的不断提升,气动效应对列车运行安全性产生的影响越来越突出.目前针对高速列车横风效应的研究通常假定列车表面光滑,实际上列车表面是非光滑的,边界层内的流动特性有所不同.利用微结构进行非光滑表面设计的新型技术手段可能改善高速列车在横风条件下的气动性能.以在车顶加设矩形条带组的方式,对1:25比例的列车模型进行局部非光滑设计;采用改进的延迟分离涡模拟(IDDES)方法对横风作用下光滑表面和粗糙表面的列车模型进行气动性能模拟.结果表明,与光滑模型相比,粗糙模型下的侧向力系数和倾覆力矩系数分别降低了3.71?％和10.56?％.选取条带的宽度、高度和长度为设计变量,基于正交试验设计方法设计不同的数值模拟方案,利用方差分析和极差的方法探索矩形条带几何参数与列车侧向力和倾覆力矩间的关系,给出条带外形设计的优选方案.本研究可为横风作用下如何提升高速列车的气动性能提供理论依据.     

高速列车车辆连接部位气动噪声数值模拟及降噪研究

采用大涡模拟与声类比相结合的方法,对高速列车车辆连接部位不同尺寸参数时的气动噪声进行了数值模拟,并提出降噪改进方案。研究得到了高速列车以300km/h速度运行时车辆连接部位的气动噪声分布,结果表明:车辆连接部位气动噪声在很宽的频带内存在,是宽频噪声;各监测点气动噪声频谱在低频时幅值较大,随着频率的增大先增大后减小,1/3倍频程A声压级主要集中在315～1000Hz频率范围内;车辆连接部位不同尺寸参数中,气动噪声声压级幅值随着凹槽长度L和高度H的增大而有所增加;采用全风挡方案较无风挡时,有效避免气流在凹槽内剧烈扰动,气动噪声显著改善,声压级平均降幅约为9.4%,总声压级平均降幅4.27dBA;研究结果为低噪高速列车的初期研制设计提供科学依据。     

气动悬浮列车单向翼翼型优化与地面效应分析

高速气动悬浮列车(Aero-train)是一种利用机翼地面效应原理的创新型高效高速低能耗高速列车。本文以LA203A为基础翼型,利用遗传算法与数值模拟的方法对基础翼型进行气动优化设计。通过对优化翼型的地面效应模拟分析,得出优化后的翼型其气动特性有明显改善,并由此得出气动悬浮列车单向翼离地间隙、迎角与阻力、升力、升阻比之间的关系。利用CFD技术对安装有基础机翼和优化后机翼的气动悬浮列车初始研究模型(AERO-1)整车气动特性进行数值模拟以及分析前后端机翼的流场特性,并利用风洞实验方法对装有优化机翼的气动悬浮列车初始研究模型(AERO-1)气动特性进行研究。利用遗传算法优化后机翼翼型升阻比特性较基础翼型最高提升26%,具备优化机翼的气动悬浮列车(AERO-1)在地面效应下的气动特性优于原始模型。本文研究为机翼地面效应分析以及气动悬浮列车研究提供理论依据。     

更高速(400+km/h)列车气动减阻技术发展与展望

合理有效的气动减阻技术是我国研发运营速度400+?km/h高速列车的过程需展开深入研究的重点内容.首先阐述了高速列车气动阻力的基本分布特征,并针对国外下一代更高速列车的气动减阻技术进行了调研,尤其分析了欧洲、日本和韩国的下一代更高速列车气动减阻技术的特征,总结了国外下一代高速列车气动减阻的关键技术与方法.然后根据列车气动减阻技术实施部位的差异,从列车头型优化以及转向架、受电弓和风挡等局部结构优化两个方面对我国目前高速列车气动减阻技术研究现状进行了分析和梳理,同时归纳了新型气动减阻技术的研究现状.最后在综合国外下一代更高速列车气动减阻技术与我国气动减阻技术研究的基础上,对我国更高速(400+?km/h)列车气动减阻技术中可行性较高且效果明显的发展方向进行了展望与建议,为我国更高速列车气动减阻技术的设计与发展提供有价值的参考.     

飞机座舱盖试验台增压系统分段PID控制器设计

在飞机飞行过程中,随着高度的上升,飞机座舱盖有机玻璃易形成损伤,影响飞行安全。为了能在地面试验台更加精确地模拟飞机飞行过程中座舱盖承受的压力载荷情况,通过引入分段控制思想,对试验台座舱增压系统进行控制器设计;针对试验台座舱增压系统的组成结构,建立控制系统模型,研究在虚拟仪器中通过分段控制技术实现对座舱增压系统的 PID 闭环控制。结果表明:本文设计的 PID 控制器可以提高飞机座舱增压系统的控制精度与试验效率,满足试验台压力控制系统的技术要求。     

座舱蒙皮外表面气动加热的物理仿真研究

座舱蒙皮外表面气动加热的物理仿真是座舱热特性试验研究的重要基础。把平行射流理论应用于座舱蒙皮外表面气动加热的物理仿真,提出了气动加热物理仿真的新方法。该方法能够满足座舱动态热特性物理仿真的需要,且在人力、物力上较省。提出了用数学仿真控制座舱热特性试验的方法。这些方法已成功地应用于飞机座舱热载荷和热特性试验中。     

某型发动机压气机出口气动参数的测量分析

阐述了某型航空发动机压气机出口气动参数测量的技术难点和解决途径,测试、统计分析了正常发动机、喘振发动机和一般故障发动机后机匣飞机座舱输气口的压力范围.     

隧道空气动力学实车试验研究

为了指导既有线200km/h提速技术改造,为第六次大提速的顺利实施提供经验.2005年5月至6月在遂渝线的太和至北碚北路段进行了200km/h提速综合试验,隧道空气动力学是其中的重要测试内容之一.利用地面和车载测试系统,对列车车体表面、车厢内部、隧道壁面空气压力变化、隧道内列车风、隧道口微气压波和隧道壁面振动加速度等参数进行测试.测试结果表明:测点压力变化幅值与列车运行速度的1.7～2.4次方成正比,具体取值与车型和测点位置有关;隧道内列车风风速与列车运行速度成线性关系;隧道口微气压波幅值近似与列车运行速度的三次方成正比、与测点距隧道口距离成反比.列车以200km/h速度过隧道时,车厢内3s最大压力变化幅值为1875Pa,车厢内43%的人有明显耳痛感,显然英国标准(3000Pa/3s)过于宽松;200km/h速度下引起的列车风风速为14.8m/s,超过了人体安全风速值(14m/s),建议列车运行期间,不进行隧道作业.     

地铁条件下车体表面压力的变化特性分析

采用高速铁路隧道空气动力效应的研究方法,对地铁内列车的运行过程进行了模拟,分析了地铁条件下车体压力的变化规律,研究了中间风井和区间隧道通风对车体压力的影响。结果说明,当列车时速达到100 km/h时,地铁内就会出现显著的空气动力效应;对于无中间风井的区间隧道,车体压力变化规律与高速铁路类似,设置中间风井可减缓车体压力;采用多个不大于0.5倍隧道有效断面积中间风井的设置措施不仅能满足区间通风要求,也有利于降低车体压力;区间隧道通风只整体平移车体压力,不改变车体压力的幅度。     

双模态燃烧室隔离段激波串位置的测量及控制

隔离段是双模态超燃冲压发动机隔离进气道和燃烧室相互干扰、实现亚燃-超燃双模态的重要部件.在发动机实际工作过程中,燃烧室反压引起的进气道不起动在飞行器加速爬升阶段是需要极力避免和预防的.针对双模态超燃冲压发动机整机模型和燃烧室模型进行了数值模拟研究,分析了激波串前沿位置与隔离段压力分布的关系,在此基础上介绍了三种通过隔离段壁面压力实时测量和监控隔离段激波串前沿位置的方法,并完成了验证实验.结果表明,所使用的计算方法有效可行;隔离段壁面压力分布能够很好地反应隔离段的激波串前沿位置,通过监控隔离段壁面压力分布,控制隔离段激波串前沿位置,能够有效避免和预防燃烧室反压过高引起的进气道不起动问题.     

斜切式洞门缓冲结构开口率的优化分析

采用数值分析方法中的动网格技术,对高速列车在突入顶部开口的斜切式洞门隧道的空气动力学问题进行了三维数值模拟。计算结果的分析表明:顶部开口的斜切式洞门缓冲结构降低首波压力峰值的效果不明显,降低压力梯度的效果明显,并且降低压力梯度的效果与速度有一定关系,在确定速度下,存在最优开口率。     

高效图像资源管理器的设计与实现

针对数据存储量大引起的访问广域网服务器速度慢、不能对访问的客户进行细粒度的权限控制问题,研究了B/S模式下基于.NET平台的图像资源管理器的设计和实现技术。系统综合采用权限管理模型、动态加载、文档对象模型（DOM）等技术以及非点击无刷新伸缩控制方法,实现了图像资源管理器的分权限控制、高速访问以及无刷新高效联动等操作。实验验证了方法的可行性。     

旋转冲压压缩转子试验系统变工况数值研究

采用FLUENT软件对旋转冲压压缩转子试验系统通流部分进行了不同出口反压和转速下的数值模拟.结果表明:旋转冲压压缩转子特性线较为陡峭,其稳定工作范围小,相对流量宽度由26.57%降到1.96%.反压大或转速低时,导叶受旋转冲压压缩转子低压区影响减弱,反压和转速对导叶段气流损失影响不大.旋转冲压压缩转子在反压增加时,其内部气流相继经历斜激波、λ激波/激波串、λ激波/正激波、λ激波4个压缩阶段.转速增加时,压缩面区域形成的激波在机匣壁面的入射点逐渐向下游发展,旋转冲压压缩转子压比增大的同时损失增加.出口支板段随反压增加存在最小损失工况,转速增加时,其总压恢复系数由0.944逐渐降低到0.875,气流损失增加.      

双轴涡喷发动机脉冲停供油时动态过程的数值模拟

在数值模拟双轴涡喷发动机脉冲停供油时动态工作过程中, 考虑到脉冲停供油会引起燃烧效率和涡轮效率恶化, 从而偏离特性图上所示值, 且因实验较难获得上述效率修正关系, 因此提出用实测的高、低压转速曲线代替上述效率做为数值模拟的已知条件。应用这一方法模拟了某型发动机脉冲停供油时的动态过程, 数值结果与实验值基本符合, 并获得该动态过程燃烧效率数据。      

动态微涡流发生器对激波/边界层干扰的影响研究

本文基于OPENFOAM数值仿真平台,采用动态网格技术和湍流离散涡(DES)模型,研究了微涡流发生器以一定速度向下游移动时,激波/边界层干扰(SWBLI)流场特性的变化,重点关注干扰区域内的流向和展向的流场特性。来流马赫数为4,微涡流发生器向下游移动速度为0m/s,20m/s和40m/s。研究表明：当MVG向下游移动时,SWBLI区域的“弓”形高压区会演化成“双弓”形；入射激波形成高压区的压力明显降低,同时,入射激波和反射激波形成高压区的峰值位置均会向下游移动；流场下游 “双圆弧”状高压区的高度逐渐降低；SWBLI区域边界层的高度逐渐降低,同时边界层底部的速度也有所降低；随着MVG移动速度的增加,对SWBLI流场的控制效果更加明显；动态MVG对流场的控制是通过尾迹涡和波系结构实现的。     

超声速气流中乙烯点火试验与影响因素

对超声速气流中的非预混乙烯燃料扩散点火过程进行了试验研究,采用高速摄影、纹影技术获得了点火过程的火焰成功传播与失效图像和激波动态演化过程。基于点火前喷注混合流场的NPLS（纳米粒子散射）、PIV（粒子图像测速）试验数据和大涡模拟结果对影响点火结果的关键因素进行了研究,分析了点火过程的燃料分布、回流区尺寸、激波串作用、气动壅塞效应等关键流动特征对火焰传播过程和点火失效模式之间的影响关系。研究结果表明,点火过程的激波串前移过程会对燃料的分布造成影响,并进而影响凹腔内的燃料质量分数分布;凹腔角回流区是初始火焰形成的关键区域,点火能量在该区域累积建立凹腔角回流区火焰后,分别扩展形成凹腔驻留火焰,并向下游输运、掺混燃烧,建立预燃激波串,形成点火过程的正向压力反馈;凹腔内燃料分布受喷注位置、喷注压力的影响,采用凹腔内主动喷注的方法能够主动调节凹腔内的燃料分布,有助于初始火核的形成,能有效避免点火过程中由于压力反馈对燃料分布影响造成的熄火现象。      

采用差尾控制策略的某型机横滚操纵性

某型战机所采用的气动布局使得其横侧安定性较大,与同代其他现役飞机相比横滚操纵性能较差,飞行员在做横滚机动动作时飞机掉高度现象明显。分析了其在低速和高速飞行时横滚机动性能差的原因,研究了增加差动平尾控制提高横滚操纵性的问题。建立了采用差动平尾后飞机稳定横滚的数学模型,并通过定量分析计算说明了增加差动平尾控制,可以使该型战机的横滚机动性能提高近30%,而不会削弱其安定性。