降低气动效应综合措施的实验研究

中国正在大力发展城际高速铁路运输,而在线路中有隧道时,列车进出隧道所产生的微压波问题已经成为限制高速铁路安全、环保、健康发展的障碍。大量研究表明：隧道出口的微压波强度与压缩波的压力梯度成正比,可以通过分析压缩波的压力梯度变化来评价降低微压波的效果。采用模型试验方法,对缓冲设施、减压竖井降低压缩波峰值和压力梯度峰值的效果进行了测试分析。实验结果表明：减压竖井降低首波压力峰值、压力梯度峰值效果明显;洞口缓冲设施降低首波压力峰值的效果不明显,降低压力梯度峰值效果明显,并且降低压力梯度的效果与速度相关。     

开口双肋凹槽式涡轮叶顶间隙流动数值研究

为研究改进的双肋凹槽叶顶结构对大折转角动叶间隙泄漏流动的影响,利用数值模拟的手段,对五种不同叶顶结构在低马赫数为0.3条件下的泄漏损失以及流动特性进行详细的研究分析。数值计算与实验测量结果进行对比校核以保证数值计算的可靠性。研究结果表明,改进的前尾缘开口的凹槽式叶顶结构使得叶栅总压损失降低7.4%,与前缘不开口的方案相比,间隙泄漏损失变化率降低23%,这对涡轮长期运行维持高效的性能有利。改进的叶顶结构对间隙内的流量分布影响明显,压力侧的泄漏流量减少26.7%,而吸力侧增加13.3%。前缘开口形式结构使得压力侧泄漏的驱动压差降低50%,并改变吸力侧泄漏流的流量系数,同样出口气流角展向分布和叶栅流道中的泄漏涡和通道涡均受到明显影响。     

叶片正弯曲对间隙流动损失的影响

对具有2.3%相对顶部间隙的常规直叶栅和正弯叶栅的流道及间隙内的气动参数进行了详细测量,实验结果发现:顶部间隙的存在对叶栅的气动性能有较大影响,使叶栅上半翼展损失明显增高;叶片正弯曲减小了叶顶后部的横向压力梯度,削弱了泄漏流与端壁横流的相互作用,降低相对漏气量的同时也降低了叶栅的流动损失,明显改善了叶栅的出口流场。      

斜切对抑制引射式波瓣喷管内部流动分离的效果研究

 为了了解大扩张波瓣流动分离及其控制方法,对引射式波瓣混合器的扩张角与波瓣内部流动分离的关系进行了研究,得到了引射式波瓣混合器出现分离的临界瓣角,进而提出了对存在流动分离的波瓣喷管进行斜切处理的方法,有效地抑制了引射式大扩张角波瓣喷管主流侧瓣顶内存在的流动分离现象,同时还对斜切波瓣与存在流动分离的基准波瓣喷管的引射系数和波瓣出口处的总压损失进行了研究。总的来看,对于存在主流侧流动分离的引射式大瓣角波瓣喷管而言,斜切处理一种是提高其引射效果、降低流动损失的合理方案。     

先进旋涡燃烧室多场协同分析

为了对先进旋涡燃烧室(AVC)的流动和传热性能进行综合评价,对不同来流速度、来流温度、壁面温度下AVC燃烧性能进行了数值模拟,对速度场、温度场、压力场进行了多场协同分析。结果表明:随着燃烧室来流速度的增大,速度与速度梯度的协同角α、速度与温度梯度的协同角β,速度与压力梯度的协同角θ均减小,温度梯度与速度梯度的协同角γ及压力梯度与速度梯度的协同角φ增大。随着来流温度的提高,α,θ增大,β,γ,φ减小。随着壁面温度的提高,α,θ减小,β,γ,φ增大。对于AVC湍流流场的传热强化问题,增大来流速度和来流温度,降低壁面温度会强化流动换热;增大来流速度和壁面温度,降低来流温度可以减少传热功耗;增大来流速度和壁面温度,降低来流温度能够提高强化传热的综合性能。     

斜切喷管固体火箭发动机喷管流场与推力特性研究

为了研究斜切喷管固体火箭发动机的喷管流场与推力特性,采用二阶精度的AUSM格式求解守恒型N-S方程组并与Realizable k-e湍流模型相结合,对不同角度斜切喷管的流场特性与推力特性进行数值模拟研究。同时,设计斜切喷管发动机推力测试试验台,通过此测试平台获取发动机工作过程的推力曲线,并与数值仿真结果进行对比,验证所建立的数值仿真计算方法的可行性和有效性。结果表明：通过数值仿真方法获得的斜切喷管发动机推力与试验结果之间的误差较小;由仿真与试验结果可知,45度斜切喷管推力作用线与喷管轴线之间存在夹角,表明斜切喷管发动机存在推力偏转现象。此外,该结构喷管流场存在两个激波交汇高压强区域,同时第二道激波结构强度高于第一道。当喷管斜切角度达到40度,随着喷管斜切角度的增加,斜切喷管的质量流量、总推力与推力偏转角不断减小,但减小趋势不断变缓。     

双斜切双压缩面进气道进口波系结构的数值研究

双斜切双压缩面进气道具有良好的气动性能和隐身性能。生成了这种三维进气道的计算网格,采用数值计算的方法对双斜切双压缩面进气道进口波系结构进行了研究。通过数值计算,分析了双斜切双压缩面进气道进口的流场特性,总结了斜切角、压缩角、来流马赫数等多种影响参数对进气道进口波系结构的影响规律。     

跨音速开口射流速度场分布特性研究

为了研究跨音速开口射流速度场分布特性，在气动院0．2米跨音速风洞中进行了试验研究，试验结果表明：开口射流形式的试验段在不发生声振的前提下，对常规试验段内速度分布的影响不显著；开口直流式风洞会发生声振现象，开口距离与集气口截面尺寸是影响开口风洞声振的重要因素，控制开口长度和集气口尺寸是抑制声振的有效措施。     

旋转滑动弧涡流器点火探索试验

基于中小发燃烧室常用的斜切孔+径向叶片式涡流器，结合滑动弧的产生位置，开展了4种方案的旋转滑动弧涡流器设计及加工，并完成了冷态放电试验及点火试验验证。放电试验结果表明：4种方案的涡流器均能在预设位置产生稳定的旋转滑动弧。三头部点火试验结果表明：方案4的点火效果最好，其最小点火油气比低于常规点火方法。方案2次之，方案3仅能在较低的参考速度下实现燃烧室的点火，方案1的点火效果最差。滑动弧当地的气流速度及油气分布对点火效果影响显著，建议滑动弧处的气流速度不超过20 m/s。     

螺旋桨滑流对无人机气动特性的影响

为分析螺旋桨滑流对无人机气动特性的影响,利用数值模拟方法,对比了有无螺旋桨滑流作用下无人机气流的变化规律。结果表明:螺旋桨滑流对无人机机身的干扰影响主要集中在中后段;机身近表面变化的速度和压力梯度会导致机身整体的气动力发生变化;螺旋桨滑流增大了升力,降低了整个构型的最大升阻比,但最大升阻比所对应的迎角几乎没有发生变化。     

高速列车进入带缓冲结构隧道的压力变化研究(Ⅰ)

给出了列车穿越带有缓冲结构的隧道压力变化的三维粘性流场数值模拟过程,控制方程为三维粘性、可压缩、非定常流的N-S方程,空间离散采用了中心有限体积法格式,时间采用预处理二阶精度多步后差分格式进行离散,对列车与隧道之间的相对运动采用移动网格技术处理。对不同的缓冲结构缓解隧道内瞬变压力及压力梯度的作用进行了研究。研究结果表明,缓冲结构的设置能够有效地降低隧道内的压力和压力梯度的最大值,其原因在于缓冲结构延长了压缩波压力上升的时间,降低列车突入隧道时所形成的最大压力梯度;另一方面由于压缩波在缓冲结构和列车、隧道之间多次的反射,也降低了压力峰值。     

高速列车进入带缓冲结构隧道的压力变化研究（I）

给出了列车穿越带有缓冲结构的隧道压力变化的三维粘性流场数值模拟过程，控制方程为三维粘性、可压缩、非定常流的N．S方程，空间离散采用了中心有限体积法格式，时间采用预处理二阶精度多步后差分格式进行离散，对列车与隧道之间的相对运动采用移动网格技术处理。对不同的缓冲结构缓解隧道内瞬变压力及压力梯度的作用进行了研究。研究结果表明，缓冲结构的设置能够有效地降低隧道内的压力和压力梯度的最大值，其原因在于缓冲结构延长了压缩波压力上升的时间，降低列车突入隧道时所形成的最大压力梯度；另一方面由于压缩波在缓冲结构和列车、隧道之间多次的反射，也降低了压力峰值。     

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。     

高速铁路隧道初始压缩波一维流动模型的数值分析方法

基于隧道内空气流通截面是时间和距离的二元函数条件与一维流动理论,提出了高速列车驶入设有缓冲结构隧道端口时产生初始压缩波的数值分析方法。一维流动理论采用考虑摩擦、传热以及空气质交换等因素的一维可压缩非定常不等熵流动模型。数值分析方法采用广义黎曼变量特征线法。与国外有关未设缓冲结构、开孔型与未开孔型缓冲结构的隧道端口三种情况的现车试验结果进行了比较,表明本文所建方法正确、合理,能够模拟计算多种类型缓冲结构条件下的压缩波波动规律。     

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.     

座舱压力控制技术应用于高速列车车厢的可行性分析

为了解决高速列车穿越隧道或两车交会时引起的压力波动所造成的旅客“耳感不适”,借鉴民机座舱压力控制的成熟经验,提出了解决高速列车车厢压力变化的气动间接式压力控制方案,该方案主要由座舱压力调节器组成。针对气动间接式压力控制方案进行了计算机模拟分析和原理模拟验证试验,结果表明,将座舱压力控制技术用于高速列车车厢的压力控制能够满足设计指标要求;同时本方案具有设备轻巧、调节方便、阻力损失小、维护性及可靠性好等优点,故座舱压力控制技术应用于高速列车是可行的。     

结冰风洞试验水滴直径选取方法

结冰风洞是开展飞机结冰研究的主要设备,确定合理的试验水滴大小,是选取结冰风洞试验条件的重要内容。为了研究结冰风洞试验水滴直径的选取原则,针对结冰风洞试验水滴的大小主要取决于试验速度的大小,在推导结冰风洞试验水滴直径选取公式的基础上,用数值方法预测并对比了不同试验速度对水滴大小选取效果及试验结果的影响。采用欧拉法数值计算了不同试验速度及相应试验水滴条件下,试验模型表面的水滴收集率,并与全尺寸物体表面的水滴收集率进行了对比。研究发现:对于小水滴,当参考速度较低时,试验速度与参考速度的比值不能取得太低,参考速度升高到一定程度之后,试验速度与参考速度的比值又不能取得太高;对于大水滴,当参考速度较低时,试验速度与参考速度的比值也不能取得太低,当参考速度升高到一定程度之后,试验速度和相应试验水滴直径的改变对模型表面的水滴收集率影响较小,试验速度与参考速度的比值在0.3～1.0之间变动,均可以在模型和全尺寸物体上得到一致的水滴收集率。     

仿雨燕机翼柔性对纵向气动特性的影响

通过仿雨燕机翼的低速风洞测力实验,分析了以展向弯度变化为表现形式的柔性变形对大展弦比机翼纵向气动特性的影响。实验结果表明,这种柔性变形具有增升减阻的效果,可以增大仿雨燕机翼的最大升阻比,减缓失速,能够显著改善大展弦比机翼的纵向气动特性,对揭示鸟类的飞行机理和微型飞行器的设计具有重要的指导意义。     

Aerodynamics of high-speed railway train

Railway train aerodynamic problems are closely associated with the flows occurring around train. Much effort to speed up the train system has to date been paid on the improvement of electric motor power rather than understanding the flow around the train. This has led to larger energy losses and performance deterioration of the train system, since the flows around train are more disturbed due to turbulence of the increased speed of the train, and consequently the flow energies are converted to aerodynamic drag, noise and vibrations. With the speed-up of train, many engineering problems which have been neglected at low train speeds, are being raised with regard to aerodynamic noise and vibrations, impulse forces occurring as two trains intersect each other, impulse wave at the exit of tunnel, ear discomfort of passengers inside train, etc. These are of major limitation factors to the speed-up of train system. The present review addresses the state of the art on the aerodynamic and aeroacoustic problems of high-speed railway train and highlights proper control strategies to alleviate undesirable aerodynamic problems of high-speed railway train system.