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.     

高速列车转向架区域气动噪声风洞实验研究

转向架区域是高速列车最主要的气动噪声源.通过风洞试验的方法,测量了1:20转向架区域的舱内气动噪声和压力,分析了动车转向架、拖车转向架舱内气动噪声和脉动压力的速度标度律,及其随雷诺数的变化规律.结果表明:近场气动噪声标度律分析可以区分转向架舱内湍流脉动压力和声压,舱内湍流脉动压力能量随速度的3.2～3.9次方增加,声压级随速度的6～8次方增加,两者的分界线频率,转向架舱后壁高于舱顶部.气动噪声为具有多个峰值的宽频带噪声,频率不随雷诺数变化的峰值噪声由声共振导致,频率随雷诺数增加而增大的峰值噪声为气流冲击轮对下部导致.转向架区域的气动噪声的峰值频率与转向架舱、轮对尺寸有关,宽频带噪声受转向架形式影响.该研究结果可为理解转向架区域气动噪声源特性及降噪控制提供理论和数据支撑.     

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。     

相阵列技术在民机机体气动噪声研究中的应用

麦克风相阵列测量技术是进行民机机体气动噪声研究的主要手段。针对民机机体气动噪声,开展了闭口风洞麦克风相阵列测量技术研究。提出了一种适用于闭口风洞气动噪声测量的阵列优化设计方法,分别设计了适用于民机增升装置、起落架气动噪声测量的阵列。将麦克风相阵列技术应用于某飞机增升装置缩比模型、起落架缩比模型气动噪声闭口风洞试验。研究结果显示：利用侧壁阵列清晰地识别出了增升装置主要气动噪声源,并显示出降噪措施的降噪效果;利用组合阵列,实现了较宽频率范围内起落架气动噪声源探测,识别出了起落架主要气动噪声源。     

低真空管道列车关键气动问题研究进展

低真空管道列车系统结合应用了管道运输和磁浮推进技术,是一种颇具潜力的未来地面高速交通方式。列车在极狭长的管道空间内长距离往返,通常诱发以管内壅塞现象为主导的大尺度跨声速流动和多车干扰,导致气动阻力急剧增加和气动热环境恶化,从而面临突出的空气动力学问题。本文从管道全场和列车近场两个视角出发,对管道列车流动特征进行了总结,并对近年来国内外该领域气动力/热/噪声研究的进展进行了梳理。在此基础上,围绕管道列车全线多车运行热点问题,对运行速度、管道阻塞比、发车间隔、运行模式的选取进行了讨论。最后,展望了低真空管道列车气动研究领域未来发展方向,指出高效研究方法、多车运行流动干扰、多车运行气动热、长大管道气动噪声、减阻/降热/降噪技术等是今后需要重点研究的领域。     

民用客机增升装置气动噪声研究进展

随着民用飞机数量的快速增加,航空噪声问题日益引起世界范围的关注。增升装置作为重要的机体噪声源之一以其流动复杂性和声源多样性成为民用航空气动声学的难点之一,欧美各国为此开展了大量的研究。总结了增升装置气动噪声的产生机理以及控制措施的研究现状,在此基础上还特别关注了目前工业部门气动与声学的设计思想及需求。     

直升机关键技术及未来发展与设想

本文针对直升机特有的技术特点,尤其是其区别于固定翼飞机的飞行原理、复杂气动和结构动力学特性、极致重量设计等,对包括气动、振动、噪声、地面共振/空中共振、抗坠毁、安全性及重量控制等方面的直升机技术难点进行剖析,对问题产生的原因、机理进行深入浅出的分析,对当前技术发展情况及解决方法进行了阐述.随后对世界直升机技术发展方向进行了分析与探讨,提出未来直升机技术将以高速、绿色、智能化、无人及安全飞行等方向为重点,并结合我国直升机技术发展现状和未来发展趋势,提出了我国直升机技术未来发展的三个重要方向—先进直升机旋翼桨叶翼型设计技术、智能旋翼技术和高速直升机技术,提出了各发展方向的关键技术的科学内涵和解决途径,为我国直升机未来发展提供思路.     

飞机机体气动噪声计算方法综述

随着发动机噪声的不断降低,机体气动噪声的影响越来越显著。特别是飞机在进场着陆状态下,增升装置、起落架等已成为最重要的噪声源。长期以来,国外在飞机气动噪声研究方面开展了大量的理论分析、实验研究与数值计算工作,取得了大量的研究成果。尤其是近年来,随着计算流体力学和气动噪声计算方法的日趋成熟,数值计算正在成为飞机气动噪声计算的主要工具,而国内这方面的研究相对滞后。本文针对这种现状试图从气动噪声的基本理论出发,对飞机气动噪声计算方法和已有研究成果等方面进行较全面的介绍,希望能为我国大飞机研制的噪声问题提供一定的参考。     

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.     

活塞式合成射流技术及其应用研究

设计了活塞式合成射流激励器,研究了合成射流特性及其影响因素,并在高速风洞中开展了合成射流应用于空腔流场气动噪声抑制的试验研究。研究结果表明：合成射流激励器设计合理,能够得到较高速度的射流,正向射流速度极值约160m/s;合成射流频率与激励器激励频率一致;激励器频率、活塞行程以及射流出口形状等参数会对合成射流速度极值产生明显影响;合成射流速度对射流出口厚度变化不敏感;该方法对空腔流场气动噪声的抑制效果与马赫数关系密切,跨声速条件下,采用该方法进行流动控制能够改善空腔流场的气动声学环境,而超声速时该流动控制方法基本失效。     

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。     

现代大型飞机起落架气动噪声研究进展

起落架部件是现代大型飞机在起飞、着陆阶段时最主要的一类机体气动噪声源。本文主要概括了国内外利用风洞试验、飞行试验和数值模拟等手段在大型飞机起落架气动噪声研究领域所取得的研究成果和最新进展,主要包括起落架噪声的产生机理、起落架降噪的主要方法、风洞试验需要遵循的相似律和工程预测起落架噪声方法的发展等。已有的研究表明,起落架宽频噪声主要包括分离噪声和上下游部件相互干扰噪声两类,而纯音噪声主要来自空腔结构的声激振现象。使用整流罩、等离子体激励等主、被动控制技术抑制钝体分离和流动干扰现象,这些方法能够显著降低起落架噪声。文末还对起落架噪声的未来研究进行了展望。     

大型飞机增升装置气动噪声研究进展

目前,机体气动噪声的研究方法分成实验和数值预测两大部分,实验包含飞行实验和风洞试验;而数值预测包含有纯理论方法、半经验方法、纯数值方法、CFD与"声类比"相结合的方法。经过大量的飞行实验,风洞试验和数值计算,研究表明在飞机起飞爬升和着陆进场阶段,除机轮气动噪声外,增升装置气动噪声是机体噪声的主要声源,经过多年的研究基本明确了增升装置气动噪声源的定位和机理,并在降噪技术方面已取得一定进展。增升装置的噪声主要是由前缘缝翼凹槽产生的低频噪声、襟翼侧缘的中频宽带噪声和前缘缝翼尾缘的高频尖峰噪声三部分组成,降噪技术主要有被动流动控制降噪技术和主动流动控制降噪技术两类,被动降噪技术有凹槽遮挡、凹槽填充、展向连续技术等;主动流动控制手段有吹吸气、等离子体激励器等。     

基于麦克风阵列小波分析的中低雷诺数尾缘噪声研究

随着机体噪声逐渐成为民机降噪的关键,作为典型气动噪声源的翼型噪声是未来更低噪声民机必须关注的部分。中低雷诺数下尾缘离散噪声存在阶梯的频率速度关系、层流要求以及偶极子噪声等特征,其噪声机理涉及稳定性理论和反馈回路。尽管尾缘噪声的产生出现和强度都得到比较广泛的研究,但尾缘噪声的空间分布研究尚不充分。基于二维平面麦克风阵列,小波系数和CLEAN-SC算法对于尾缘噪声进行时频域分析。实验在北航D5气动声学风洞进行,使用Kevlar布构成的闭口实验段对于300 mm的NACA0012翼型进行噪声研究。通过实验中发现的固定频率范围内存在强度维持现象,基于小波分析拆解出对应的空间时域上声源强度的位置间歇性移动,提供可能存在的反馈回路内部更为复杂噪声机理的依据。     

飞机舱内噪声的研究现状

飞机舱内噪声是影响乘客舒适性的一项重要指标,舱内噪声的最小化是国内外共同追求的目标。在对飞机外部噪声源特性进行介绍的基础上,对噪声源/传递路径识别、舱内降噪措施以及声学试验计算等方面进行了综述。其中,噪声源以及噪声传递路径识别主要从各种识别技术手段方面展开了讨论,包括频率分析法、相关技术、修改噪声传递路径、空气传声以及结构传声的识别。而舱内降噪方法主要从被动降噪与主动降噪两方面进行全面介绍,指出被动降噪是一种修改与优化噪声传递路径的方法,而主动降噪能自动感应识别并控制噪声源,并分别给出了两者的优点及其局限性。在噪声测试与仿真模拟方面则介绍了国内外地面实验室舱内噪声的研究情况,并指出了国内的不足,对仿真计算理论进行了梳理,列出各自的适用范围。最后,指出了目前舱内噪声研究依然存在的问题与挑战,并给出了未来的研究方向。     

民用飞机增升装置气动噪声学风洞试验初步研究

采用模拟退火法阵列优化设计技术设计了对数螺旋麦克风阵列,开发了基于“波束成型理论冶的阵列试验数据处理软件。将风洞麦克风相阵列噪声识别技术用于SCCH模型增升装置气动噪声研究,开展了增升装置气动噪声源的远场定位探测和强度测量,并用数据处理软件对风洞试验数据进行处理。试验结果表明,随着观察频率的变化缝翼噪声声源的位置与强度会发生变化,襟翼侧缘噪声是一个宽频噪声,不同频率下其强度分布存在差异。同时也发现缝翼安装支架对缝翼和襟翼气动噪声声源有较大影响。文中也给出了多种工况下缝翼和襟翼噪声源分布。     

增升装置气动噪声研究现状与发展趋势

在对绿色航空发展要求、噪声适航标准、机体噪声概念介绍的基础上,对增升装置气动噪声进行了详细论述,包括数值分析技术、试验研究、飞行试验、降噪设计等的研究现状;阐述了增升装置气动噪声研究的重要性,提出重视机理研究和数值分析方法验证工作的观点,指出增升装置气动与噪声一体化设计的发展趋势。     

小型复合式高速直升机总体初步设计

复合式高速直升机是直升机的热点发展方向之一，为此开展了一款小型(100 kg级)复合式高速直升机的设计研究。首先，提出了设计要求并给出合适的总体参数。然后，进行了气动布局设计并绘制三维模型，对该构型存在的旋翼/机翼/螺旋桨气动力部件干扰使用动量源方法进行了初步分析，得到了气动干扰特性及机身气动部件随不同速度前飞时的升阻力特性。最后，基于常规直升机的飞行性能计算方法，提出了复合式高速直升机飞行假设及该构型飞行性能的计算方法，并对飞行性能进行了分析计算，完成了100 kg级复合式高速直升机总体方案设计。研究成果可为今后该构型飞行器的设计研究提供一定的借鉴。     

气动热效应的影响及解决方案初步分析

与一般红外成像系统不同的是，高速红外成像探测系统面临着严重的气动光学效应的影响．其中气动热效应的影响将降低红外成像系统光学窗口的工作性能，甚至会对光学窗口产生严重的破坏作用．分析和研究气动热效应的形成机理、影响程度等，并采用合适的解决方案是当前国内外高速红外成像探测技术研究的关键技术之一。本文采用仿真设计、理论计算等方法分析了高速红外成像探测系统的气动热效应影响程度，并针对典型的光学窗口外部制冷方案等进行了初步分析计算；参考国外研究资料，提出了高速红外成像探测系统的理想气动外形和内部冷却方案，为今后高速红外成像探测系统的气动热效应防护措施等方面的研究提供了一定的参考依据。     

基于混合方法的膨胀腔非稳态流动及气动噪声分析

采用混合方法对气流作用下的膨胀腔的非稳态流动和气动噪声进了数值仿真分析。建立基于有限体积法的流体仿真模型,采用大涡模拟方法对膨胀腔内部非稳态流动进行计算。数值仿真结果捕捉到了腔体内部非稳态流动以及涡量的发展变化过程,并与实验观测结果基本吻合。采用积分插值的方法将流场结果插入声学网格上,基于气动声学理论计算腔体内部的流噪声源。建立声学仿真模型,将流噪声源导入声场网格中计算远场响应点的声压,并与实验结果进行对比,声压级以及共振频率都吻合良好。结果表明:混合仿真方法准确直观揭示出管内流噪声产生的机理和过程,尾管辐射噪声的仿真结果与实验结果及理论计算结果的偏差都在5%以内。