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。     

高速列车突入隧道与缓冲结构时的数值模拟

对高速列车突入单线隧道-缓冲结构物体系的空气动力学进行了研究，采用有限体积法进行区域离散，控制方程为三维粘性、可压缩、不等熵、非定常流的Navier-Stokes方程，并引进了两种形状的缓冲结构物以了解在隧道入口压缩波前的形成。模拟结果表明，缓冲结构物能有效地降低压力波和微气压波前的压力梯度。     

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。     

高速地铁通过隧道车外压力波研究

地铁列车通过隧道时产生的压力波会对列车运行的安全性、乘客乘坐的舒适性等产生不良影响.为了研究地铁列车在隧道内运行时车外压力波动变化规律,本文基于三维可压缩非定常Navier-Stokes方程对地铁列车由明线驶入隧道产生的隧道压力波进行了数值模拟,归纳了列车速度、隧道断面积、列车编组长度、隧道长度及入口缓冲结构对列车不同...     

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。     

隧道中部存在车站时列车会车气动效应数值分析

采用数值分析方法中的动网格技术,对隧道中部存在车站的情况下,列车通过隧道时的压力波动过程进行了三维模拟.计算结果的分析表明:三维数值分析得到的波动曲线可以反映隧道内压缩波和膨胀波产生、传播规律;车站两侧的喇叭形过渡段降低了车站内压力变化的梯度,但是对于降低压力峰值的效果不明显;在车站中部会车过程中,不会对站内造成较大的正压、负压区.     

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。     

基于Van Leer＋AUSM混合格式求解三维N-S方程

基于多块粘性结构网格,开展了三维N-S方程数值算法的研究。控制方程的空间离散采用有限体积法,在前人工作的基础上,发展了Van Leer＋AUSM混合格式并应用到对流通量的离散中,粘性项采用中心格式离散并利用格林定理计算粘性通量中的导数项,时间推进采用五步R-K法,湍流模型为S-A一方程模型。最后,以M6机翼和某超声速弹丸的粘性流场作为数值算例,计算表明：发展的数值算法对跨声速、超声速流场均具有较高的分辨率,适用于跨、超声速流场的数值模拟。     

跨声速机翼流场的N—S方程计算

本文给出了三维机翼粘性流场的数值模拟过程，控制方程为时均化的三维可压缩薄层Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程，湍流模型采用Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ两层代数湍流模型，空间离散采用中心有限体积格式，时间采用Ｒｕｎｇｅ－Ｋｕｔｔａ多齿格式进行式积分。     

基于DES的二维和三维空腔流动特性研究

空腔流动广泛存在于航空航天工程中,对其流动特性的研究具有十分重要的工程意义。采用数值方法对比模拟了二维和三维空腔流动,控制方程采用N—S方程,空间离散采用有限体积方法,对流通量计算采用Roe格式,非定常时间离散采用双时间步长方法,湍流粘性计算采用基于SA模型的DES方法。数值计算所得的三维空腔底面压强分布与实验结果一致,所得的二维和三维空腔内的流动结构与相关文献中的分析相吻合。将二维和三维的计算结果进行比较,发现空腔底部压强分布、空腔内的压强振荡、空腔内部流线图及声压级等均有所不同,得出在空腔宽度有限时,横向流动简化了流动结构．削弱了振荡幅值．但使振荡过程复杂化．其三维效应不能忽略．     

基于粘性非结构网格的三维增升装置N-S方程数值模拟

应用基于粘性非结构网格求解N—S方程方法数值模拟了某型飞机三维增升装置的绕流。在物面附近粘性主导作用区域内，采用三棱柱型非结构网格，在其他流场区域，采用传统四面体非结构网格的混合非结构网格生成技术。湍流模型采用Spalart—Allmaras一方程模型，运用格心格式有限体积法，对控制方程和湍流模型方程进行数值离散。用四步龙格-库塔方法作显式时间推进，采用当地时间步长、隐式残值光顺等加速收敛措施．求解某型飞机全机带增升装置构型的粘性绕流流场，其数值计算与风洞试验结果显示了良好的吻合度。     

导弹垂直发射系统三维超声速射流的数值模拟

对导弹垂直发射系统(VLS,Vertical launching system)内的三维湍流流场进行了数值模拟.采用了单元中心有限体积法和三阶迎风TVD差分格式离散Navier-Stokes方程,采用双时间步和预处理过程提高计算收敛速度,引入对角化的双时间ADI算法求解控制方程.仿真结果准确地模拟了发射系统内的激波形成过程,真实地反映出VLS中的复杂流动.研究表明,压力室底部射流中心的波后压强以大约1 200Hz的频率振荡.      

高速铁路全封闭声屏障列车压力波和微气压波数值模拟研究

利用Fluent动网格技术,对高速列车通过圆形全封闭声屏障产生的压力波和出口微气压波开展数值模拟研究.研究结果表明:列车通过圆形全封闭声屏障时,声屏障壁面风压变化过程与压缩波和膨胀波的产生、传播及反射有关,压缩波传播到壁面测点时压力上升,膨胀波传播至壁面测点时,压力下降;在声屏障横截面上,靠近列车的测点压力极值大于远离列车的测点压力极值,最大差异量达到28％;声屏障壁面压力变化幅值、车头鼻尖压力最大值与车速的二次方近似呈正比关系;与隧道结构类似,列车以较高的速度通过声屏障时,将在声屏障出口产生微气压波,微气压波的极值随着到出口的距离增大而迅速降低,并与列车速度的三次方近似呈正比关系.     

无隔道进气道反设计及附面层排除机理分析

采用"照片三维复原技术"对某型飞机无隔道进气道/前机身进行了几何重构,然后用N-S方程对机身/进气道内外流场进行了数值模拟,得到了进气道内外流场的马赫数分布和鼓包表面的压力分布,分析了无隔道进气道排移附面层的机理。结果表明:该飞机进气道在鼓包顶点有一个起始压缩角,波后为等熵压缩面。研究认为,无隔道进气道的设计机理是在鼓包压缩面上形成一个中间高、两侧低的压力分布,在该压力梯度的作用下来流附面层被推向两侧并被排除。     

Burgers方程高精度差分格式分析

以非线性扩散波动方程Burgers方程为模型,通过调节方程右端粘性项的大小,在分析了方程的性质的基础上.探讨方程左端项和右端项差分离散格式匹配问题,以及高精度格式稳定性影响和计算格式精度与粘性系数和计算网格之间的关系等问题.研究结果将对方程左右端项离散时应如何采取合适的差分格式有一定的指导意义.     

含侧喷流弹丸三维绕流干扰流场数值分析

从全Navier-Stokes方程出发，应用三维隐式有限体积TVD格式，在超声速和零攻角条件下，分别对无侧喷流和含侧喷流的低阻远程弹丸三维粘性绕流流场进行了数值模拟，为避免分区计算而用代数方法生成了弹丸绕流场O型网络，计算结果得到了清晰的流场波系结构，并从流场波系结构、弹体和弹底表面压力分布等角度将两者进行了对比与分析，表明侧喷流不仅提供增程推力，而且改变了弹丸阻力特性，其结果可用于研究弹丸的火箭增程技术。     

二维超／高超声速进气道流场数值模拟

对超／高超声速三级压缩进气道流场进行了数值模拟,来流马赫数为4、6,进气道内流动为层流状态,根据二维Navier-Stokes方程,采用二阶精度Roe格式进行离散。按照流场特点,合理地设计网格分布及调整不同黏性范围的熵修正,防止了壁面附近过大的数值耗散,使计算结果更加合理。在进气道模型的各级压缩折转角处,获得了清晰的激波结构,在进气道内部的各种波系的相交、反射和激波诱导的边界层分离等现象都得到合理的描述。计算得到的压力分布,在各级压缩斜板上同简单波理论结果十分接近。用本文方法计算了另一个二级压缩进气道,沿上、下壁面的压力分布与试验比较符合得较好。     

双时间步长加权ENO-强紧致高分辨率格式及在叶轮机械非定常流动中的应用

在非结构网格下,针对非定常三维N-S方程组发展了一种双时间步长高精度快速迭代格式。该格式在时间上具有二阶精度,在空间上将r=3的加权ENO格式与强紧致格式相结合去处理N-S方程中的对流项以及离散方程的右端项,并用四阶精度的紧致格式去计算N-S方程中的粘性项。典型的3个算例从不同侧面对格式进行了考核。计算表明:该算法具有高效率与高分辨率的特征,所得的计算结果与相关实验数据比较吻合,初步表明了该算法可以在非结构网格下模拟非定常流动的物理过程。      

二元喷管三维粘性流场的数值模拟

本文用数值方法对二元喷管的三维粘性流场进行模拟,将 Mac Cormack有限差分格式拓广到全三维 N-S方程的求解。在数值迭代中使用加快收敛速度的当地时间步长,并根据格式压缩计算机存储量和计算量。进行了两个算例的数值模拟,计算结果与实验相符。      

扩大斜切式缓冲结构对时速400km铁路隧道口微气压波缓解研究

针对时速400?km高铁隧道口的微气压波研究,建立了基于三维可压缩非定常N?S方程和RNG?k-ε?双方程湍流模型的数值模拟方法,并通过动模型试验对计算方法进行了验证.文中分析了隧道长度、缓冲结构(带斜切的扩大段)长度和缓冲结构开孔数对微气压波的影响.研究结果表明:在一定隧道长度内,微气压波幅值随着隧道长度的增加逐渐增大;隧道口设置带斜切(30°)的等截面扩大段缓冲结构能有效缓解微气压波幅值,且随着缓冲结构的长度增加,微气压波幅值的缓解率先增大后减小,其中缓冲结构长88.56?m时缓解效果最佳,缓解率可达59.2％;该缓冲结构开孔后能进一步缓解微气压波幅值,缓冲结构开2个孔时的缓解效果最佳,缓解率可达70.9％.本文提出的缓冲结构能使得5?km及以下长度隧道的微气压波幅值达到国家规定标准,研究成果对时速400?km/h高速铁路隧道口缓冲结构的设计具有参考价值.