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.     

火箭发动机尾罩热分离流场的数值模拟

潜射导弹的发动机一般用尾罩加以保护以防止海水侵蚀,发动机点火后尾罩存在热分离过程,本文应用非定常数值模拟方法和动网格技术数值模拟了发动机尾喷管超声速流场的建立过程,分析了高温燃气与尾罩碰撞后反射流动对发动机防护罩的非定常载荷,计算结果表明本文计算方法可以用来数值研究广泛存在的气流瞬态冲击效应。     

前体涡非对称分离机理及前缘吹气控制研究

通过设计对称性算法,求解层流Navier-Stokes方程,数值模拟了细长体在低超声速情况下前体背风涡随攻角演化的规律,在此基础上,进一步研究了前缘吹气对前体涡演化和侧向力特性的控制机理.根据数值模拟结果及分析,倾向于支持在层流框架内,前体涡的非对称失稳是一种对流不稳定机制,要想根据需要产生对称或不对称的前体涡,就必须外加持续的扰动.在约16°～48°攻角区间内,前缘吹气可产生规律性较好的侧向力,有可能直接利用前体涡进行横侧向控制.为工程实用化,需提高前缘吹气的激励收益效费比.     

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.     

机车斜流风机的流场数值分析与设计优化

采用轴流风机工程方法和S2设计方法设计了三种不同叶片角的机车用斜流风机,利用三维雷诺平均N-S方程和SST湍流模型,数值模拟了斜流风机的内部流场和气动性能,并通过试验验证了风机的性能。结果表明:叶片前缘、中部和尾缘的角度对斜流风机的内流场和气动性能影响较大。叶片进、出口角增加8°~10°,同时降低中部角度与尾缘角度的差距,压力-效率曲线呈抛物线分布。在设计点附近,风机效率提高约5%。叶片前缘吸力面的静压分布更加平缓,背力面5%叶高处静压分布明显改善,没有出现分离区域,叶片载荷分布更加均匀。斜流风机仿真与试验对比,全压相差不过3%,效率相差不到4%,结果基本一致。     

风洞分流锥及孔板整流的数值模拟研究

采用数值模拟技术研究了2m×2m超声速风洞设计引导试验大开角扩散段配置一个中心倒锥和两层球冠状孔板的内流场,中心倒锥和两层球状孔板的不同组合共有五套。孔板有几百至上千个开孔,是模拟的难点,发展了一种孔板流动CFD边界条件模型。另一个难点在于风洞管道内流入口和出口边界条件的准确处理。计算表明,分流锥可将流动有效抑制在大开角洞壁附近,防止洞壁附近的扩张分离,但在分流锥底部将产生大尺度的分离涡环结构,经过孔板的整流后,总压有较大损失,但流线趋于平直,可达到预期效果。     

广深线第六次提速列车交会压力波实测研究

为支撑全国铁路第六次大提速,在广深线4.0 m线间距下,针对动车组(D字头)及25型提速客车,以不同的速度交会进行了实车试验,测量了列车交会压力波及车内压力变化,得到了列车交会压力波随交会速度变化的规律,评估了动车组与动车组等速交会、动车组与25型提速客车不等速交会的安全性和旅客乘坐的舒适性.结果表明,在4.0m线间距下,动车组以220km/h的速度运行,不影响交会的安全性和旅客乘坐的舒适性,提速方案可行.     

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。     

导弹投放分离的数值模拟

采用非结构网格、有限体积方法,利用准定常假设,对两种飞机在不同状态下与导弹的分离进行了数值模拟,并将计算结果和试验进行了比较。数值模拟的结果和试验结果表明,对于升力系数和俯仰力矩系数随攻角的变化、导弹轨迹随时间的变化两者吻合较好。     

平／钝头外形俯仰动态特性对落点姿态的影响分析

采用自由振荡法数值模拟了平头、钝头外形的超声速俯仰振荡时间历程,并应用奇异分解线性最小二乘法辨识稳定性导数,得到动导数随马赫数和攻角非线性变化的规律.平头外形在较高马赫数和中小攻角范围内存在动不稳定现象,随着再入时马赫数的降低,动不稳定的攻角范围不断缩小,直至演化为动稳定的;小钝头外形则没有动不稳定现象.蒙特卡洛弹道仿真表明,平头外形初始时刻俯仰角的扰动会经历一个先增长然后衰减的过程,最终落地时俯仰角小于1°,满足设计要求,但其落地速度有所降低,可能影响该外形对靶标的侵彻效果.