高速列车隧道进口波基本特性数值研究北大核心CSCD

采用有限体积方法和任意滑移界面动网格技术的CFD方法,对CRH380A高速列车和我国隧道条件下进口波基本特性进行了数值模拟研究。采用PISO算法和SSTk-ω高雷诺数湍流模型求解高速列车通过隧道引起的三维可压缩非定常的空气湍流流动。为避免数值计算产生不合理的物理现象,应用了光滑启动技术。通过与日本有关试验数据和数值模拟结果的对比研究,验证了本文数值方法的正确性。在此基础上,以CRH380A高速列车为例,分析了高速列车引起近场和远场的压力波动特性及其与进口波的区别,得出了进口波具有朝向列车前进方向的指向性,归纳出其幅值与列车速度的三次方成正比的关系。频谱分析表明隧道进口波的主频小于7Hz,频谱幅值和声压级离隧道端口越远则越小,高速列车头尾部流线型较好时进口波对外部环境的影响较小。     

带凹窗斜劈高速湍流气动光学效应研究

采用数值方法分析研究了带凹窗斜劈高速湍流气动光学特性受窗口深度的影响。湍流数值模拟采用耦合J-B模型的RANS/LES混合方法即DES方法,依靠双时间步LU-SGS方法开展非定常迭代求解,并且利用物理光学方法和波前重构技术等计算气动光学效应,用于分析近场波前畸变和远场光斑分布情况。模拟结果表明,在窗口较浅时,窗口前缘处产生较强激波,带来更大的波前倾斜影响,而窗口较深时,分离剪切层、旋涡等流场结构导致气动光学效应的非定常特性更为显著;高速湍流导致的气动光学效应很强,在所模拟条件下,波前倾斜、均方根光程差、峰谷值以及Strehl比分别达到69μrad、0.22λ、1.2λ和0.31,其对应的跳动值38μrad、0.04λ、0.8λ和0.43。     

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。     

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.     

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。     

不同转向架构型对高速列车列车风及非定常尾迹的影响

随着高速列车速度的不断提升,列车尾部非定常尾迹引起的列车风安全问题越来越凸显.为探究转向架构型对列车风和非定常尾迹的影响,以CRH3两节编组的高速列车缩比模型为研究对象,采用增强型延迟分离涡模拟对三种不同转向架构型,即不对称转向架、对称转向架和无转向架,进行列车非定常流动的数值模拟研究.通过对比分析列车风时均和脉动速度...     

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.     

可压缩湍流边界层近壁区马蹄涡的演化

采用大涡模拟方法对可压缩槽道湍流进行了数值模拟.通过给定扰动波方法确定进口边界条件,很快得到了完全发展的湍流.利用动态亚格子模型、预处理技术以及高阶格式和方法,得到了精确的数值结果.计算得到的速度剖面和脉动分量与直接数值模拟的解进行了对比,验证了计算结果的可靠性.结果清楚地展示了湍流场中马蹄涡的生成和演化过程,包括对称涡腿、单侧涡腿的马蹄涡结构,以及流场中存在由亚谐波引起的拟序结构的交错现象.分析了湍流边界层近壁区可能出现的复杂的马蹄涡结构,及其涡结构形状也不严格对称的现象.     

近壁湍流相干结构演化机理的研究

从流动稳定性理论中的共振三波出发,提出了近壁湍流相干结构的理论模型,采用紧致有限差分和Ｆｏｕｒｉｅｒ谱展开相结合的方法对近壁湍流相干地数值模拟。结果表明,在小初始幅值下,单个相干结构不容易被激发,仅在相当大的初始幅值下,它可能被激发增长起来。该结论与文献「１」的结果吻合,另外,非对称单个相干结构对比对称单个相干结构更容易增长。     

压气机旋转不稳定性的周向模态特性及其分解方法

基于实验和数值模拟的方法,研究压气机叶顶区域不稳定压力波的周向模态特性。使用基于空间傅里叶变换的周向模态分解方法对实验和数值计算结果进行了分析,给出了实验和数值计算结果的频谱模态分解结果,得到了压气机连续周向模态特征频谱峰值。对压气机叶顶区域各模态幅值和相位的时变特性做了详细分析,得到了叶顶旋转不稳定性周向模态传播速度和传播方向。结果表明:旋转不稳定性的主模态具有稳定的周向传播结构,而其他模态波的幅值和相位存在较大波动。利用多组有限测点组合方式消除了模态混叠现象影响,将可以分析的模态上限提高数倍,取决于测点数的选择;基于该方法可以用有限测点捕捉高阶模态,大大减少了实验所需的传感器数目。      

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。     

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。     

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...     

高速列车绕流的数值模拟

给出了用低速Ｎ－Ｓ方程求解高速列车绕流的数值计算方法，采用显隐式结合的方法来加快收敛速度，基于该方法编制了计算软件系统Ｔｒａｉｎ ３Ｄ，用该软件系统对高速列车外形的外流场进行了数值模拟，获得了该外形的空气动力特性和流场结构。     

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。     

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.     

钝头双锥喷流致冷流场结构及密度脉动特性

采用大涡模拟方法对钝头双锥喷流致冷流场开展了数值模拟,研究了超声速喷流混合流场结构特征及密度脉动特性。大涡模拟方法基于隐式亚格子模型,空间离散采用高精度通量限制型紧致格式,时间推进采用显式Runger-Kutta方法。数值模拟清晰地捕捉到了流场波系结构,精细地预测了流动发生失稳、转捩以及发展为充分发展湍流的物理过程,直接获得了流场密度脉动特性。通过有、无喷流状态对称面流场的对比,发现超声速喷流能够有效冷却光学窗口;喷流与主流形成的混合层不稳定,很快发生失稳和转捩,形成大尺度湍流结构,进而引起强烈的密度脉动。此外,获得了钝头双锥整体模型喷流致冷流场的空间发展形态特征。      

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.     

马赫数为6的高超声速钝锥湍流边界层空间演化的直接数值模拟

首先求解了来流马赫数为6的零攻角高超声速钝锥边界层的层流基本流场,在选定的计算域入口引入一组有限幅值的T-S波扰动,用高精度差分格式对流动进行了直接数值模拟.引入的扰动触发了转捩,从而得到了空间模式下的湍流边界层.研究了湍流平均场与脉动场的统计特性,给出了相干结构的流动显示图,并对强雷诺比拟的结论进行了检验.