突风下高速列车气动特性数值模拟

近年来,随着高速铁路建设快速发展以及列车速度大幅提高,列车空气动力学问题变得更加重要.特别是在突风环境下,列车的运行工况更加恶化,列车的安全运行面临新的挑战.采用流体分析方法探讨了突风下行驶在双线高架桥上风向的高速列车的气动特性.数值模拟结果表明,在加速度变化时刻产生明显的突风效应,横向突风对整车的侧向力影响明显,而对阻力和升力的影响相对较弱.通过对气动力系数中压差产生项以及粘性产生项各自的贡献量分析,可为下一步采取措施提高抗突风能力提供工程参考.     

侧风下峡谷桥隧连接段汽车的行驶特性

为保障山区高速公路的运营安全,研究了在风环境下峡谷桥隧连接段车辆瞬态气动特性及其规律,借助Carsim软件建立车辆模型,并模拟峡谷桥隧连接处的路段特性,以西汉高速桥隧连接段的实测数据输入风速值和侧风角度等参数,来模拟不同风速及角度对车辆行驶的影响。首先,对运行仿真后得到的车辆纵向速度、侧向加速度、车辆气动三分力(气动阻力、侧向力、气动升力)、气动侧偏角等参数进行分析;其次,通过分析不同车速、风速、风向角的车辆气动力,探究其对行车稳定性的影响程度;最后,研究了车辆在侧风环境下安全稳定行驶的临界车速和临界风速。研究结果表明:车辆行驶在有侧风作用影响下的峡谷桥隧连接段时,车速由60 km/h提升至80 km/h,车辆气动阻力、侧向力及气动升力分别增加160%、53%及89%,并且在风速达80 km/h的冰雪路面下,伴随出现超过1 m的大偏移量侧滑,当经历西汉高速年最大风速31. 5 m/s(约113 km/h)时,车辆出现明显倾覆现象,对行车安全构成了一定的风险。     

汽车队列行驶气动特性数值模拟

随着高速公路和智能交通系统的快速发展,开展汽车队列行驶的气动特性研究具有重要意义.本文对等间距的3车队列行驶的气动特性进行了数值模拟,并研究了车间距对其气动特性的影响.模拟结果表明:相比单车行驶情形,3车队列行驶的各车均有一定的减阻效果,其中尤以中间车和尾部车的更显著.简化的二维数值分析虽然忽略了车底部以及顶部的气流流动,但仍可为后续的真实车体绕流流动分析提供借鉴和参考.     

高速列车横侧风下的气动力特性研究

在侧风作用下,高速列车的空气动力学性能发生显著改变。基于3维非定常不可压缩流动的Navier-Stokes方程,采用LES湍流模型和有限体积法,对CRH2动车组以250、300和350 km/h的速度在28.4 m/s侧风环境中运行的流场结构和气动力进行了动网格的动态数值模拟计算。结果表明:侧风下运行时,列车的背风面存在着复杂的多旋涡涡系,旋涡由列车底部和顶部交替卷起,不同车速时的流场结构均相似;背风面旋涡的破裂造成列车尾车侧力的强烈振荡,对列车的运行安全有很大影响。     

侧风对轿车气动特性影响的数值模拟研究

选用某国产轿车1∶1模型,利用混合网格方案对不同强度侧风作用下的轿车外流场进行数值模拟,得到不同侧风强度下的流场速度压力分布及气动力系数变化情况.分析不同强度的侧风作用下的流场速度和压力分布,着重分析了尾部流场的变化,定性地解释了侧风对轿车气动力特性的影响,初步研究了尾流随侧风作用的变化机理.模拟结果表明,该车型在不同强度侧风作用下,侧向力系数和升力系数均随着侧风作用的增强而增大.研究结论为深入分析侧风作用下轿车外流场特性提供了有利的参考.     

连续刚构桥主梁气动特性数值分析

基于流体动力学软件,采用二维圆柱绕流的计算方法,对连续刚构主梁截面进行了仿真分析.首先进行了网格划分方案的比选,将数值模拟结果与风洞实验结果进行对比,进而验证了本文模型以及计算方法的正确性.然后研究了不同风向角作用下,双幅桥上下游梁截面的气动特性,并与单幅桥梁截面气动特性进行对比,得到了双幅桥梁截面气动系数干扰因子,对于研究双幅桥梁截面的气动特性具有重要的意义.     

汽车后视镜气动干涉阻力特性的数值计算研究

以获得汽车后视镜最优气动造型和改善汽车燃油经济性为目的,应用计算流体动力学方法对汽车外部流场进行了数值分析,详细描述了汽车后视镜的气动干涉阻力特性,重点分析了后视镜形状和相对车身的横向距离对气动阻力的影响.计算结果表明:后视镜气动阻力占整车气动阻力的4.08%;后视镜的形状和位置对气动阻力影响较大,存在一个最佳的横向距离使得气动阻力系数最大能够下降2.76%.汽车模型的风洞试验验证了该数值计算方法的准确性,计算分析结果为汽车后视镜的设计与改进提供了参考依据.     

不同强度侧风对轿车气动特性影响的瞬态数值模拟研究

为研究典型轿车在不同强度侧风影响下的气动特性,通过用户自定义函数实现计算网格的动态更新和侧面入口速度随时间的变化,动态模拟了汽车行驶通过一个侧风速度随时间不断增强的区域,对不同强度侧风下汽车的气动特性进行了瞬态数值模拟研究。研究结果表明,阻力、侧倾力矩和纵倾力矩受侧风影响不大,而升力、侧向力和横摆力矩受侧风的影响显著。随着侧风的增大,升力、侧向力和横摆力矩明显增大,严重影响了汽车的行驶稳定性。     

全叉树直角网格民机低速气动特性数值分析

由于几何外形的复杂性,民机低速气动特性的数值分析成为CFD技术中的难点之一.文章基于直角网格,采用分区面搭接技术,对存在剪刀叉不连续面的民机低速构型进行了绕流流场数值模拟.利用全叉树数据结构,根据当地物面曲率的变化,有选择地完成网格自适应加密,可减少网格数量,提高计算效率.基于中心有限体积方法和双时间推进算法,对民机起飞和着陆构型的绕流流场进行了Euler方程数值模拟,分析了应用八叉树和全叉树数据结构时的区别,计算结果与实验数据的对比,说明所述方法的正确性.     

二维串置翼型气动特性数值分析

采用基于雷诺时均法和k-ω湍流模型,对模型低速下粘性流场进行数值仿真.在不同迎角下,以前后翼总体升阻系数特性和升阻比为参数,对比了前后翼相对安装位置和安装角度两种因素对升阻特性的影响,初步得出其对升阻力特性影响的规律.结果表明,串置翼布局在选定的安装位置和安装角度下,相比于两段单翼升力最高提升37.2％;两翼夹角越大,升力曲线过渡越平缓;串置翼型气动载荷存在传递作用.     

汽车夜间会车合适变光距离的分析

本文以人的暗适应现象和车辆高速运行的基本规律为依据,对我国道路交通管理条例中所规定的“汽车夜间会车应距对方150米以外进行变光”的条文进行了工效学分析,指出了该项规定欠科学性的机理,并为制定新的法规条款指出了有关可操作的途径。     

尾缘射流式垂直轴风力机气动特性数值分析

为抑制翼型表面流动分离并提高风力机叶片气动性能,将可靠性较高的吹气射流技术应用于垂直轴风力机叶片尾缘。采用数值模拟方法分析不同尾缘射流角度对垂直轴风力机风能利用系数、力矩系数及单叶压力与整机涡量的影响。模拟结果表明:在最佳尖速比(2.63)时,10°射流可以有效降低翼型尾缘脱落涡频率,有效控制叶片尾迹效应,整机效率及运行稳定性均优于0°尾缘射流式垂直轴风力机;在较低尖速比时,风力机单叶力矩峰值均集中在120°相位角,尾缘10°射流对整机力矩系数有显著提升效果;在较高尖速比时,单叶翼型压力面存在较大正压区,风能利用系数最大可提高11%左右,气动性能明显优于无射流垂直轴风力机。尾缘射流降低了风力机叶片所需承受的轴向载荷,提高了风力机输出功率。不同角度尾缘射流均能有效降低叶片表面流动损失进而延缓流动分离,数值结果为尾缘射流式垂直轴风力机的工程应用提供了部分参考价值。     

基于流固耦合的汽车气动特性

传统CFD仿真方法通常只考虑风载荷对汽车气动性能的作用,忽略了车身结构振动与气流之间耦合作用带来的影响,导致计算结果与真实汽车行驶状况存在一定偏差。以1/4标准MIRA模型为研究对象,通过双向显式流固耦合仿真方法将流固耦合效应引入到数值计算中,得到不同工况下的气动力、表面压力、振动频率以及车身姿态角等数据,分析与传统仿真方法在计算结果上的差异,再利用风洞测试技术验证仿真结果的准确性。对比有无耦合仿真及试验结果表明:耦合仿真与试验结果更加吻合,各项数据偏差都在5%以内,从而验证了耦合仿真方法的准确性;随车速增加流固耦合效应影响增大,特别是对气动升力的影响较大,直接影响汽车操纵稳定性,因此在高速时流固耦合效应带来的影响不能忽略。     

气动喷射数值仿真分析

利用CFD软件Fluent建立数学物理模型,运用欧拉法和拉格朗日方法相结合的计算模型对离散相模型(DPM)进行三维数值模拟。研究当进口处空气速度为60m/s时,不同直径的固体颗粒在喷管外部流场的轨迹和横截面上的分布。仿真得到以下结论:在固体颗粒从喷管喷出后短距离内,固体颗粒大体上呈现圆锥状喷射,喷射的锥角随颗粒的减小而逐步减小;颗粒直径减小时,长轴半径接近短轴半径,逐步过渡为圆形。     

气动汽车动力系统分析

应用热力学理论和分析方法，对气动汽车动力系统各主要环节在工作过程中能量损失情况进行了研究，结果表明，由于节流、泄漏和高压尾气排放等原因，在高压减压阀和气动发动机两个环节存在损失.运用平衡方程对相关环节中的损失进行计算,建立了系统的分析数学模型，并针对一气动汽车动力系统实例，应用该模型仿真计算得到了系统的流图，图示结果表明，最终做功输出的不到总有用能量的1/3，尾气排放、节流减压和泄漏等原因引起的损失分别达43.2%、18.3%和7.8%，对系统整体效率有较大的影响.     

新型低阻导线气动特性数值模拟

采用流体力学计算软件FLUENT6．3,对新型低阻导线LP810导线进行雷诺数76000时气动力特性以及流场的数值模拟。计算采用有限体积法和SIMPLEC算法求解均匀黏性不可压缩流体的NaV1er—St0keS方程（N—S方程）,采用三阶精度二次迎风插值（OUICK）离散N—S方程,以降低求解过程的数值振荡。计算区域网格划分采用具有良好形状适应性的非结构化三角形网格,贴壁网格尺寸取为约0．0005倍的导线直径,网格尺寸在导线周围直径4倍于导线直径的圆形加密区内沿半径方向按照1．009的比例增大。计算结果表明,计算方法具有良好的计算精度,与试验结果吻合较好。新型低阻导线LP810导线的特殊截面设计,使得导线在高雷诺数时的分离点显著推后,降低了在高雷诺数时的阻力系数。     

振荡三角翼非定常气动特性的数值模拟

以欧拉方程为基础，采用有限体积方法，建立了用于进行非定常流动模拟研究的计算方法。文中引用了变系数的残值光顺方法，在保证原求解方程二阶精度的前提下，使得计算效率提高了近１０倍。利用所建立的方法对绕尖锐前缘三角翼作大振幅振荡的非定常旋涡流动进行了模拟计算，收到了良好的计算效果。     

风力机叶型气动特性数值分析的新方法—边界元法

本文对风力机叶型的气动特性数值分析提出了一种新的方法——边界元法,它只对求解域的边界进行离散,该方法具有需要机器内存小、计算时间短、解的精度高等特点。对于求解无限域问题,这种方法比有限差分法和有限元法好。     

某SUV型汽车后视镜气动噪声数值仿真

为有效降低汽车气动噪声,依据声类比思想将气动噪声计算分成流场和声场计算,采用全域与子域分步计算流场和ACTRAN计算声场相结合的方法对某SUV型汽车后视镜的3种方案的气动噪声进行数值仿真,得到车外流场与车内外的声场及声压级频谱曲线,分析流场云图和声压级频谱曲线的变化规律.结果表明:方案III的后视镜因边缘凸起改善了侧窗外流场湍流脉动压力、漩涡和声源位置分布,减少了后视镜通过侧窗传播到车内的噪声.数值仿真结果与实验测试结果吻合较好,验证了方法的正确性.该方法可优化车内声场的分布,提高司乘人员舒适性.     

通用风力机翼型气动特性数值模拟

针对某翼型扰流流动,建立了二维可压缩湍流模型,利用商业软件FLUENT对翼型不同来流攻角下的气动特性进行了相应的数值模拟计算.湍流黏度采用基于RANS的Spalart-A llm aras湍流模型处理,得出了雷诺数在3.2×106时,某翼型的升力系数、阻力系数和压力分布随来流攻角的变化关系,并与同类翼型实验数据进行对比.结果显示:该翼型与修型前的翼型相比,具有较高的升力系数和升阻比,失速性能更好.