挟沙强横风对高速列车气动特性的影响研究

为了研究强风沙环境下高速列车运行的安全性能和气动性能,基于空气动力学理论,运用Navier-Stokes方程、标准k-ε湍流模型对气流进行连续化处理,应用DPM模型对沙粒进行离散化。算例采用欧拉 拉格朗日方法进行求解。研究结果表明：随着挟沙风速的增大,列车背风侧的涡流强度有所降低,但在背风侧的近地面,列车的流线越来越不规则;除此之外,列车车身的压力会随着挟沙风速的增大而增大,会随着沙粒直径的增大而有所降低;随着挟沙风速的增大,列车的阻力、侧力、升力均增大。随着沙粒直径的增大,列车的升力、侧力、阻力、倾覆力矩均有所降低,但比净风情况下要大。研究结果对强风沙地区合理设计高铁线路具有一定的参考价值。     

风沙流对戈壁风区桥梁防风栅响应规律的研究

为明确兰新二线桥梁防风栅的防风效果以及防风栅背风侧流场分布情况,选取兰新二线新疆段桥梁中最具代表性的32 m箱梁结构建模,基于Fluent风沙两相流非定常模型,运用标准κ-ε湍流模型,对风沙环境下高速铁路桥梁及防风栅整体风场分布特征进行定性的模拟分析。结果表明:在设置单侧、双侧防风栅后,会在防风栅背风侧形成一个相对连续的风压减速区;在布置单侧、双侧风栅的情况下,防风栅背风侧距床面0.4 m高位置处风速变化规律基本呈现先减小再增大趋势,且不同高度条件下的风速垂直廓线基本一致,呈先增大后减小再增大的趋势,双侧防风栅背风侧的风速变化始终小于单侧防风栅;在双侧防风栅作用下,随着风速的增加,在距上行线道床面1.2 m以上至防风栅自身高度区间内风速变化保持稳定;防风栅在一定程度上会加剧桥梁轨道线路上方的积沙。     

基于GPU并行计算的风沙流SPH数值分析

在研究风沙流动方面,光滑粒子流体动力学方法(SPH)的无网格性有着独有的优势。利用SPH方法研究风沙流动时,需要将整个计算区域离散成数量庞大的单个粒子,因此计算规模大、计算效率低。为提高SPH方法的计算效率,采用支持并行计算的CUDA平台,利用GPU大规模并行计算技术,实现SPH方法数值模拟时的加速运算。以二维气沙两相耦合模型作为数值算例,利用GPU并行计算详细分析颗粒群的运动规律。比较在不同粒子数下CPU与GPU的计算效率以及GPU线程数对计算效率的影响。对所得结果进行统计分析后,得到了单颗沙粒的典型抛物线形和变异的跃移轨迹。模拟结果证明:SPH-GPU并行计算技术能够应用在风沙流结构的数值模拟研究中。     

风沙环境下偏航角对高速列车的冲蚀及气动性能的影响研究

为研究不同偏航角下风沙耦合作用(激励)对高速列车的气动性能和冲蚀特性的影响,基于空气动力学理论,采用Navier-Stokes方程、标准κ-ε湍流模型对气流进行连续化处理,应用DPM模型对沙粒进行离散化处理.模拟车速230 km/h、风速30 m/s条件下,0°偏航角、45°偏航角和90°偏航角3种工况下,列车的气动特...     

强风沙环境下高速列车气动特性及冲蚀性研究

为研究高速列车在风沙环境中运行时的空气动力学性能及冲蚀特性，基于Navier-Stokes方程和标准κ-ε方程控制模型，运用FLUENT软件中离散相模型（DPM）对沙粒进行离散化处理，对气流进行连续化处理。数值模拟了高速列车运行速度为250km/h，风速为20m/s时，高速列车在风沙环境下的表面压力、气动阻力、黏性力及冲蚀特性，采用欧拉-拉格朗日方法进行求解计算。研究结果表明：列车在高速运行时最大正压主要在分布在车头鼻翼处，受风沙影响时列车的表面压力有所增大；列车运行的速度越大或沙粒颗粒直径越大，车头冲蚀越严重；在风沙环境下行驶时，头车阻力系数增加了32%，车尾增加了25%，升力和黏性力有不同程度的减少。     

戈壁地区风沙环境下桥梁防风栅防风性能的研究

为研究西北戈壁地区新疆段桥梁防风栅的防风效果,基于Fluent风沙两相流非定常模型,采用标准κ-ε湍流模型,选取兰新高铁中最具代表性的32 m箱梁结构,分析风沙环境下不同孔隙率防风栅对高速铁路桥梁及防风栅自身风沙流场分布的影响。结果表明：一定孔隙率的防风栅会降低迎风气流速度,对防风栅周围流场施加阻力,造成气流动量损失,从而对背风面产生遮蔽作用;防风栅可以阻挡部分来流风,但会使桥梁上的阻力和力矩增加,降低桥梁的抗风性能;防风栅孔隙率过低不利于桥梁稳定性,过高不利于列车行驶安全,20%～30%孔隙率的防风栅较优。     

SPH-GPU并行计算在风沙流中的应用

为了实现小尺度范围风沙运动的真实感模拟,采用基于拉格朗日力学无网格形式的光滑粒子流体动力学（smooth particle hydrodynamics,SPH）方法解决了基于欧拉网格法因网格大变形或者变形边界等引起的各种问题,并克服了不能用固定欧拉网格追踪任意单颗粒子运动轨迹的困难,因此该方法在研究风沙运动方面有着独特的优势。然而,随着风沙流动中SPH粒子数目的增加,该方法计算效率低,计算规模大的缺陷在风沙模拟过程中尤为明显。为了提高其计算效率,在CUDA软硬件平台上,建立SPH-GPU并行加速的二维气沙两相耦合模型,对串行的热点程序进行分析,找出最耗时且适合并行的热点程序;其次对GPU并行计算模型进行验证,宏观上得到了沙粒群运动的时空变化规律,微观上得到了典型沙粒的跃移轨迹和变异的尖角轨迹;最后对比了三种不同粒子数下CPU与GPU的计算效率。模拟结果证明SPH-GPU并行计算方法能够进一步应用在风沙流的数值模拟研究中。     

风沙流结构的SPH模拟研究

风沙流结构是研究风沙流运动的重要内容,沙粒的起跳速度的分布对其有重要影响.这里使用光滑粒子流体动力学方法(Smooth Particle Hydrodynamics,简称SPH方法),建立了气体和沙粒的受力模型、沙粒之间的碰撞模型以及两相之间的耦合机制,分别模拟了两种粒径的沙粒在单一粒径沙粒条件下,在分布均匀的沙床面上...     

关于液滴撞击弹性固体变形预测仿真

在液滴撞击弹性固体问题中,由于流固两相的动力学特性复杂且传统网格法求解困难,研究中通常将固体结构视为刚性壁面,不考虑固体在冲击下的变形情况及变形对液滴的影响,导致数值仿真精度较低。根据光滑粒子动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)方法的基本原理和理论,采用连续介质力学的控制方程,引入非牛顿流体和弹性固体所遵循的本构关系,分析流固两相的相互作用,提出一种流固边界的耦合处理算法,建立流固耦合动力学模型,对非牛顿液滴撞击弹性固体的动态过程进行数值仿真。仿真结果表明,上述数值方法能够精细地预测出撞击过程中非牛顿液滴的形态变化和弹性固体结构的微变形情况,并探讨了具有不同弹性模量的固体在液滴撞击下的可变形性及对液滴的影响。     

不同类型风沙环境下高速列车气动特性分析

为研究风沙耦合作用对高速列车运行状态的影响,基于流体动力学理论建立高速列车空气动力学模型。采用三维、定常、不可压雷诺时均Navier-Stokes方程和标准κ-ε两方程湍流控制模型,模拟计算列车在平地、路堤和桥梁上行驶时的气动特性。沙粒采用欧拉-拉格朗日方法进行离散化处理,气流为连续化处理,这种处理方式与风沙自然状态非常吻合。研究结果表明：高速列车在有沙环境下的表面压力远大于无沙环境;列车头车受到的气动阻力最大,且沙粒对头车阻力的影响极为显著,较无沙环境头车阻力增加了（10～12）%;头车受到的倾覆力矩最大,尾车受到的倾覆力矩最小,方向与头车的受力相反;桥梁路况最大正压区相对较大,且列车两侧压力差最大,桥梁迎风侧凹槽处产生漩涡,背风侧产生双回流现象,致使气动性能最差。