基于Fluent与Simpack的高速列车流固耦合联合仿真

基于列车系统动力学和高速列车空气动力学建立了高速列车流固耦合联合仿真计算方法。利用Fluent和Simpack分别计算高速列车气动特性和气动作用下的高速列车动力学性能,通过实时传递气动参数和姿态参数,实现高速列车流固耦合的联合仿真。利用建立的流固耦合方法研究了横风速度为10．7m／s时高速列车以350km／h速度运行时的流固耦合动力学行为。比较了离线仿真和联合仿真两种方法下列车气动力与姿态、安全性和舒适性指标的差异。研究表明,列车一气流的流固耦合效应对头车气动力和姿态的影响显著,头车安全性指标有所恶化。     

基于CFD的三维轿车车流场的数值计算与应用分析

本文以计算流体力学（CFD）为基础,采用有限体积法探求了应用计算流体力学（CFD）研究汽车车身外部流场的可行性。计算机数值解提供了诸如：气动压力场、速度场等车身压力、速度分布以便于获得气动阻力、气动升力和气动侧向力及其由此可得的相关力等信息。三维理想轿车车身空气动力学特性参数的数值模拟结果与风洞实验数据吻合较.好进一步应用于实车分析表明：数值模拟研究汽车空气动力学特性切实可行。     

重叠网格法应用于模拟高速列车隧道气动效应

高速列车通过隧道时所诱发的压力波不仅会使乘客耳感舒适性变差,而且会造成车辆零部件疲劳。基于计算流体力学软件中有限体积方法,本文使用重叠网格法模拟了复杂外形高速列车完全通过隧道时引起的隧道内的压力波动。描述了重叠网格法及使用该方法进行列车过隧道建模的过程。利用文献提供的数据,分别采用滑移网格法和重叠网格法建模计算,并进行对比。通过与京沪线高速列车实车试验数据的对比,结果表明:对于模拟高速列车隧道气动效应,重叠网格法不仅网格设计简单,对车体、隧道复杂外形适应性强,且计算结果具有较高的计算精度及可靠性,具有较高的工程价值,可为今后高速铁路隧道气动效应的相关研究提供参考。     

高铁为什么长这样?——不是跑得快,而是飞得低

在过去十年中,中国高速列车迎来了爆炸式的发展,本文就高速列车主要涉及到的空气动力学问题如气动阻力、交会压力波、隧道压力波、气动噪声进行了阐述,并就这些问题的影响因素和规律给出了介绍.     

Why does the high-speed train look like this?

在过去十年中，中国高速列车迎来了爆炸式的发展，本文就高速列车主要涉及到的空气动力学问题如气动阻力、交会压力波、隧道压力波、气动噪声进行了阐述，并就这些问题的影响因素和规律给出了介绍.     

高速列车车体长度对气动噪声影响的数值研究

高速列车具有细长形状, 数值评估气动噪声往往需要巨大的计算量.目前对高速列车气动噪声的数值模拟大多基于对简化短编组列车的评估,而实际列车通常具有较长的8$\sim$16节编组.如何基于现有条件合理评价真实长度列车的气动噪声,是一个急需探讨的问题. 本文应用非线性声学求解器(NLAS)和FW--H声学比拟法的混合算法, 先求解噪声积分面上的声场脉动,再进行远场积分, 引入多噪声面积分技术,通过对三种不同长度(3节、4节、6节)列车模型的气动性能和噪声数值模拟,分析了车体长度对列车气动噪声的影响. 结果表明,同一列车模型的各节车厢具有相似的沿线噪声分布,其噪声曲线在量值上十分接近,只是主峰位置会随着车厢空间位置的不同而相应地发生偏移;不同长度编组列车对应部位之间的远场噪声特性具有较强的关联性,它们的远场噪声具有接近的总声压级和噪声频谱.通过利用短编组计算数据进行分解、平移和叠加,成功重构了4编组和6编组列车远场噪声特性,与直接计算结果相比误差在可接受范围内.由此发展了基于短编组列车噪声的数值结果,重构长编组列车沿线噪声的近似评估方法.      

高速列车车体长度对气动噪声影响的数值研究

高速列车具有细长形状,数值评估气动噪声往往需要巨大的计算量.目前对高速列车气动噪声的数值模拟大多基于对简化短编组列车的评估,而实际列车通常具有较长的8～16节编组.如何基于现有条件合理评价真实长度列车的气动噪声,是一个急需探讨的问题.本文应用非线性声学求解器(NLAS)和FW–H声学比拟法的混合算法,先求解噪声积分面上的声场脉动,再进行远场积分,引入多噪声面积分技术,通过对三种不同长度(3节、4节、6节)列车模型的气动性能和噪声数值模拟,分析了车体长度对列车气动噪声的影响.结果表明,同一列车模型的各节车厢具有相似的沿线噪声分布,其噪声曲线在量值上十分接近,只是主峰位置会随着车厢空间位置的不同而相应地发生偏移;不同长度编组列车对应部位之间的远场噪声特性具有较强的关联性,它们的远场噪声具有接近的总声压级和噪声频谱.通过利用短编组计算数据进行分解、平移和叠加,成功重构了4编组和6编组列车远场噪声特性,与直接计算结果相比误差在可接受范围内.由此发展了基于短编组列车噪声的数值结果,重构长编组列车沿线噪声的近似评估方法.     

基于传质现象的高速铁路隧道入口压缩波数值分析

基于一维可压缩非定常不等熵流动理论,认为隧道内空气流通截面是流动时间和流动距离的二元函数,考虑了空气与隧道壁和列车壁之间的摩擦和传热效应,采用广义黎曼特征线法,对高速列车进入存在传质现象的等截面缓冲罩隧道引起的入口压缩波进行了数值计算。另外进行了不同缓冲罩参数的计算,并且对计算结果进行了定性与定量分析,结果说明了相关的空气动力学效应。     

无砟轨道结构对高速列车气动性能的影响

基于计算流体力学,采用滑移网格方法数值模拟了在有、无横风两种环境下高速列车以300km/h速度通过不同无砟轨道模型的空气动力学性能,研究了车体底板及转向架的表面压力特性,分析了列车与轨道周围的流场特性,研究了轨道结构对气动性能的影响.研究结果表明:当列车通过框架型轨道模型时,由于框架的存在,列车底板及转向架表面压力均呈现周期性波动现象,其压力波动的主频接近16.90Hz.在无横风环境下,列车车体底板的压力变化规律基本一致,且不同模型同一位置处的压力均值相差不大;在横风环境下,利用传统方法计算得到的车体底板压力幅值略大于框架型和平板型轨道模型的计算结果.     

考虑地面效应的高速列车远场气动噪声计算方法研究

为研究高速列车远场气动噪声的计算方法,根据高速列车近地面运行的实际情况,利用半自由空间的Green函数求解FW-H方程;建立考虑地面效应时的远场声学积分公式,并研究地面效应对高速列车远场气动噪声的影响.研究表明,由于存在地面效应,原来的自由声场变成了相当于真实列车声场与镜像列车声场的叠加,并且作用在镜像列车上的力源和法向运动速度与真实列车上的相同.当列车运动速度为350 km/h时,不考虑地面效应时,远场测点的等效连续A计权声压级的最大值为90.76 dB;考虑地面效应之后,远场测点的等效连续A计权声压级的最大值为94.72 dB.     

外激励作用下亚音速二维壁板分岔及响应研究

研究了亚音速流中二维壁板在外激励作用下的分岔和响应问题. 采用Galerkin方法将非线性运动控制方程离散为常微分方程组. 采用Runge-Kutta数值方法进行了数值计算,研究了壁板系统非单周期区在参数空间的分布情况. 结果表明: 在参数空间中, 非单周期区和单周期区会交替出现; 在不同的单周期区内, 系统运动轨线也在有规律的变化; 系统由单周期运动进入混沌运动是经过一系列周期倍化分岔产生的.      

高速列车头型长细比对气动噪声的影响

高速列车的头尾车外形对气动噪声具有重要的影响.工程实践中随着车速的增加,车辆头部越来越细长,日本高速磁悬浮列车实践中甚至出现了具有极端长细比的头部形状.本文以讨论头型长细比对列车气动噪声的影响规律为出发点,应用非线性声学求解器(NLAS)和FW-H声学比拟法的混合算法,在3种运行速度下对基于CRH380A高速列车头型概化的4种不同头型长细比的模型车的气动噪声进行了数值模拟.给出了不同头型长细比列车的流场特征、气动阻力和气动噪声.结果表明,列车的气动总阻力随头型长细比的增大而减小,且头型长细比对列车总气动阻力的影响随运行速度的增加而增强.而头型长细比对气动噪声的影响呈现出较为复杂的影响,并不存在单调的影响关系;综合考虑气动阻力和气动噪声,长细比最大的头型综合性能较优,但差异并不显著,因此在不考虑微气压波等因素的条件下,简单增加车头长细比并不一定能带来明显的气动噪声性能提升.     

Aerodynamic design on high-speed trains

Compared with the traditional train, the operational speed of the high-speed train has largely improved, and the dynamic environment of the train has changed from one of mechanical domination to one of aerodynamic domination. The aerodynamic problem has become the key technological challenge of high-speed trains and significantly affects the economy, environment, safety, and comfort. In this paper, the relationships among the aerodynamic design principle, aerodynamic performance indexes, and design variables are first studied, and the research methods of train aerodynamics are proposed, including numerical simulation, a reduced-scale test, and a full-scale test. Technological schemes of train aerodynamics involve the optimization design of the streamlined head and the smooth design of the body surface. Optimization design of the streamlined head includes conception design, project design, numerical simulation, and a reduced-scale test. Smooth design of the body surface is mainly used for the key parts, such as electric-current collecting system, wheel truck compartment, and windshield. The aerodynamic design method established in this paper has been successfully applied to various high-speed trains (CRH380A, CRH380AM, CRH6, CRH2G, and the Standard electric multiple unit (EMU)) that have met expected design objectives. The research results can provide an effective guideline for the aerodynamic design of high-speed trains.     

近空间高超声速飞行器气动特性研究的若干关键问题

在30$\sim$70km空域机动飞行的高超声速飞行器的优点是可以耦合利用所处空域的空气产生的升力和高速飞行的离心力进行远距离机动滑翔飞行,具有重要的实用价值.尽管过去数十年在高超声速流动研究方面取得显著进展,但在设计研究近空间远程滑翔的高超声速飞行器方面仍然存在许多挑战,特别是对特定飞行条件下的流动机理了解不清楚.本文介绍了作者研究团队在开展近空间高超声速飞行器有关的关键气动问题方面的研究进展,主要包括:建立了近空间高超声速飞行的流动模型,发展了系统的相关计算空气动力学方法,针对高空高速飞行条件下稀薄气体效应和真实气体效应的耦合作用影响研究了合适的滑移边界条件,考虑了不同组分存在条件下的温度、速度和压力的滑移效应影响;提出了飞行器气动外形的动态优化方法,获得了可工程实用化的高升阻比飞行器气动外形;建立了高速飞行器动稳定性理论,在实现高超声速飞行器动态稳定飞行方面取得重大进展;最后讨论了高超声速飞行器设计中进一步需要关注的若干关键技术和科学问题、可能解决的途径及其所涉及的学科发展方向.      

高速列车的关键力学问题

在过去10 年时间, 中国和谐号系列高速列车经历了一系列速度上的飞跃. 在最初引进消化吸收基础上, 研制了新一代高速列车并大规模投入运营, 伴随这一过程的大量试验与工程实践, 大大促进了对高速铁路这样一个车- 线- 网- 气流强耦合的复杂大系统中的关键力学问题的深入理解和全面研究. 该文将从6 个方面对高速列车研制和运行过程中的典型力学问题的研究进展以及未来的研究方向做一个梳理. 考虑到这样一个大系统的复杂性,同时也为了使对高速列车感兴趣的技术与科研人员对这些力学问题有一个比较全面的认识, 文中将分别就高速列车的空气动力学、弓网关系、车体振动与车体模态设计、车体运行稳定性、高速轮轨关系、关键结构的运行可靠性和列车噪声等方面的研究进行总结和展望. 同时也对中国及国际高速列车发展趋势及其中的力学问题做了一个简要介绍.      

Aerodynamic pressure on a wall due to movement of a high-speed train

The questions of train aerodynamics have taken on great practical importance in connection with the rapid increase of the speeds of the modern trains. In particular, of very great importance is the aerodynamic effect of trains on people and structures located near the tracks.The present article makes an attempt to evaluate the pressure of a train on a long wall parallel to a moving train.Similar problems have been considered for circular cylinders and for spheres. Literature on the subject and the initial discussion of the question may be found in the classical hydrodynamics courses [1,2]. A more exact solution of the problem of the motion of a circular cylinder in the presence of a wall has been given by Mazur [3]. The problems of the motion of an ellipsoid and certain other bodies have been examined recently to determine the suction force acting on a ship [4–6] In these studies bodies were considered whose slenderness ratio is much less than that of trains. Particular note should be taken of the article of Blokh and Ginevskii [5] which gives an approximate method which may be used also for very elongated bodies, if account is taken of the transverse velocities which they generate.The methods of thin wing theory are used in the present study.     

Transonic limit cycle oscillation behavior of an aeroelastic airfoil with free-play

The limit cycle oscillation (LCO) behaviors of an aeroelastic airfoil with free-play for different Mach numbers are studied. Euler equations are adopted to obtain the unsteady aerodynamic forces. Aerodynamic and structural describing functions are employed to deal with aerodynamic and structural nonlinearities, respectively. Then the flutter speed and flutter frequency are obtained by V-g method. The LCO solutions for the aeroelastic airfoil obtained by using dynamically linear aerodynamics agree well with those obtained directly by using nonlinear aerodynamics. Subsequently, the dynamically linear aerodynamics is assumed, and results show that the LCOs behave variously in different Mach number ranges. A subcritical bifurcation, consisting of both stable and unstable branches, is firstly observed in subsonic and high subsonic regime. Then in a narrow Mach number range, the unstable LCOs with small amplitudes turn to be stable ones dominated by the single degree of freedom flutter. Meanwhile, these LCOs can persist down to very low flutter speeds. When the Mach number is increased further, the stable branch turns back to be unstable. To address the reason of the stability variation for different Mach numbers at small amplitude LCOs, we find that the Mach number freeze phenomenon provides a physics-based explanation and the phase reversal of the aerodynamic forces will trigger the single degree of freedom flutter in the narrow Mach number range between the low and high Mach numbers of the chimney region. The high Mach number can be predicted by the freeze Mach number, and the low one can be estimated by the Mach number at which the aerodynamic center of the airfoil lies near its elastic axis. Influence of angle of attack and viscous effects on the LCO behavior is also discussed.     

高速铁路隧道缓冲结构气动载荷与结构应力特性分析

高速列车通过隧道时,会引起车隧气动效应.在隧道洞口设置缓冲结构是简便有效的应对措施之一.而缓冲结构一般设置在隧道洞口,列车通过隧道产生气动载荷对该结构的影响也不容忽视.本文采用数值方法,利用Ansys软件的workbench模拟平台,对列车通过隧道产生的气动载荷作用在顶部单开口缓冲结构上的压应力变化进行模拟.研究结果表明:气动载荷所引起的结构附加应力作用明显.当行车速度为350 km/h时,附加应力可以达到80 kPa,而缓冲结构开口周围成为气动载荷附加应力集中区.对于双线隧道,近车壁面与远车壁面的附加压应力规律一致,但近车侧应力值要大于远车侧.与压力波在隧道内的传播特性类似,气动载荷所引起的附加压应力具有往复传播特征.另外,对顶部缓冲结构开口附近出现附加应力集中的原因进行了分析,确定缓冲结构形式是引起应力集中的决定因素.以上结论对隧道洞口缓冲结构的设计及安全巡查具有一定的指导意义.     

高速列车气动外形优化研究进展

随着运行速度的提升, 高速列车对气动外形的要求也越来越高, 追求性能优异、美观大方的气动外形是新型高速列车研发的一个重要方向. 基于当前高速列车外形研发的思路, 可以将气动外形优化概括为基于流场机理的改型优化和基于优化算法的外形优化两类. 本文简要回顾了当前国内外在这两类优化途径上的系列工作, 着重介绍了作者所在团队近年来做过的一系列气动外形优化工作. 在基于流场机理的改型优化上, 着重从"和谐号"和"复兴号"这两款主力车型的外形研发上探讨其改型优化的思路, 主要探讨了空调导流罩、受电弓平台、风挡和转向架裙板几类对列车阻力影响较为明显的部件的优化设计,并介绍了其相对于上一代车型在气动性能上的提升. 基于优化算法的外形优化方法,则因循气动外形优化流程, 在列车外形已经具有较好性能的基础上,以高速列车头型流线型为主要优化对象,分别从高速列车参数化方法、替代模型开发以及优化算法改进三个方面进行介绍.其中,高速列车参数化方法主要介绍了局部型函数法、修正车辆造型函数法和类别/形状函数法三类;替代模型开发介绍了最优化替代模型和基于交叉验证的Kriging模型; 在优化算法的改进上介绍了改进的非劣分类多目标粒子群算法和连续域混沌蚁群算法两方面的内容.基于上述三个方面介绍了气动外形优化策略在典型工程上的应用案例.