路堤倾角变化对高速列车侧风运行气动特性影响

采用计算流体力学方法,探讨路堤倾角变化对高速列车侧风运行气动特性影响.结果表明:随着路堤倾角增大,头车侧向力系数先增加后减小,而中间车侧向力系数则持续减小.尾车上的侧向力系数先是略微减小,当路堤倾角达到47.5°时,侧向力系数随倾角增加而增加.作用在中间车上的负升力随着路堤倾角增加而增加.尾车的升力系数对路堤倾角变化非常敏感,变化幅度较大.路堤倾角变化时高速列车绕流流场变化,从而导致列车受到的气动力发生变化.     

高速列车地面效应数值模拟研究

采用定常RANS方法对高速列车的地面效应进行分析,研究地面效应影响下高速列车气动力的变化规律.研究地面效应对不同侧偏角下高速列车气动力的影响,发现地面效应对073176;侧偏角下的气动力影响最大,并随着侧偏角的增大地面效应的影响逐渐变小;研究当列车与地面相对高度发生变化时高速列车气动力的变化规律,数值模拟结果揭示了高速列车气动升力存在的升力翻转效应,并对不同高度下列车底面的压力脉冲变化规律进行分析.     

高速列车噪声与速度关系变化分析

随着高速列车运行速度的提升,高速列车内部噪声过高的问题日益突出,识别高速列车在高速运行时主要噪声来源对减振降噪非常重要。本文针对我国高速列车CRH380B型车,在多工况的实车运行状态下进行噪声振动测试研究,并利用速度指数拟合进行计算。得到了我国CRH380B型高速列车不同的噪声随速度指数变化的规律和车内车外的过渡速度区。该结果能够对高速列车噪声来源识别提供参考,为高速列车的车厢内部低噪声设计提供依据。     

零阶Bessel驻波场中任意粒子声辐射力和力矩的Born近似

声辐射力和声辐射力矩的计算是实现粒子精准操控的重要基础.基于经典声散射理论的偏波级数展开法较难直接用于复杂模型的研究,而纯数值的方法则不利于进行系统的参数化分析.基于Born近似的基本原理,推导了低频情况下零阶Bessel驻波场中心任意粒子的声辐射力和力矩表达式.在此基础上,以球形粒子、椭球形粒子和柱形粒子为例进行详细地计算,并考虑声参数的非均匀性对声辐射力和力矩的影响.仿真结果表明,在低频范围内Born近似具有很高的精度,随着频率的增加和粒子与流体的阻抗匹配变差,Born近似的精度逐渐下降.对于倾斜放置于零阶Bessel驻波场中的椭球形粒子和柱形粒子,非对称性会导致其受到声辐射力矩的作用.在粒子尺寸远小于波长的情况下,声辐射力特性与粒子的具体形状几乎无关,但声辐射力矩不然.最后,引入周围流体的黏滞效应并对声辐射力的表达式进行了修正.该研究预期可以为生物医学、材料科学等领域利用驻波场声镊子实现微小粒子的精准操控提供一定的理论指导.     

高速列车车内压力波动模糊控制研究

高速列车在通过隧道或两车交会时,列车表面会产生很大的气压波动,此压力波动通过车体缝隙和换气风机、风道传入车内,引起车内空气压力较大波动,造成乘客耳鸣、耳痛等症状,影响乘坐舒适性;为了抑制高速列车车内压力波动,根据某型高速列车换气风机特性曲线与车体等效泄露关系,建立了换气风机频率可变的车内外空气压力传递数学模型;采用模糊控制策略,以车内压力、车内压力变化率为控制输入,对高速列车换气系统中的新风风机、废排风机运行频率进行调节;仿真结果表明:该控制方式能够提高现有换气系统对车内空气压力波动的抑制能力,提高乘坐舒适性。      

260t铁水车上车架和下车架强度分析

260t铁水车是采用直接将铁水包落入运输车中的新型大型重载凹底特种车。该车的特点是：轴重大（重载时轴重达约45t）、车体宽（车体最大宽度达4200mm）。上、下车架是整个铁水车的安装基础，主要起承载和传力作用，因此为了保证车体在运行中的安全可靠性，车体结构强度计算分析是十分重要的一项内容。通过计算载荷和计算工况对上车架和下车架进行强度计算分析。     

Gauss声束对离轴椭圆柱的声辐射力矩

利用部分波展开法求解得到了Gauss声束入射下刚性和非刚性椭圆柱的声散射系数,推导了一般情况下的声辐射力矩表达式.在此基础上,通过一系列数值仿真详细分析了离轴距离、入射角度和束腰半径对声辐射力矩的影响.结果表明:正向与负向声辐射力矩均可以在一定条件下存在;低频情况下刚性椭圆柱比非刚性椭圆柱更容易产生较强的声辐射力矩;特定频率的入射声场可以激发出非刚性椭圆柱不同阶的共振散射模式,因而非刚性椭圆柱的声辐射力矩峰值与频率的关系更密切;增加束腰半径有利于扩大散射截面,进而增加椭圆柱的声辐射力矩.该研究结果预期可以为利用声辐射力矩实现粒子的可控旋转和流体黏度的反演提供一定的理论指导.     

水泵水轮机在泵工况的导叶水力矩特性

针对水泵水轮机泵工况的导叶水力矩试验中,各被测导叶的水力矩因数并非完全轴对称,本文运用CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟方法,使用SSTκ-ω湍流模型进行数值计算,分析导叶、转轮区域内部流场,探究导叶水力矩特性及其与内流流态的关联。结果表明:力矩因数值的数值模拟结果和试验结果吻合较好,由试验结果可知各开度下水泵工况的力矩因数值呈现抛物线型规律。导叶开度小于43.0%时,流体绕流导叶产生大量旋涡;且开度越小,涡的强度越大,流动越紊乱;开度在51.2%至67.6%范围内,转轮和导水机构流道内流动平稳。小于43.0%开度时,各导叶的水力矩因数均匀性较差,随着导叶开度减小,水力矩因数和静压值的周期性变差,幅值增大,压力脉动和水力矩脉动均明显增强。     

高速列车车体疲劳试验压力加载控制仿真研究

高速列车在隧道通过或明线交会时,列车表面会产生较大的气压波动,此压力波动通过车体传递到车内也会影响车内压力波动,加之运行速度的不断提高,可引起车体表面材料疲劳甚至断裂。为研究高速列车在复杂工况下车内、外压力波动对车体材料疲劳性能的影响,设计了一种能同时对车内及车外进行压力加载的试验系统。利用AMESIM与SIMULINK接口技术进行联合仿真平台的构建,并进行车内、外压力控制仿真。针对系统数学模型难以建立,且存在大容量、大时滞、非线性及多扰动等特点,采用基于前馈补偿的高阶非因果型迭代PI型控制算法实现车内及车外压力的精确控制。仿真结果表明该算法控制误差较PI型控制算法小,控制效果更理想。     

基于大数据的高速列车气动载荷作用下迭代学习主动控制研究

列车在高速运行的过程中与另一列车相交会时,将产生剧烈的瞬态气动载荷冲击而引起车体瞬间横向振动加剧,导致列车横向平稳性恶化。为了改善列车运行平稳性,采用大数据方法及迭代学习控制思想,提出基于高速列车运行大数据的迭代学习主动控制算法,并进行多体动力学与控制算法的联合仿真,进一步研究控制算法对会车气动载荷幅值变化和会车时间变化的鲁棒性。结果表明：大数据迭代学习主动控制经过5次迭代后对会车气动载荷激扰下的车体横向振动峰值降低52.67%,且控制算法对会车工况变化有较好的鲁棒性。     

高速动车组气动噪声试验与仿真分析*

通过风洞试验对某高速动车组整车、受电弓及转向架远场气动噪声特性进行分析。试验结果表明,高速动车组远场气动噪声是一宽频噪声,总声能随速度的6.6次方增加;由受电弓引起的远场气动噪声主要集中在中高频,噪声峰值频率随速度变化线性增加;由转向架引起的远场气动噪声主要集中在中低频,噪声峰值频率与速度无关。在此基础上,通过大涡模拟和声扰动方程获得该高速动车组近场噪声。高速动车组远场噪声测点仿真结果与试验结果的最大差值2.2 dB(A),最大相对误差2.5%,表明仿真模型的准确性。仿真结果表明,车头近场噪声以车头鼻尖为界,底部气动噪声能量大于上部流线型气动噪声能量,其中转向架舱位置噪声能量最大,因此进行车内外降噪方案设计时,应重点关注车头转向架舱位置。     

发动机喷流对火箭气动特性影响

开展了考虑底部发动机喷流影响的火箭气动特性CFD仿真设计,比较了有/无喷流时火箭附近流场结构、表面压力分布、整体气动力/力矩特性在亚/超声速段的差异,结果显示,发动机喷流对火箭亚声速段的轴向力、法向力和俯仰力矩特性均有较为显著的影响,且有减小尾部空气舵气动控制力矩的影响,而超声速段的影响仅限于轴向力。该仿真结果与飞行试验气动辨识结果较为一致。基于仿真分析结果,可建立一种折中考虑喷流影响的气动特性设计方法,供火箭精细化气动特性设计参考使用。      

Prediction of aerodynamic noise reduction by using open-cell metal foam

As the speed of high-speed train (HST) increases continuously, aerodynamic noise has become more remarkable compared with the wheel/rail noise, which affects the inhabited environment along the railway and the riding comfort. This paper preliminarily investigates the feasibility of using open-cell metal foam covering layer to reduce the low Mach number aerodynamic noise generated by the flow around a circular cylinder which is the typical section of pantographs. The aerodynamic noises radiated from the circular cylinder with and without metal foam are calculated. The hybrid method combining two-dimensional large eddy simulation (LES) with Ffowcs Williams–Hawkings (FW–H) equation is employed. The calculated Strouhal number, time-averaged drag coefficient, base pressure and overall sound pressure level agree well with some available experimental data. Then, the influences of metal foam porosity, pore density, thickness of covering layer and the speed of train on the aerodynamic noise and the aerodynamic forces are investigated, and some detailed comparisons of flow field are made. The numerical results indicate that as a passive scheme, the open-cell metal foam with high porosity can modify the flow, adjust the vortex shedding frequency and regularize the wake, leading to a significant reduction of aerodynamic noise. The results are expected to provide useful information for the control of aerodynamic noise using this new material.     

光学炮塔气动载荷的非稳态特性

采用耦合J-B模型的IDDES模型与双时间步LU-SGS方法开展炮塔非稳态气动载荷的数值仿真研究。炮塔流动会发生分离,天顶位置的分离角大于90°;当流动绕过炮塔时,形成马蹄涡、脱落涡街等非稳态流场结构,导致气动载荷也具有非稳态特性;炮塔顶点的脉动静压功率谱在1.6~40.0 kHz进入各向同性均匀湍流的惯性子区,基本满足Kolmogrov的-5/3定律;气动力以阻力为主,横向力的脉动幅值大,气动力矩则以俯仰力矩为主,滚转力矩的脉动幅值大,偏航力矩可以忽略不计;气动力和力矩的功率谱主要集中在1 kHz以下,存在多个尖峰频率,主频约为230 Hz (斯特劳哈尔数为0.15)。在ATP系统设计之初,需要考虑光学炮塔所受气动载荷的非稳态特性,并规避尖峰频率尤其是主频的谐振破坏问题。     

四稳系统的双重随机共振特性

提出了一类8次势函数并讨论了其分岔特性,得到由左、右2个小尺度双稳势和中间势垒构成的对称四稳系统.建立了在周期力和随机力共同作用下四稳系统输出响应的近似解析表达式,并从能量角度引入功这一过程量来刻画大、小不同尺度双稳势之间的作功能力,发现四稳势中存在着双重随机共振现象.理论分析与数值仿真结果表明,当中间势垒高度大于左右2个小尺度双稳势的势垒高度时,四稳系统的响应随着噪声强度的变化由束缚在小尺度双稳系统中做小幅振动转变为跨越中间势垒的大幅振动,功随噪声强度的变化出现了双峰曲线,存在着双重随机共振,且小尺度随机共振能增强大尺度随机共振的效应.     

Stochastic resonance in thermally activated reactions: Application to biological ion channels

At the molecular level many thermally activated reactions can be viewed as Poisson trains of events whose instantaneous rates are defined by the reaction activation barrier height and an effective collision frequency. When the barrier height depends on an external parameter, variation in this parameter induces variation in the event rate. Extending our previous work, we offer a detailed theoretical analysis of signal transduction properties of these reactions considering the external parameter as an input signal and the train of resulting events as an output signal. The addition of noise to the system input facilitates signal transduction in two ways. First, for a linear relationship between the barrier height and the external parameter the output signal power grows exponentially with the mean square fluctuation of the noise. Second, for noise of a sufficiently high bandwidth, its addition increases output signal quality measured as the signal-to-noise ratio (SNR). The output SNR reaches a maximum at optimal noise intensity defined by the reaction sensitivity to the external parameter, reaction initial rate, and the noise bandwidth. We apply this theory to ion channels of excitable biological membranes. Based on classical results of Hodgkin and Huxley we show that open/closed transitions of voltage-gated ion channels can be treated as thermally activated reactions whose activation barriers change linearly with applied transmembrane voltage. As an experimental example we discuss our recent results obtained with polypeptide alamethicin incorporated into planar lipid bilayers.(c) 1998 American Institute of Physics.