外激励作用下亚音速二维壁板的复杂响应研究

研究了亚音速流中二维壁板在外激励作用下的复杂响应问题。采用迦辽金方法将非线性运动控制方程离散为常微分方程组,采用数值方法进行计算,研究了壁板系统的复杂响应。应用最大李亚普诺夫指数和庞加莱截面方法对系统的运动性质进行了判定。结果表明,系统随着参数的变化呈现出复杂的响应,系统的周期运动与混沌运动会相间出现;系统由周期运动进...     

Duffing系统在双参数平面上的动力学特性分析

将单参数最大Lyapunov指数的计算推广到双参数平面上,数值计算Duffing系统在双参数平面上的最大Lyapunov指数,得到系统在参数平面上周期运动、混沌运动、各种分岔曲线的参数区域;结合系统单参数分岔图、相图、庞加莱截面图讨论了系统在参数平面上的分岔混沌过程以及阻尼系数对系统双参数特性的影响。结果表明:在双参数平面上系统出现了周期跳跃、周期倍化分岔、叉式分岔等复杂的分岔曲线,而且这些分岔曲线随阻尼系数的增加不断发生着复杂变化;得到系统在以往单参数分岔过程中很少出现的分岔曲线相交、嵌套、演变等特殊现象;阻尼系数对系统双参数耦合动力学特性有重要的影响。本文对工程中其它多参数系统的参数耦合特性的研究具有一定的参考价值。     

一类分段光滑隔振系统的非线性动力学设计方法

分段光滑隔振系统是一类具备分段刚度或阻尼的非线性动力学系统,在振动控制领域中具有广泛代表性,诸如限位隔振系统、分级汽车悬挂等.分段光滑的刚度或阻尼特性能够实现隔振系统的特定动力学性能及提升隔振性能,如抑制共振响应、提升共振区隔振性能等,但是亦会给隔振系统的动力学行为带来诸多不利影响.以分段双线性分段光滑隔振系统为理论模型,系统研究了摒除不利于隔振的非线性动力学现象设计方法,包括幅值跳跃、周期运动的倍周期分岔等.首先,利用平均法与奇异性理论给出了主共振频响曲线拓扑特征的完整拼图.研究结果表明,参数空间分为4个区域,其中2个区域存在幅值跳跃,而其产生跳跃原因分别由鞍结分岔与擦边分岔所导致;基于此提出避免主共振跳跃的设计方法.其次,建立了隔振有效区内周期运动的庞加莱映射,通过特征值分析给出了避免倍周期分岔发生的条件,证实增大阻尼可以抑制倍周期分岔的发生.最后通过数值仿真分析了噪声对多稳态运动的影响.研究结果发现在噪声影响下,分段光滑隔振系统的响应会在不同稳态间跃迁,非常不利于隔振.因此,在完成跳跃与倍周期分岔的防治设计后,应采用数值仿真校验系统是否存在多稳态运动.     

激波主导流动下壁板的热气动弹性稳定性理论分析

针对激波主导流动下弹性壁板的热气动弹性稳定性分析问题,建立了基于当地活塞流理论的分析模型,并用数值仿真方法来验证其正确性. 首先基于Hamilton原理和Von-Karman大变形理论,建立壁板的热气动弹性运动方程,其中假设壁板受热后温度均匀分布,激波前后区域的气动力模型采用当地一阶活塞流理论;利用Galerkin方法将具有连续参数系统的偏微分颤振方程离散为有限个自由度的常微分方程;基于李雅普诺夫间接法将非线性颤振方程组在平衡位置处进行线化,再用Routh-Hurwits判据来判断线性系统的稳定性,从而来推论出非线性颤振系统的气动弹性稳定性. 在时域中采用龙格--库塔法对非线性颤振方程进行数值积分,得到壁板非线性颤振响应的时间历程,与理论分析结果进行对比. 研究结果表明,壁板受到斜激波冲击时,更容易发生颤振失稳,并且激波强度越大,极限环幅值和频率越大;激波主导流场中的壁板失稳边界不同于传统单纯超声速气流中壁板颤振的失稳边界;只有在斜激波前后不同的动压值都满足颤振稳定性边界的条件下,壁板才可能保持其气动弹性稳定性.      

计及短周期误差的直齿轮副近周期运动及其辨识

齿轮副中的齿距偏差等短周期误差使系统出现复杂的周期运动, 影响齿轮传动的平稳性. 将该类复杂周期运动定义为近周期运动, 采用多时间尺度Poincaré映射截面对其进行辨识. 为研究齿轮副的近周期运动, 引入含齿距偏差的直齿轮副非线性动力学模型, 并计入齿侧间隙与时变重合度等参数. 采用变步长4阶Runge-Kutta法数值求解动力学方程, 由所提出的辨识方法分析不同参数影响下系统的近周期运动. 根据改进胞映射法计算系统的吸引域, 结合多初值分岔图、吸引域图与分岔树状图等研究了系统随扭矩与啮合频率变化的多稳态近周期运动. 研究结果表明, 齿轮副中的短周期误差导致系统的周期运动变复杂, 在微观时间尺度内, 系统的Poincaré映射点数呈现为点簇形式, 系统的点簇数与实际运动周期数为宏观时间尺度的Poincaré映射点数. 短周期误差导致系统在微观时间尺度内的吸引子数量增多, 使系统运动转迁过程变复杂. 合理的参数范围及初值范围可提高齿轮传动的平稳性. 该辨识与分析方法可为非线性系统中的近周期运动研究奠定理论基础.      

动摩擦作用下非光滑振动系统的黏滑颤振分析

研究了一类含Dankowicz动摩擦的非光滑振动系统的动力学行为。建立了含Dankowicz动摩擦和弹性接触的非光滑振动系统的力学模型,分析了系统的运动过程。利用数值仿真方法探讨了系统运动在滑移-黏滞-碰撞接触-颤振之间转换的动力学行为。结果表明,在一定系统参数下,系统存在多种黏滑和颤振之间转换的运动形式,如周期滑移-黏滞-碰撞、周期滑移-黏滞-颤振-碰撞等。     

含对称间隙的摩擦振子非线性动力学分析

建立了两自由度含对称间隙的干摩擦碰撞振动系统的动力学模型,分析了系统运动中存在的滑动、黏着及碰撞,分别给出其判断方法和衔接准则,推导出各阶段系统的解析解,并采用数值迭代方法求解和分析了系统的复杂动力学行为,同时分析干摩擦对系统动力学性能的影响.结果表明,系统存在叉式分叉,系统由对称周期运动变为反对称周期运动,进而通过Hopf分叉或周期倍化分叉通向混沌.在参数变化范围较大的情况下,系统存在类型丰富的周期运动、拟周期运动以及混沌;系统存在对称运动、反对称运动对、黏滑碰撞运动以及由初始条件决定的共存吸引子.     

激波主导流动下壁板的热气动弹性稳定性理论分析

针对激波主导流动下弹性壁板的热气动弹性稳定性分析问题,建立了基于当地活塞流理论的分析模型,并用数值仿真方法来验证其正确性.首先基于Hamilton原理和Von-Karman大变形理论,建立壁板的热气动弹性运动方程,其中假设壁板受热后温度均匀分布,激波前后区域的气动力模型采用当地一阶活塞流理论;利用Galerkin方法将具有连续参数系统的偏微分颤振方程离散为有限个自由度的常微分方程;基于李雅普诺夫间接法将非线性颤振方程组在平衡位置处进行线化,再用Routh-Hurwits判据来判断线性系统的稳定性,从而来推论出非线性颤振系统的气动弹性稳定性.在时域中采用龙格-库塔法对非线性颤振方程进行数值积分,得到壁板非线性颤振响应的时间历程,与理论分析结果进行对比.研究结果表明,壁板受到斜激波冲击时,更容易发生颤振失稳,并且激波强度越大,极限环幅值和频率越大;激波主导流场中的壁板失稳边界不同于传统单纯超声速气流中壁板颤振的失稳边界;只有在斜激波前后不同的动压值都满足颤振稳定性边界的条件下,壁板才可能保持其气动弹性稳定性.     

黏弹性传动带1:3内共振时的周期和混沌运动

研究了参数激励作用下黏弹性传动带在1:3内共振时的周期解分岔和混沌动力学. 同时考虑传动带的线性外阻尼因素和材料内阻尼因素. 首先建立了具有线性外阻尼情况下的黏弹性传动带平面运动时的非线性动力学方程, 黏弹性材料的本构关系用Kelvin模型描述. 然后考虑黏弹性传动带的横向振动问题, 利用多尺度法和Galerkin离散法得到黏弹性传动带系统在1:3内共振时的平均方程. 最后利用数值模拟方法研究了黏弹性传动带系统的周期振动和混沌动力学, 得到了系统在不同参数下的混沌运动. 数值模拟结果说明黏弹性传动带系统存在周期分岔, 概周期运动及混沌运动.     

一类非线性耦合振子的模态分析

本文研究了一非线性耦合振子系统的相似和非相似模态，用模态的方法分析和讨论此系统单振子振动和两振子的同步或反步周期运动，并且给出数值结果，以考察非线性模态的有效性。     

高速列车空气动力学研究技术综述

随着我国高速铁路的快速发展,高速列车运行速度越来越快,包括气动阻力、横风效应、会车效应、隧道效应和气动噪声等一系列空气动力学问题日益突出. 利用模型试验、实车测量和数值计算等不同的研究手段,开展全面的高速列车空气动力学研究显得十分重要. 本文比较全面和系统地介绍了国内外高速列车空气动力学研究在模型试验、实车测量、数值计算等方面的技术现状和进展情况,对今后的发展方向和内容进行了展望.     

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 thermal environment around transonic tube train in choked/unchoked flow

The aerodynamic thermal environment in an evacuated tube transport (ETT) system is an important factor in ensuring the operational safety of tube trains, where choking can further worsen air flow and aerodynamic heating. A compressible flow solver based on total variation diminishing (TVD) schemes was used to calculate the transonic aerodynamic behaviour of a capsule train in a confined space under low pressure conditions, and the flow fields and aerodynamic heating effect on the train were obtained. The results showed that the flow state around the train could be classified into choked and unchoked flow according to the blockage ratio (BR) and train speed based on the Kantrowitz limit. The wall viscosity caused a difference in the boundary-layer flow and potential flow in the annular space between the train and the tube with an increase in the BR. The choked flow was driven forward by the train, passing through its throat at the speed of sound. Owing to the complicated compressible flow in the tube, the thermal environment around the train gave rise to extreme temperature changes on its surface. In transonic choked flow, the temperature rise of the train head reached a maximum of 525 K, whereas local cooling could occur in the afterbody, causing the surface temperature to fall below the ambient temperature under certain conditions. The findings can be used to guide the design of ETT systems.     

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.     

侧风风场特征对高速列车交会的影响研究

为了准确预测侧风环境下列车交会时的气动性能,考虑均匀风和大气底层速度边界型侧风,通过计算流体力学方法对比研究高速列车交会压力波特性和气动力特性. 结果表明,两种风场下交会压力波有所不同,但幅值差异不明显;采用均匀风场评估列车侧风环境下交会会高估列车所受气动力. 本文对高速列车行驶安全性评估和复杂运行场景的复杂流场的认识具有参考价值.     

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.      

Numerical study of flow characteristics of the high speed train entering into a tunnel

When a high speed train enters into a tunnel, the aerodynamic forces severely change and, consequently, the stability and performance significantly deviate from the value of design point which is usually set at cruising speed on the plain ground. The compression wave is also generated ahead of the train due to the piston-like action of tunnel entry motion. The present work is to understand the flow field such as variation of aerodynamic forces and generation of compression wave during tunnel entry motion by applying three-dimensional unsteady Navier–Stokes equation solver. To account for the relative motion of stationary tunnel and moving train, the sliding multi-block method has been implemented.     

DYNAMIC RESPONSE OF HIGH SPEED TRAIN MEETING IN OPEN AIR,MEETING IN TUNNEL AND PASSING TUNNEL1)

明线会车、隧道会车和过隧道工况下的气动压力波对高速列车的动力响应和运行安全产生很大影响,本文建立了三辆编组的高速列车动力学模型,通过数值仿真得到了列车在三种工况下的车体所受的气动力,基于数值积分分析了列车的动力响应和脱轨系数。研究发现：明线会车和隧道会车工况相比,车辆的侧向运动相反。 明线会车和过隧道时,气动载荷对列车的脱轨系数影响较小,而隧道会车时,气动载荷作用对尾车的安全性影响较大。     

Numerical study on wake characteristics of high-speed trains

Intensive turbulence exists in the wakes of high speed trains, and the aerodynamic performance of the trailing car could deteriorate rapidly due to complicated features of the vortices in the wake zone. As a result, the safety and amenity of high speed trains would face a great challenge. This paper considers mainly the mechanism of vortex formation and evolution in the train flow field. A real CRH2 model is studied, with a leading car, a middle car and a trailing car included. Different running speeds and cross wind conditions are considered, and the approaches of un- steady Reynold-averaged Navier-Stokes （URANS） and de- tached eddy simulation （DES） are utilized, respectively. Re- suits reveal that DES has better capability of capturing small eddies compared to URANS. However, for large eddies, the effects of two approaches are almost the same. In conditions without cross winds, two large vortex streets stretch from the train nose and interact strongly with each other in the wake zone. With the reinforcement of the ground, a complicated wake vortex system generates and becomes strengthened as the running speed increases. However, the locations of flow separations on the train surface and the separation mechanism keep unchanged. In conditions with cross winds, three large vortices develop along the leeward side of the train, among which the weakest one has no obvious influence on the wake flow while the other two stretch to the tail of the train and combine with the helical vortices in the train wake. Thus, optimization of the aerodynamic performance of the trailing car should be aiming at reducing the intensity of the wake vortex system.     

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.