4种车型横向气动性能分析与比较

根据二维定常不可压缩Navier-Stokes方程和k-ε双方程紊流模型，采用有限体积法对客车、敞车、棚车和罐车4种不同外形铁路车辆在路堤高度、横风风速相同条件下的横向气动性能进行分析与比较。研究结果表明：对于车顶外形为圆弧形的车型，空气流过圆弧形车顶时流速增加，压力下降，故其升力较大；对于车顶外形为钝形的车型，车体迎风面正压区域较大，而背风侧产生较大的漩涡区，在此区域内压力较小，故其侧向力较大；在横风作用下，客车、敞车、棚车和罐车4种车型中，罐车的侧滚力矩最小，稳定性最强，敞车和客车次之，棚车的侧滚力矩最大，其稳定性最弱；在进行强横风地段挡风墙优化设计时，可将棚车作为设防车型，以保证所有列车在强横风地段运行安全。     

不同风挡方案对强横风下货运高速列车气动性能的影响

采用三维数值方法,模拟强横风下货运高速列车周围流场,探索4种风挡方案对货运高速列车气动性能的影响.研究结果表明:风挡局部变化对整列货运列车周围流速、压力以及车体表面压力影响主要体现在风挡区域;全包围风挡区域流速、压力及表面压力分布较均匀,并能在横风下使得整列车具有更小的气动阻力以及侧向力;顶端开口、以及上下两端开口后,...     

翼型摆角对气动性能的影响分析

基于NREL S809翼型,研究尾翼摆角对于翼型气动性能的影响.通过对比升阻力系数的模拟值与实验值,排除了网格质量对翼型气动性能的影响,验证了利用S-A(Spalart-Allmaras)湍流模型对风力机翼型进行计算的有效性,确定了合理的模拟方案,分析了翼型的气动性能.在此基础上,将S809翼型进行了尾缘变形,生成S809上摆-5°、下摆5°、10°及15°这4种变形翼型.再利用CFD(computational fluid dynamics)软件对它们进行数值计算,分析了各个翼型升阻力系数及流场特性.研究表明,随着尾缘下摆角度的增加,变形翼型上下表面压差逐渐增大,下摆翼型在升阻力特性方面有较大改善.但随着翼型下摆角度的增大,翼型产生分离涡的攻角却随之减小,更易失速.而上摆翼型升阻力特性及失速特性均不如原始翼型.     

路堤高度影响列车侧风运行气动特性模拟

列车常在路堤上运行,特别是在侧风环境下列车的空气动力特性问题变得十分重要。本文采用计算流体力学方法对路堤高度变化影响列车侧风运行气动特性进行研究。数值模拟结果表明:由于气流随路堤斜坡的加速效应,头车上受到的侧向力和侧翻力矩随着路堤高度增加显著增加。作用在中间车上的阻力对路堤高度变化不敏感,但随着路堤高度增加中间车上的负升力明显增加。对于尾车,其阻力系数随着路堤高度增加而逐渐增加,且因为处于剧烈的尾涡区而受到逆侧风方向的侧翻力矩作用。     

类车体气动性能的大涡模拟

以MIRA车体气动性能的风洞试验数据为基础,对采用大涡模拟方法解算非定常特征显著且具有大分离流动结构的近地钝体外部绕流场所涉及的迭代步数、时间步长、网格方案等影响因素开展研究.采用对比分析方法对3种亚格子湍流模型的计算准确性进行研究.提出适用于三厢车型的大涡模拟数值仿真策略.     

双层集装箱车辆和棚车气动性能的比较

基于三维定常不可压Reynolds时均Navier-Stokes方程和k-ε双方程模型,采用有限体积法对横风、路堤、挡风墙等环境耦合下运行的双层集装箱车辆和棚车的气动性能进行数值分析.研究结果表明:双层集装箱车辆周围流场较棚车复杂,前者横向力与侧滚力矩均比后者的大;无挡风墙时,双层集装箱车辆和棚车的气动力与路堤高度均呈线性关系,前者横向力及侧滚力矩与路堤高度的线性比例系数均比后者的大,分别为5.37和-11.09,对棚车则分别为3.53和-10.46;有挡风墙时,两车的气动力差值随路堤高度增加而减小,路堤高度0 m时其差值最大,前者横向力较后者大57.12 kN,侧滚力矩则大177.11 kN·m;设置挡风墙后,车辆横向力和侧滚力矩大大减小,路堤高度越高,减小幅度越明显,表明挡风墙对提高大风区尤其是高路堤区段的车辆气动性能效果显著.     

蜂窝叶顶密封对透平级气动性能的影响研究

采用数值计算方法研究了蜂窝叶顶密封的几何尺寸对汽轮机高压缸两级内气动性能的影响,分析了蜂窝密封的几何参数,包括密封间隙、蜂窝孔深、蜂窝孔径对透平级气动性能的影响规律。研究结果表明:随着蜂窝密封间隙的增大,动叶下游静叶内二次流损失增加,透平级内总总等熵效率下降,密封内泄漏量近似线性增加;随着蜂窝孔深的增大,总总等熵效率先增大后基本趋于定值,泄漏量则随孔深的增大先减小然后趋于定值;蜂窝孔径对透平级气动性能的影响主要取决于孔内和密封出口的泄漏流场结构,随着蜂窝孔径的增大,总总等熵效率逐渐增大,泄漏量逐渐减小;蜂窝密封间隙的变化对主流流场的影响显著,蜂窝孔径的变化对主流流场的影响次之,而蜂窝孔深对主流流场的影响较弱。     

离心叶片进出口几何形状对气动性能影响研究

为研究叶片进出口几何形状对离心叶轮内部流场及气动性能影响,以某离心叶轮为研究对象,对叶片进出口前、尾缘分别进行不同尺寸修圆处理,采用SST k-ω湍流模型与High Resolution数值方法进行周期性单流道数值模拟,研究了叶片不同尺寸进出口前、尾缘修圆产生的几何形状对离心叶轮内部流场分布和气动性能的影响。研究结果表明：叶片进口前缘平凸形修圆能够增加离心叶轮总压比和多变效率,减少气流在进口前缘局部流动分离损失;平凸形修圆尺寸越小,多变效率和总压比增加越明显,在设计工况点二者最大增加约1%;叶片尾缘压力面修圆能够增加离心叶轮的多变效率,但降低了离心叶轮的总压比,而尾缘吸力面修圆能达到同时增加离心叶轮多变效率和总压比的目的,使得设计工况下多变效率最大增加约1%,总压比最大增加约5%,且减少了气体流出叶轮时的尾迹损失。对叶片前缘小尺寸平凸形修圆和尾缘吸力面的大尺寸修圆,不仅能减少叶片进出口局部流动损失,而且能使设计工况点多变效率增加约1.5%,总压比增加约7%,从而提高离心叶轮的做功能力,为离心叶片设计优化和高效加工制造提供了参考。     

集装箱专用平车气动性能分析与比较

基于三维、不可压、定常N-S方程和κ-ε双方程湍流模型,采用有限体积法对3种不同设计方案在运行时速为160 km/h的集装箱专用平车(以下简称平车)在有、无横风情况下的气动性能进行分析与比较,其中:方案一的平车无端墙,侧梁侧面平直;方案二和三的平车均加有端墙,且侧梁加高、侧面形状分别为钝形和弧形.研究结果表明:在无横风情况下,方案一中没有端墙,迎风面积较小,受到的气动阻力最小,方案二和三中平车有端墙,迎风面积较大,受到的气动阻力也较大;有横风情况下,方案三中平车侧梁较高,车体迎风面正压区较大,而背风侧产生较大的涡流区,在此区域内压力较小,故其横向力较大,方案一中平车侧梁没有加高,受到的横向力最小;方案一中平车倾覆力矩最小,稳定性最好.因此,在有、无横风情况下,方案一中平车的气动性能均比其他2种设计方案的平车的优.     

弯道会车的瞬态气动特性

应用计算流体力学方法,采用重叠网格的策略,对两个简化SAE模型的弯道会车进行了数值模拟研究,获得了两车气动六分力的变化规律.在极短的会车过程中,侧向力、侧倾力矩和横摆力矩都发生了方向的变化,迅速达到各自的正负极值,处在内侧弯道车辆1的侧向力、侧倾力矩和横摆力矩的值略大于外侧弯道车辆2.升力和纵倾力矩也发生了数值和方向的改变,这些都会对车辆的行驶稳定性带来一定的影响,为进一步研究弯道会车的瞬态气动特性提供了理论参考.     

强侧风下客车在不同路况运行的气动性能比较

基于三维、非定常N-S方程,采用动网格技术对青藏线客运列车在强侧风作用下运行进行模拟,得到客车分别在桥梁、路堤、路堑及平地上运行所受到的气动力及力矩。将客车在路堤上运行的数值模拟结果与风洞实验进行对比。研究结果表明：侧向力、升力和倾覆力矩数值模拟结果与风洞实验结果均吻合较好;车速一定时,随着侧风速度的增大,列车在桥梁、路堤、平地上运行所受气动力和倾覆力矩均急剧增加,而在路堑上运行所受气动力及力矩增加缓慢;当侧风速度一定的情况下,客车在高桥上运行所受到的气动力及力矩最大,因此,强侧风下列车在高桥上运行较容易发生倾覆事故;在路堑上所受到的气动力相对最小。     

车窗对车辆侧向气动性能影响的数值模拟

采用基于Spalart-Allmaras方程的分离涡模拟(DES)数值模拟方法,就车窗外形对车辆侧向气动性能及流场结构的影响进行分析计算。研究结果表明:车窗对车辆侧向气动性能有较大的影响:和粘帖车窗车体相比,采用凹陷车窗的车辆侧向力系数由0.71变为1.20,升力系数由1.28变为1.74,倾覆力矩系数由-0.27变为-0.63;受凹陷车窗影响,车体顶部气流速度下降,背风区脱落涡被吸附到车窗附近,此处涡核线较多且杂乱;远处涡核较长,脱落涡直径较大;而粘帖车窗车体顶部气流流速较高,背风区脱落涡尺寸较大,且位于靠近车体的部位。数量较多,尺寸较小。     

风沙环境对NACA-0012翼型气动性能的影响

采用离散相模型对风沙环境下风力机传统对称翼型NACA-0012的气固两相流动进行数值模拟,结合k-ε湍流模型求解雷诺时均N-S方程,研究风沙环境下NACA-0012翼型的升、阻力系数随固相质量浓度和颗粒中值直径变化的规律.结果表明,同一中值直径时,固相质量浓度对翼型的升、阻力系数影响较小,随着固相质量浓度增大,翼型的升力系数先迅速增大了洁净空气时的8.2%左右,然后趋于稳定,当固相颗粒质量浓度大于1.02kg/m3后,升力系数再持续增大;阻力系数先略有减小,然后趋于稳定,当固相颗粒质量浓度大于1.02kg/m3后,阻力系数再持续增大.同一固相质量浓度时,沙尘的颗粒直径对风力机翼型的升、阻力系数影响较大,颗粒直径越小,对翼型的升、阻力系数的影响越大,随着颗粒中值直径的增大,翼型的升力系数先迅速减小再逐渐增大,最后趋于稳定;阻力系数先迅速增大再逐渐减小,然后略有增大,最后趋于稳定.     

单线路堤上挡风墙高度研究

采用数值模拟计算的方法,对单线路堤上不同高度单、双侧挡风墙对列车气动性能的影响进行研究。研究结果表明:安装挡风墙后,车辆的气动力系数远远小于无挡风墙时的气动力系数,车辆的迎风面受到的压力由大部分正压转变为大部分负压,车辆顶部受到的负压明显减小;挡风墙的不同高度对车辆的气动性能有明显影响,挡风墙高度较低时,横向力系数为正值,随挡风墙高度的增加而减小,达到一定高度后,由正值变为负值,而倾覆力矩系数则正好相反;对于单侧挡风墙,在挡风墙高度为1.85 m时,车体的倾覆力矩系数为0,其合理高度应为1.85 m;对于双侧挡风墙,当挡风墙高度为2.00 m时,倾覆力矩系数为0,因此,挡风墙合理高度为2.00 m。     

一种新型结构叶片对风力机气动性能的影响

针对风力机在旋转过程中产生的叶尖涡影响风力机本身以及下游风力机气动性能的问题,提出了一种控制叶尖涡的策略,以减小叶尖涡对风力机本身及下游风力机气动性能的影响.以PhaseⅥ叶片的1/8模型为原始模型,在叶尖处和轮毂处同时开洞,用管道将洞连接的模型称作新模型.采用数值模拟的方法对来流风速从6m/s到20 m/s的15个工...     

强横风下青藏线客车在不同高度桥梁上的气动性能分析

采用数值模拟方法,在模拟自然风和均匀风风速分别为30m/s的情况下,研究不同高度桥梁上列车受到的横向力和侧滚力矩,导出了桥梁上车辆的横向力系数和侧滚力矩系数的表达式。计算结果表明:桥高为30m时,采用模拟自然风计算得到的横向力和临界倾覆点处侧滚力矩比采用均匀风得到的计算结果分别大约58%和63%,且桥梁越高,计算结果差别越大;车体周围的流场与速度矢量分布方式相似,但采用模拟自然风时,车体的表面压力最大值和车体周围的速度最大值分别为1.14kPa和67.6m/s,远大于采用均匀风时的最大值0.82kPa和58.8m/s;车辆受到的横向力、侧滚力矩基本上与车辆形心处的风速的平方成正比;车辆的横向力系数和侧滚力矩系数均与桥梁的高度呈指数关系,当量横向力系数为0.974,当量车体重心处的侧滚力矩系数为0.082,当量临界倾覆点处侧滚力矩系数为0.592。     

兰州-新疆线强侧风作用下车辆的气动特性

对试验列车上、下行通过“猛进东”测风点时的车体表面压力分布情况进行分析,采用分块积分法得出试验列车上、下行通过“猛进东”测风点的气动力。利用流场计算软件FLUENT对列车在大风作用下通过“猛进东”时的情况进行数值模拟计算,并与实车试验结果进行对比分析。结果表明：车体迎风面及背风面表面压力分布规律基本一致,验证了数值模拟计算模型的准确性;车辆受到的气动力中除升力的实验值与模拟结果相差较大外,主要导致车辆倾覆的横向力和倾覆力矩的实验值与模拟结果相差较小,满足工程应用要求。     

叶表静压孔对平面叶栅性能的影响

为研究某压气机叶栅试验过程中静压孔导致栅后损失增大原因,通过试验校核CFD方法,研究了叶片表面静压孔对叶栅性能的影响,结果表明：叶片表面静压孔影响了近壁面流场形态,静压测量偏差达到2%,气流在静压孔内形成旋涡,随着旋涡强度增大,有旋气流的生成与脱落对流体产生扰动,使得叶片表面阻力增大,附面层增厚,栅后总压损失加大,φ1.0mm静压孔导致栅后总压损失平均值增大了30%,相比之下,静压孔对气流角的影响较小。     

一种低空急流对水平轴风力机气动性能的影响

以一台1.5 MW变桨变速型三叶片风力机为研究对象,探讨了三种入流条件下水平轴风力机气动性能的异同,着重研究了一种典型低空急流对水平轴风力机气动性能的影响.结果表明:低空急流下风轮的功率和推力比均匀流和剪切流的大;低空急流下叶片表面压力总体大于其他两种流动,急流衰减内的翼型截面在吸力面中段存在一个比剪切更加显著的压力突降区;叶片各截面的法向力系数和切向力系数整体大于其他两种流动;低空急流下各截面的攻角比剪切流的大0.05%~36.66%,叶片表面的失速区尤其是叶根附近的失速区相对其他两种流动更大,分离线向前缘靠近,急流衰减内的翼型截面分离涡现象更加明显;对不同特征低空急流下水平轴风力机气动性能影响的研究将在未来的工作中进行.     

工质物性对亚音速轴流压气机转子性能的影响

采用理论分析与数值验证相结合的方法,研究一氧化碳、空气、二氧化碳、氦气和氩气等工质的物性对于亚音速轴流压气机转子性能的影响.首先,通过理论分析明确了马赫数、雷诺数及比热比是影响压气机转子性能的物性因素;然后,建立亚音速压气机转子失速边界流量与工质物性之间的数学关系;最后,采用数值模拟方法对理论分析结果进行验证.结果 表...