某SUV气动减阻优化及其流场机制

为了提高整车燃油经济性,本文以某款SUV车型为研究对象,将仿真与试验相结合改善汽车行驶过程中的气动阻力系数。首先通过风洞试验确定对整车气动阻力有重要影响的区域或部件,其次对气动阻力系数贡献值较大的部件或区域进行减阻优化。结果表明,前轮阻风板、尾灯和尾翼对整车气动阻力系数贡献值较大。对前轮阻风板的改型,有效降低正压区面积以及减弱车轮干扰阻力;对尾灯和尾翼的优化设计,改善了尾部负压区,缩短了分离流在后窗上部的再附着的距离。基于本征正交分解方法进行局部流场信息的提取和分析可知,1阶与2阶模态主要构成了该SUV尾流场的关键流态。经试验与仿真验证,相比于初始方案,气动优化组合设计减阻率可达7.5%。本文为新一代SUV改型与升级换代提供了理论基础与技术支持。

均匀流场下平单轴光伏支架扭转气动失稳特征试验研究

由于发电量明显高于固定式光伏系统,平单轴光伏发电系统近些年得到了广泛的应用。平单轴光伏支架由于扭转刚度较低,在大风天气下容易出现扭转气动失稳现象,从而造成支架结构破坏。为了进一步深入了解该振动的发生条件和机理,本研究通过节段模型测振风洞试验研究结构自振频率、倾角、阻尼等参数对扭转气动失稳的影响,分析了气动阻尼和气动刚度随着风速和倾角的变化规律。研究表明,平单轴光伏支架的扭转气动失稳表现出较强的气动耦合效应,气动阻尼和气动刚度是影响平单轴光伏支架气动失稳的重要参数,对风速和倾角的变化较为敏感,该失稳现象具备自激振动的特点;扭转刚度的提高在某些倾角下可以有效地限制振幅,同时可提高结构在各倾角的临界风速;扭转气动失稳的倾角范围为-15°~20°,0°倾角附近临界风速较高,若采用小倾角进行保护时,建议将大风保护角度设为0°。

智能气动阀门定位系统动态特性研究

针对智能气动阀门定位系统数字孪生体的实现,提出一种可精确模拟气动继动器和执行器气室动作机理及气体动态特性的数学模型。在无需气体质量流量计的情况下,通过理论推导及实验在气动继动器动力学模型和等效质量流量模型中可变直径的节流孔板直径之间建立函数关系,对执行器气室多变过程建模,实现定位系统数字孪生体。数字孪生体实际运行测试以及模型仿真和实验对比验证了系统的可靠性。

“气动声学”专刊简介

气动声学是空气动力学与声学的交叉学科,主要研究流体介质运动产生噪声的过程及其控制方法,是航空航天飞行器、地面交通装备和舰艇等设计的关键学科。物体运动会带动周围空气运动,形成复杂的流场结构,产生气动噪声。随着物体运动速度提高,气动噪声会急剧增大,严重污染环境。世界卫生组织发布报告称,噪声污染已成为影响人们身体健康和生活质量的严重问题,与大气污染和水污染并列为三大污染。

中低速磁浮列车双线隧道交会时的气动特性研究

为探明速度140 km/h的中低速磁浮列车在双线隧道内交会时隧道壁面和车体表面压力变化情况,文章采用数值计算方法研究了车/隧不同参数对隧道壁面和车体表面气动性能的影响,并对比了不同编组长度的列车和不同隧道净空面积对列车车内压力的影响。研究结果表明,4车编组的磁浮列车在双线隧道中部交会时,隧道壁面测点的压力变化峰峰值与隧道净空面积的1.379次方成反比,车体表面压力测点的变化峰峰值与隧道净空面积的1.231次方成反比。当隧道净空面积为66.2m^(2)时,在气密性指数为0.5s条件下,8车编组列车在隧道内交会引起车内测点的3s压力变化值相较于4车编组列车增加102.2%,而在气密性指数为8s条件下该比例降低至50.4%。文章的研究结果可为中低速磁浮隧道工程建设提供参考依据。

改变车身造型的气动阻力与分轴升力多目标优化

针对汽车分轴升力与阻力无法综合改善的问题,提出一种造型优化方案。以某SUV为研究对象,建立SUV流场仿真模型并分析外流场气动特性,确定车身需要优化的部位,通过风洞试验验证流场仿真结果的准确性。采用均匀拉丁超立方对造型取样并进行外流场数值仿真计算,通过克里金法建立造型参数与气动系数的对应关系,使用遗传算法生成Pareto前沿解。最终提出3种优化方案综合改善阻力系数和前后轴升力系数,分别使前轴升力系数达到最负值,阻力系数降低2.7%。

变体飞行器的气动与多学科设计需求

变体飞行器可以通过局部或整体变形来改变飞行器的外部形状,实时适应多种任务需求,在多种飞行环境下保持气动性能最优,已经成为21世纪航空航天领域的前沿研究热点。本文首先梳理了变体飞行器的气动与总体设计、结构、控制、噪声、隐身之间的联系,然后针对变体飞行器气动设计面临的任务需求,阐述了增升减阻、稳定性和操纵性、降低气动噪声以及增强飞行器隐身性等气动与多学科设计对不同变形方式的需求,最后对变体飞行器关键技术和未来发展方向进行了展望,为变体飞行器气动与多学科设计的发展提供参考。

赛车空气动力学套件全局优化策略研究

大学生方程式赛车空气动力学套件的优化对于赛车的燃油经济性和操纵稳定性有着重要的影响。从全局角度出发,选取前翼、后翼、侧翼各翼片攻角共10个设计变量,横向对比了不同的试验设计方法、近似模型搭建方法以及多目标优化方法,之后通过圈速仿真进行验证,选择出最适合翼型攻角优化问题的优化策略,并以此策略对整车进行优化。对比优化前后整车气动性能,最终赛车的气动负升力增加19%,阻力增加2.03%,较好地改善了赛车的空气动力学性能。结果表明,此种优化策略可以为赛车翼片攻角的选定提供一定的指导。

面向变形飞行器的时变气动参数在线辨识方法

针对变形飞行器快时变气动参数的在线高精度获取问题,本文提出一种基于BP神经网络模型的气动参数在线辨识方法。基于变形飞行器气动模型的非线性输入/输出映射关系,建立能够在一定精度范围内逼近变形飞行器气动模型的BP神经网络模型。根据在线实测动力学参数观测数据,采用扩展卡尔曼滤波方法在线训练神经网络,实时校正并获取神经网络模型参数,基于神经网络模型快速计算并预测气动参数,从而跟踪快时变、非线性气动模型的变化。通过对变形飞行器连续变形/构型突变的气动参数辨识进行数学仿真验证。结果表明:提出的方法收敛速度快、在线辨识精度较高,可以实现对变形飞行器气动参数的有效辨识。

强风干扰下固定翼无人机“元飞行”气动建模研究

强风干扰下的复杂空气动力学给固定翼无人机的安全稳定飞行带来了严峻挑战。为提高强风干扰下固定翼无人机的环境适应能力,发展了一种创新的“元飞行”气动建模方法。不同于传统气流系下的气动建模,“元飞行”气动建模是一种元方法论建模技术,其采用易于测量的飞行器相对于地面坐标系的运动变量进行描述,通过隔离实际飞行中难以观测到的风干扰影响,基于高阶泰勒展开多元函数变量分解理论,构建仅与无人机自身特性相关、不同风况条件下通用的固定翼无人机空气动力共性基函数解析模型,结合在线辨识的风干扰系数函数,进而实现对飞行器飞行过程中气动力(矩)的预测。研究表明文章发展的“元飞行”气动模型可以良好地预测未知风况下固定翼无人机的气动力(矩),为实时空气动力学建模的实现奠定了良好基础。

气动换挡系统故障诊断及控制技术发展综述

气动换挡系统用于减轻汽车驾驶员的换挡力、提高车辆换挡平顺度,是提升汽车安全性的重要环节。现有气动换挡系统存在气动故障多发、人机耦合性差和换挡控制精度低等问题,在汽车换挡过程中易发生由人机对抗引起的换挡卡滞与错位,导致换挡失效,甚至引发严重的行车事故。通过分析国内外在气动换挡系统故障诊断与气动换挡控制系统等方面的研究现状,指出目前我国在气动换挡系统的故障诊断能力与气动换挡系统依从性与柔性控制方面现存问题和未来发展趋势,为我国高效气动换挡控制系统与故障实时诊断技术的发展提供参考。

飞行器气动稳健优化设计方法研究进展

随着对现代飞行器性能需求的不断提高,面向工程应用的先进气动外形设计方法要求能兼顾多学科高性能和稳健性,以突破传统设计方法设计的外形稳健性差、难以实现工程应用的难题。针对这一问题,飞行器气动稳健优化设计方法脱颖而出并取得了快速发展,多种高效实用的不确定量化和稳健优化方法被相继提出,成为了满足工程型号气动外形设计要求最有力的手段之一。本文以建立工程实用的高效气动稳健优化设计方法为需求,综述了飞行器气动稳健优化设计相关理论和方法的最新研究进展。首先,系统介绍了飞行器气动稳健优化设计方法的研究现状和最新进展,对不确定建模、不确定量化和稳健优化等关键技术的发展现状进行了详细介绍和讨论;然后,结合当前最受关注的工程应用问题,陈述和讨论了气动稳健优化设计方法在跨声速翼型/机翼、自然层流外形、叶栅/旋翼外形3类典型复杂气动设计问题中的应用效果和进展,同时结合多学科分析与优化设计需要,调研了气动/隐身/声爆/结构多学科稳健优化设计在工程设计问题中的最新进展和发展方向;最后,结合文献综述,讨论了飞行器气动稳健优化设计理论和方法在发展和应用上面临的难题和挑战,并展望了未来研究方向。

基于气动力修正模型的水面飞行器气动特性研究

【目的】在水池试验中常采用实机的缩比模型来进行水面飞行器的气动性能研究,通过对水池试验中缩比模型由于雷诺数不相似而导致试验数据中气动升力系数偏小的问题进行研究,以达到准确模拟水面飞行器近水面飞行时的实际气动状态。【方法】针对某大型水陆两栖飞机模型,在不改变机翼和平尾的面积及机翼的平均气动弦长的前提下,增加机翼的襟翼和平尾的升降舵面积,通过仿真和试验对修正前、后的模型进行研究。【结果】仿真结果显示:修正前、后的模型在不同速度和俯仰角的条件下,气动升力系数的差异在15%左右;试验结果显示:修正后模型的升力系数在不同速度、俯仰角、升降舵舵偏的条件下与实机的风洞数据升力系数变化趋势相同,最大误差在8%,最小误差小于1%。【结论】仿真结果表明,修正后的缩比模型可以有效提升模型的气动升力;试验结果表明,修正后的缩比模型可以较为准确地反映实机的气动力性能,为优化水面飞行器的结构布局,研究水面飞行器的气动特性奠定了基础。

一种在线监测气动执行机构运行状态的设备和诊断方法

随着智慧电厂及火电企业的发展,发电厂设备的智能化要求也越来越高。气动执行机构作为发电厂的关键设备之一,其运行状态的智能化监测和诊断显得尤为重要。文章介绍了一种在线监测气动执行机构运行状态的设备和诊断方法,为实现设备智能化管理提供了有力支持,同时减少了火力发电厂设备运行维护的人员成本,为我国传统火电行业转型智慧化电厂提供了坚实的基础。

基于贝叶斯优化支持向量回归的流线型箱梁颤振气动外形优化方法

为解决风洞试验耗时费力和计算流体动力学(CFD)计算量大的问题,提出了一套新型流线型箱梁断面颤振性能气动外形优化方法.以风嘴参数为设计变量,利用CFD获取断面三分力系数,以准定常理论估算的颤振临界风速为优化目标.根据贝叶斯优化支持向量回归构建代理模型,利用混合加点法更新模型,通过寻优算法确定最优断面.以虎门大桥为例,得到桥梁在可行域内颤振性能最佳的断面方案.结果表明,风嘴升高,颤振临界风速先增后减,相对高度为0.6时整体性能较优,相对高度为0.7时可获得最优断面.底板宽增加,颤振性能显著降低,下斜腹板倾角为14°~16°时颤振性能最优.断面优化后桥梁颤振临界风速相比原始断面提升约31%.

直升机双层平尾构型气动特性分析

为分析双层平尾气动特性,采用CFD方法建立了直升机平尾计算模型,获得了低速前飞和机身大迎角状态不同构型平尾的气动特性,分析了单层和双层平尾构型的气动特性和流场特点,研究了双层平尾对低速前飞状态和大迎角状态的纵向静稳定性改善作用机理。结果表明:双层平尾构型通过抑制旋翼/平尾干扰改善低速前飞状态下的直升机俯仰力矩突增问题,前进比为0.05时,双层平尾俯仰力矩比单层平尾减小56.8%;双层平尾的失速迎角和最大俯仰力矩增大,从而增强直升机大迎角状态的纵向静稳定性,迎角20°时,双层平尾俯仰力矩比单层平尾增大60.1%。

基于CFD与风洞试验的边主梁涡振气动措施

为能够快捷且经济地完成开口类钝体桥梁断面涡振制振气动措施的选型,以一座边主梁叠合梁斜拉桥为背景,采用“CFD(computation fluid dynamics)数值模拟选型+风洞试验验证”的思路对其涡振制振气动措施选型进行研究.该桥原设计主梁断面在常遇风速下存在显著涡激振动,为完成气动措施的初步选型,采用CFD数值计算对原设计断面的流场进行模拟,通过研究原设计断面的旋涡脱落状态确定主要旋涡抑制对象,进而有针对性地模拟了3种气动措施(下中央稳定板、导流板与风嘴)对主要脱落旋涡的抑制作用,通过将各断面旋涡脱落状态与三分力系数进行对比分析,得到各断面涡振性能的相对优劣关系,并最终选取风嘴与下中央稳定板结合而成的组合气动措施进行风洞验证试验.试验结果表明:该组合气动措施能够有效抑制梁体在各风攻角下的涡激振动,且在+5°风攻角下,通过风洞试验得到的导流板、下中央稳定板、风嘴组合气动3种措施对原设计断面涡振振幅的减小作用依此递增,分别为2.7%、27.7%与87.4%,制振能力高低关系与数值模拟结果相一致;本次数值模拟结果符合预期要求,未来可针对不同类型桥梁断面进一步扩展数值模拟与风洞试验结果对比的数据集,以期更为准确、快捷地完成气动措施的选型.

双幅钢箱梁竖弯涡振气动力演变特性

双幅钢箱梁桥是工程实践中一种常用的大跨度连续梁桥型式,但并列双箱复杂的旋涡脱落和交互作用可能引发显著的涡激振动现象,影响结构的疲劳性能和行车舒适性。本文以某六边形双幅钢箱连续梁桥为工程背景,对大比例节段模型开展了测振、测压风洞试验,对比了双幅钢箱梁在不同间距下竖弯涡振全过程(涡振前、上升区、振幅极值点、下降区及涡振结束)的分布气动力演变特点,提出了有效控制双幅钢箱梁桥涡振的气动措施。研究表明,双幅钢箱梁桥涡振锁定区间长、振幅大,+3°为最不利攻角,涡激力的倍频效应与间距和双幅箱梁涡振的振幅均有关。在小间距及低风速时,上、下游梁背风侧的分布气动力对涡激振动起到增强作用;在大间距或较小间距且高风速时,开槽附近上表面和下游梁斜腹板位置的分布气动力对涡激力起主要增强作用,也是双幅钢箱梁产生大幅涡激振动的诱因。提出了槽间裙板与两端风嘴组合的综合气动控制措施,通过切断槽间涡的传播途径从而降低桥面处分布气动力对涡激力的贡献,该措施可有效减弱双幅钢箱梁桥的竖弯涡振。

倾转旋翼机悬停状态气动干扰分析

针对倾转旋翼机,开展了悬停状态气动干扰风洞试验和数值模拟研究。试验中,测量了悬停状态下的旋翼升力、扭矩以及半模机翼的气动力。同时,采用运动嵌套网格方法,通过求解N-S方程对机翼倾角0°和90°两种状态进行数值模拟,开展了数值模拟与风洞试验的相关性分析研究,验证了该数值模拟方法的有效性。结果表明:不考虑机身气动力时,孤立旋翼、机翼攻角0°和机翼攻角90°三种状态下旋翼气动特性差异不明显;考虑机身气动力时,机翼攻角0°时,机身产生约18.2%向下载荷,单片桨叶和机身出现强烈非定常气动特性,其中桨叶升力系数动态值与平均值比为9.8%,机身升力系数动态值与平均值比为18.38%。

涡流发生器安装角度对高速列车尾车气动特性影响研究

更高速度运行给高速列车尾车的平稳性和安全性带来了更大挑战,亟待开展尾车气动减阻降升技术研究。通过抑制高速列车尾涡结构的发展,探究涡流发生器控制下高速列车尾部流场结构的变化和其气动性能的改变。采用数值仿真方法研究3种不同角度涡流发生器对高速列车尾部流场的影响,分析涡流发生器作用下高速列车尾部表面压力分布以及周围流场速度变化规律,确定列车明线运行尾涡控制的涡流发生器安装角度。研究结果表明:涡流发生器提升了高速列车尾车流线型头部区域表面压力,并对列车尾流区域流场产生了显著影响,减小了列车的压差阻力和气动升力。尾车鼻尖点附近低速区域远离鼻尖点,并向更远处发展。随着安装角度增加,涡流发生器生成的漩涡结构对高速列车尾涡的作用更加明显,尾车表面压力提升的面积也逐渐扩大。3种不同角度的涡流发生器对高速列车的尾涡均有抑制作用:安装角为75°时,尾车气动减阻3.94%、升力减少22.69%;安装角为60°时,尾车气动减阻2.78%,升力减少20.82%;安装角为45°时,尾车气动减阻1.47%,升力减少14.46%。提出的涡流发生器抑控方法可有效减弱高速列车尾涡强度,改善尾车流线型区域压力分布,继而改善尾车气动性能。研究成果可为更高速列车的尾迹流动研究提供参考。