强风沙环境下高速列车车体冲蚀特性研究

为研究高速列车在不同车速下受到强风沙的冲蚀效应,基于欧拉-拉格朗日体系,利用DPM模型将风和空气设为连续相,将沙子颗粒设为离散相,对不同车速、沙粒粒径和风速下的高速列车的冲蚀效应进行了数值模拟。结果表明:随着列车车速的增加,冲蚀率开始的增速较缓,后来急剧增加;随着颗粒直径的增加,冲蚀率开始时增长较快,后面增长较为平缓。随着风速的增加,列车的冲蚀率开始时增长较缓慢,同时随车速的增大,列车的冲蚀率也逐渐增大。为研究高速列车车体处实际的冲蚀效应,在忽略涂层的情况下,采用冲蚀磨损实验机与数值模拟结合的方法,研究颗粒形状与质量流量对冲蚀效应的影响。结果表明:当颗粒形状因子增加时,车体的侵蚀率下降,而决定车体的冲蚀磨损主要是微切削磨损,当质量流速增加时,磨损率先增加后下降。

小型风洞实验设计与布局方法的优化

考虑到小型风洞实验在航空航天、汽车制造等领域中的应用,结合理论及实际应用,指出小型风洞在设计和布局中存在的问题,包括设备尺寸及空间利用率、流场均匀性、桨叶设计及整流罩布局等,通过一系列的优化方法,如调整风洞尺寸、采用高效率风扇、改进导流片设计提高实验的准确性及效率,为风洞实验提供稳定准确的环境,促进风洞技术的发展。

基于有限元方法的采棉机集棉筒气流场分析与优化

这里针对垂直摘锭式采棉机采摘头集棉筒堵塞问题,引用Fluent软件和风洞实验平台,对集棉筒结构和工作参数进行了改进。首先,改变集棉筒入口几何尺寸,建立了几种优化模型,并进行了仿真分析,仿真结果表明,改变入口几何尺寸是不能够避免集棉筒堵塞问题;其次,改进集棉筒边界条件,并在仿真过程对集棉筒底部施加了正压速度入口,仿真结果表明,改变集棉筒边界条件是解决其堵塞问题的最佳手段;最后,建立了风洞实验台,制作了集棉筒实物,并实际测试了集棉筒内部气流场速度值,再将实验数据与仿真数据相对比,验证了仿真结果的可靠性;这里对采棉机气力输送系统的设计与优化提供了科学的依据。

挡风墙周围风沙流运动特性SPH数值分析

光滑粒子流体动力学方法(Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH)是一种纯拉格朗日、无网格的流体模拟方法。首先对SPH法的基本原理、核函数构造及控制方程离散方法、边界处理及邻域粒子搜索算法、时间积分等作了具体介绍。通过Linux平台编写的二维SPH程序较好地模拟了挡风墙周围风沙两相流的运动特性。仿真结果再现了沙障附近积沙的复杂物理现象:挡风墙周围积沙量以挡风墙为中心,呈“正态性”分布,中间多,两边少。且挡风墙存在时,对风速的阻挡作用随挡风墙高度增加而减小,水平风速超过其垂向高度后逐渐恢复至无挡风墙时的风场状态。表明风沙流运动过程中挡风墙对跃移沙粒和来流风具有明显的阻挡效应,与已有相关模拟结果相符,验证了SPH数值模拟方法的有效性。并为SPH方法在风沙两相流领域的进一步拓展和应用奠定了基础。

基于思政理念的流体力学课程教学目标探究

项目基于《高等学校课程思政建设指导纲要》精神,结合工程流体力学课程特点和教学内容,从学生对专业知识的扎实掌握到思想政治素质的全面提高,在整个教学过程中从专业认同、社会主义核心价值观及社会责任等方面全面挖掘课程思政元素,基于布鲁姆教育目标分类理论提出课程教学目标与思想政治教育目标的结合点,采用BOPPPS教学模式进行教学设计和实践活动,将思政元素完美地融入课堂中,提升学生专业素质,增强学生对课程思政内容的兴趣,培养有社会责任感的新时代青年。通过对教学效果的分析,本项目所提出的教学模式和方法对力学课程思政建设具有较好的参考价值。

基于动作捕捉、压力分布和sEMG技术的办公坐姿舒适性研究

长时间保持不良坐姿会增加腰痛(LBP)的发生几率,尽管目前有很多研究揭示了腰痛的产生原因,但对于最佳坐姿的选择尚无明确的研究结论。本研究通过对比多维度坐姿舒适性指标,研究找出最佳坐位方式以减少腰痛发生的几率。挑选20名志愿者参与了实验数据采集,采用肢体动作追踪方法、臀部压力分布测量方法和背部肌肉表面肌电信号分析方法对比研究座椅前端直立坐姿(NBSP)、座椅靠背坐姿(BSP)和加入腰靠后靠背坐姿(LPSP)的舒适程度,探究靠背坐姿与非靠背坐姿的舒适性程度以及检验通过增加腰部支撑能否提高坐姿舒适性。结果表明:靠背坐姿对比前端直立坐姿颈部角度平均变化减少5.8%,腰部的角度变化率更低,即人体靠背坐姿时肢体活动度更少,肌肉激活更低;靠背坐姿对比前端直立坐姿臀部压力峰值平均减少17.2%,并且加入腰靠后压力峰值平均减少27.6%,即更低的压力峰值表明臀部局部不适感更低;靠背坐姿的背部肌肉激活程度相比前端坐姿更低,肌肉疲劳度更小。因此,建议办公人员采用靠背坐姿,并且选择一个合适的腰靠提供给背部足够的支撑,提高坐姿舒适性,可有效减轻和预防腰痛。

挟沙强横风对高速列车气动特性的影响研究

为了研究强风沙环境下高速列车运行的安全性能和气动性能,基于空气动力学理论,运用Navier-Stokes方程、标准k-ε湍流模型对气流进行连续化处理,应用DPM模型对沙粒进行离散化。算例采用欧拉-拉格朗日方法进行求解。研究结果表明:随着挟沙风速的增大,列车背风侧的涡流强度有所降低,但在背风侧的近地面,列车的流线越来越不规则;除此之外,列车车身的压力会随着挟沙风速的增大而增大,会随着沙粒直径的增大而有所降低;随着挟沙风速的增大,列车的阻力、侧力、升力均增大。随着沙粒直径的增大,列车的升力、侧力、阻力、倾覆力矩均有所降低,但比净风情况下要大。研究结果对强风沙地区合理设计高铁线路具有一定的参考价值。

基于对分课堂的工程力学课程线上教学设计

工程力学是高等院校工科类学生的专业基础课程,旨在培养学生的力学素质,加强学生的工程概念,为以后的专业课学习打好理论基础,在工科学生整个本科阶段的教学过程中担负着承前启后的任务。2020年以来全世界新冠肺炎疫情暴发,很多高校因无法进行课堂教学而采用了线上教学模式,突然转变的教学模式正如突如其来的疫情让人措手不及,随之也带来线上教学过程中出现的很多棘手问题。文章针对目前工程力学的教学现状,结合多年的基础力学教学经验,对工程力学以对分课堂为基础的线上讲授过程中的几个突出问题进行了探讨,提出了线上教学设计路线,经调查研究表明,教学效果明显改善。

挟沙强横风环境下高速列车的冲蚀性能

在中国的西北地区,高速列车需要在挟沙强横风环境下行驶,风沙的冲蚀会对列车的行车安全造成隐患。为了研究风沙环境下高速列车的冲蚀效应,基于空气动力学理论,使用Navier-Stokes方程、标准k-ε湍流模型(k为湍动能,ε为耗散率)对气流进行连续化假设,应用离散相模型(discrete phase model,DPM)对沙粒粒子进行离散化处理。数值模拟了不同风速、不同沙粒粒子直径、不同浓度下的高速列车冲蚀效应,采用欧拉-拉格朗日方法进行求解计算。结果表明:速度越大,反射后的粒子距离列车表面越远,偏航角越大,列车附近的粒子运动越无规则;当速度不变时,列车车头处的冲蚀率随着粒子直径的增大而增大;当粒子直径不变时,冲蚀率随着粒子浓度的增大而增大,随着速度的增大呈现先减小后增大的趋势,且最大冲蚀率是最小冲蚀率的2.8倍。

基于SPH方法的风沙流结构动力学特性研究——评《高等结构动力学》

人类的社会活动与土地开垦使得土地原有的生态环境遭到破坏,造成大量土地荒漠化,这也成为了风沙灾害发生的主要成因。风沙灾害不仅会影响动植物的自然生长,还会对水利交通等基建设施造成毁坏,最终影响到整个地区的经济发展情况。而研究风沙灾害的治理方法,必须要对风沙流结构与运动过程具有一定了解,因此,本文结合《高等结构动力学》一书,基于SPH方法对风沙流结构的动力学特性展开相关研究。

欧拉颗粒流模型下的近床面风沙跃移速度分布特征

风沙运动中沙粒速度是风沙物理学研究的重要内容,为反映风沙流运动中沙粒相浓度变化及沙粒的速度分布,从多相流的角度出发,运用二维欧拉颗粒两相流模型对风沙的流动过程进行模拟。通过对比实验中沙粒的体积浓度随高度的变化,验证了模型的准确性,并在此基础上对沙相的运动信息进行统计分析,得到近床面风沙流的沙相速度分布。统计结果表明:在风沙跃移过程中,沙粒体积分数随高度的变化呈指数衰减,并在近地面附近出现浓度饱和层,饱和层沙粒体积分数的数量级为10-7,且在饱和层上方浓度衰减加快。通过对体积分数大于等于10-7的沙粒速度信息进行统计,得到不同时刻沙相速度分布,并给出相应的速度分布概率密度函数。

风沙流中基于宏观颗粒模型的沙粒浓度分布

风沙侵蚀是造成土地沙化和干旱区地貌的主要原因,其中沙粒的浓度分布是研究输沙量、颗粒碰撞、风沙流结构等特征的主要影响因素,也是了解颗粒碰撞过程和风沙两相流耦合过程的重要研究内容。为了考虑沙粒与气流的力平衡、阻力和扭矩的变化、碰撞及摩擦等影响,运用了一种新的宏观颗粒模型(macroscopic particle model,MPM)研究沙粒在气流中的运动。与前人研究结果进行比较后发现,宏观颗粒模型在不需要任何附加模型的前提下,能实现风沙两相耦合的准直接数值模拟,根据沙粒运动速度云图所示的风沙流运动状态的不同,沙粒浓度的垂向分布会出现结论不一致的现象。颗粒流系统的内在非线性是造成风沙流运动状态不均匀、不一致的主要因素。数值模拟结果表明,利用MPM模型中的离散颗粒追踪、颗粒速度和位置等信息能够研究多相流条件下的风沙运动机理。

不同路堤下携沙横风对高速列车气动特性的影响

为研究携沙强横风在不同路堤下对高速列车气动特性的影响,建立简化的高速列车模型,采用三维、定常、不可压雷诺时均Navier-Stokes方程和标准κ-ε两方程湍流模型,数值模拟高速列车在单线路堤、双线路堤、半堑路堤的气动性能,分析列车在不同路堤倾角的流场结构,计算列车的侧力系数、升力系数、倾覆力矩与路堤倾角之间的关系。结果表明:不同类型的路堤下,在列车背风侧近地面处,都生成一个形状不规则的漩涡,漩涡的大小与路堤倾角正相关,且负压的最大值是漩涡的中心;在列车的头车处,不同路堤下的侧力系数相差很小,尤其是半堑路堤,携沙风环境下和净风环境下侧力系数基本一致,说明有沙风对半堑路堤下高速列车侧力系数的影响很小;在各个倾角下,双线路堤的倾覆力矩系数最高,半堑路堤的倾覆力矩最小。

基于SPH方法的风沙流运动特性研究

文中基于光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics:SPH)方法,采用五次样条光滑函数,通过调节不同类型粒子光滑因子,对风沙流运动特性进行分析:1)在风沙流起动阶段,沙粒平均水平速度随高度增加而增大,同一高度处沙粒平均水平速度随时间推移而减小。2)风沙流稳定前后,沙粒数均随高度的增加而减少。3)风沙流形成过程中气体粒子在计算域中心位置产生涡流,并随着时间推移,涡流又出现在计算域中上及右下方位置。4)起沙前后气体脉动强度随摩阻风速增加而增加,随高度增加呈现不同变化。结果表明:该方法模拟精度较高,适用于解决风沙两相流数值模拟问题。