升力翼列车通过隧道的气动效应研究

升力翼列车是一种通过增加升力翼来提升气动升力的新概念列车,可等效降低自身重力,有效减少轮轨磨损。本研究基于RNG k−ε湍流模型,采用滑移网格模拟方法,研究了不同攻角升力翼列车通过隧道的气动效应,并通过动模型实验数据对数值计算方法的精度进行验证。研究结果表明:升力翼列车进入隧道后列车升力增大,相较于明线,隧道内平均升力增加了33.3%;在进入隧道时攻角由12.5°减小为7.5°,可以较好地减小进入隧道时的升力波动,同时也可减小列车和隧道表面的压力峰值,有利于列车平稳通过隧道。通过对比有、无升力翼的列车可发现,车体前端主要受到升力翼增加车隧阻塞比的影响,而压力上升;车体后端主要受到升力翼尾流的影响,压力降低。本研究结果可为升力翼列车平稳通过隧道提供技术支持。

升力翼对列车气动特性及运行安全性的影响研究

为探究升力翼高速列车的可行性,结合列车空气动力学和车辆多体系统动力学理论,建立了有/无升力翼高速列车空气动力学模型和车辆系统动力学模型,对有/无升力翼高速列车在明线无风及横风运行环境下的气动特性及运行安全性进行了仿真研究。研究结果表明:安装升力翼可提升高速列车的气动升力及升阻比,但气动阻力也大幅度增大;有/无翼高速列车周围流场特性差异较大,安装升力翼后列车表面压力分布及流线流向改变,列车滑流速度峰值增大,两侧及尾流区域速度分布改变。横风下列车表面压力分布及背风测涡脱结构改变,头车受到的气动阻力、升力、侧力及点头力矩相比于无翼时有明显的增大,升力与侧滚力矩差异明显,侧滚力矩方向改变且数值增大,摇头力矩变化很小。明线无风下,安装升力翼能够减小6%~13%的轮轨垂向力,其中尾车由于气动升力最大,轮轨垂向力减幅最显著;运行速度在450 km/h及以下时升力翼高速列车能够安全平稳运行,运行速度在500 km/h时升力翼高速列车轮轨垂向力和轮重减载率超限;影响安全性的主要原因是升力翼扩大了各节车之间气动载荷的差异,升力翼的气动布局有待进一步改善,建议减小头车和尾车的升力;横风环境下,升力翼高速列车头车受到升力、侧力及侧滚力矩数值明显增大,运行安全性恶化,横风安全域缩小。

升力翼高速列车曲线通过时的轮轨黏着性能研究

建立考虑轮轨关系、升力翼及流场耦合特性等因素的车辆系统动力学模型,分析升力翼高速列车曲线通过时的运动姿态和轮轨接触特性响应,研究列车在曲线轨道运行的轮轨黏着性能,探讨轨道不平顺、曲线半径、运行速度及轮轨接触条件对轮轨黏着性能的影响。研究结果表明:气动升力通过改变列车运行动态响应和轮轨接触特性导致内、外侧轮轨垂向力和纵向蠕滑力重新分配,促使内侧轮更易失去黏着;气动升力和运行速度的增大均会劣化轮轨黏着性能,但曲线半径的增大将显著提升轮轨黏着水平;轨道不平顺削弱了轮轨黏着性能,干态、湿态、油态条件下的轮轨黏着性能依次恶化。列车牵引运行时,干态、湿态、油态条件下的轮轨均能满足牵引力安全限值要求,但制动运行时,湿态和油态条件下的轮轨均不能满足制动力安全限值要求。研究结果可为超高速列车的安全运行与节能设计提供技术支持。

升力翼对高速列车通过隧道时气动效应的影响

在高速列车上安装升力翼可以为高速列车提供升力,降低列车对轨道的压力,从而有效减少轮轨磨损,但安装升力翼对列车在隧道内行驶时的气动性能产生较大影响,为此,基于三维非定常可压缩RNG k−ε两方程湍流模型,对升力翼列车通过隧道时的气动效应进行数值模拟研究。研究结果表明:在列车进入隧道过程中,升力翼尾流结构增大,对列车表面压力产生一定的影响;升力翼尾流使列车表面压力下降,同时升力翼增加车隧阻塞比,使列车表面的压力上升,两者共同影响列车表面压力,导致列车表面压力分布复杂;安装升力翼使列车表面与隧道壁面的压力幅值均增加,列车表面压力幅值最大增加5.4%,隧道壁面压力幅值最大增加14.1%;同时,对隧道出口的微气压波产生不利影响,在距离隧道出口20 m处的微气压波幅值上升4.1%。研究结果可为升力翼的参数优化设计提供指导。

非对称升力翼对高速列车横风气动性能的影响

随着高速列车运行速度的不断提升,横风环境下列车运行安全问题日益凸显。为此,从控制气动升力角度提出一种非对称升力翼结构以期形成抗倾覆力矩,并采用数值模拟方法,对比分析原始车型、全展开升力翼车型和收缩迎风侧升力翼车型的气动载荷及列车周围流场结构,探究横风环境下该结构对列车横风气动性能的影响。研究结果表明:升力翼对高速列车气动载荷及周围流场影响显著;列车安装升力翼后主要改变了车顶和车体背风侧表面压力分布以及车顶、车体背风侧和尾流区域的速度分布;车体顶部由于受到非对称升力翼压力面影响,在升力翼下方车顶区域形成了低速高压区且向车体背风侧延伸;同时,车体背风侧表面压力升高,在升力翼下游车体背风侧空间区域,由流动分离导致的漩涡结构发生了明显改变;相比于原始车型,收缩迎风侧升力翼车型(模型Ⅱ和模型Ⅲ)均可减小列车横向力和倾覆力矩;模型Ⅲ效果最显著,3车编组列车横向力和倾覆力矩分别减少13.19%和11.86%。

升力翼高速列车前后翼干扰特性研究

在高速列车车顶安装升力翼旨在通过提高列车气动升力减小轮轨作用力,是一种新型等效减重的手段。升力翼安装到高速列车顶部后,其工作环境与航空相比有很大不同,升力翼与升力翼之间存在相互干扰。以三车编组1꞉10缩比某型CRH高速列车模型为研究对象,采用改进型延迟分离涡模拟(IDDES)方法,分别针对不同高度和不同间距布局的两翼高速列车进行数值模拟分析,探讨前后升力翼布局对升翼力列车气动力和周围流场结构的影响规律及其作用机理。研究结果表明:对于不同间距布局,当后翼距离前翼过近时,前翼翼尖涡流的干扰导致流速加大,压差变小,最终使气动升力有所降低;而当前后翼间距过大时,即后翼远离前翼尾流干扰范围,后翼由于无法受到前翼下洗气流的正向作用,使得升力减小。对于不同高度布局,错落式布局下前翼的尾流涡旋由于高度差的原因远离后翼,相较于等高式布局,错落式布局中前翼尾流对后翼造成的干扰程度较小。错落式布局的列车整体升力性能优于等高式布局的列车整体升力性能,且前低后高式布局下,列车的增升效果最好。综合不同间距和不同高度布局的结果可知,对于两翼高速列车,翼间距为0.90H时前低后高式布局的整车气动性能最优,尤其是列车升力可以得到显著提升。

基于自抗扰的高速列车升力翼攻角驱动系统同步控制

针对高速列车升力翼中双电机协同控制攻角高精度控制的问题,提出了一种基于改进型自抗扰控制器的新型控制策略。该策略改进位置环,并将交叉耦合结构中的位置误差反馈至电流环,实现高精度控制,从而解决高速列车升力翼系统在实际应用中存在的滞后性以及抗干扰能力弱等问题。通过MATLAB/Simulink仿真验证该方法的快速响应能力、抗干扰能力以及电机同步效果。仿真结果表明,在给予不同负载扰动的情况下,该方法能够极大地提升系统的响应速度,且抗干扰能力与同步效果优异,能够帮助高速列车升力翼实现高精度的攻角变换。

高速列车车顶-升力翼组合体气动特性

高速列车升力翼通过气动增升实现车体等效减重,为高速列车节能降耗提供了新思路。升力翼气动性能直接影响等效减重效果,研究车顶–升力翼组合体在不同工况下的气动特性对列车升力翼设计具有重要意义。采用计算流体力学方法和k–ε模型进行数值仿真研究,分析了车–翼连接杆对升力翼气动特性的影响,研究了升力翼飞高、来流速度、迎角等设计参数对升力翼气动特性的影响规律。研究结果表明:采用NACA0012翼型剖面的车–翼连接杆对升力翼升力和阻力的影响不超过3.7%;在车顶模型前缘引起的高速气流影响下,随着升力翼飞高增大,冲击升力翼的气流速度减小,升力有减小的趋势,在3倍弦长飞高范围内,不同飞高升力翼的升力差值最大不超过3%;当来流速度增大至90 m/s以上时,升力翼的升力系数和阻力系数分别稳定在1.62和0.61附近;在0°~22°迎角范围内,升力翼升力系数不断增大,迎角大于22°后,升力翼升力系数减小。

超高空动升力翼飞艇的气动研究

对在超高空环境下的动升力翼+"X"形尾翼布局飞艇和常规飞艇进行了数值模拟,比较了两种外形在相同任务载荷下体积、质量以及气动力的大小,并分析了动升力翼绕流对尾翼的影响。研究发现,动升力翼+"X"形尾翼布局可以显著地减小飞艇的体积和质量,增加抗风能力并避免了动升力翼绕流对尾翼的直接干扰以及大的干扰阻力的形成。

动升力翼飞艇气动特性与修正技术研究

针对动升力翼飞艇模型在双翼浮升和大载重浮升情况下风洞测力实验的特殊性,系统地开展了实验模型、测力天平、过程控制与数据处理方法等研究。对实验结果进行了支架干扰修正、气流偏角修正、阻塞效应及升力效应修正,给出了两种飞艇模型的气动特性,提高了实验精度。

限界约束下高铁升力翼气动布局研究

气动升力协同高速列车是一种通过布置串列升力翼提高列车气动升力、实现高速列车整体节能和降低列车全寿命周期成本的创新型高速列车概念。在高铁限界约束下,串列升力翼布局受壁面干扰及翼间流动影响显著。通过数值计算方法研究了升力翼壁面效应及翼间干扰影响规律,在此基础上提出了一种较优的六翼布局方式。研究表明:随着升力翼距壁面高度的增加,机翼受到的壁面效应逐渐减弱,壁面高度大于机翼一倍弦长时,壁面效应对升力翼的影响将消失。双翼布局下翼间距和翼间高度差对该布局的气动性能影响较大,随着翼间距及翼间高度差的增加,前翼对后翼升力系数产生的影响逐渐减小。六翼布局下,同一高度布放方式提供的升力最大,此时平均升力系数为1.118 4,平均阻力系数为0.21,总升力为单节车厢总重量的26.66%。

近海面升力翼的模拟试验分析

对接近海面运动的升力翼的水动力特性进行了模拟试验.试验分析表明,浸深对升力翼的水动力有较大影响,当浸深达到临界值(?)_(cr)时,自由面的影响显著减少.升力翼水动力对规则波呈周期性响应,其中以法向力的响应最为显著.而升力翼的密度谱与模拟海浪谱具有较好的协调性,且呈线性响应.其响应幅值算子是影响水动力极值及有义值的主要因素.

升力翼对高速列车列车风与尾流特性的影响

为探究在高速列车车顶安装升力翼后引起的列车周围流场剧变,以三车编组1∶10缩尺比某型CRH高速列车模型为研究对象,采用基于两方程湍流模型的改进型延迟分离涡模拟(IDDES)方法,对比分析了有无升力翼的2种高速列车时均和瞬时列车风的发展规律;利用涡旋识别方法探讨了尾迹区瞬时涡结构分布特征,通过比较尾迹区不同流向位置的列车风分布特征与尾流涡旋移动规律,验证了列车风速度峰值与尾涡非定常特性的相关性,采用频谱分析方法获得了尾迹区速度功率谱密度曲线。研究结果表明:升力翼的几何外形结构加剧了车身表面边界层分离,令列车顶部和侧表面边界层厚度增大;升力翼使列车风速度峰值增大,其中在轨侧和站台位置最大时均列车风速度分别增大了1.556和1.327倍,且相较原型列车第2个峰值位置延后;由于翼尖涡不断向下游发展和累积,升力翼列车尾流结构表现为大尺度涡对中夹杂着一对更为破碎的细小涡旋,相较原型列车,涡旋与地面之间的剪切作用更强,升力翼列车尾流时均列车风速度在展向分布上有所增大,但垂直分布上有所降低,并在水平面上出现更明显的剪切分离;升力翼列车尾迹中包含较多破碎的小尺度涡,进而影响了尾迹涡脱落频率,使之比原型列车具有更高的能量,且涡旋耗散速度更慢。

F1方程式赛车后升力翼的气动特性

以比例为1∶3的F1方程式赛车后升力翼为研究对象,研究了后升力翼攻角变化对F1方程式赛车气动阻力和气动升力的影响规律.在攻角为12°时,气动升力与气动阻力的比值的绝对值达到最大,此攻角就是F1方程式赛车后升力翼的最佳攻角,模型风洞试验验证了这一结论.

对二维磁流体翼升力原理的几点讨论

本文讨论了磁流体翼的数学基础 ,即二维机翼理论在磁流体翼中适用的条件。本文得到了要使二维机翼理论成立电磁场所要满足的必要条件。为了讨论这一设想的有效性 ,本文引入了零攻角平板磁流体绕流的物理模型和数值计算的数学模型 。

共翼型舵水动力特性的模型试验与数值模拟

国际上新型潜艇的尾操纵面设计,采用了将前部稳定翼和后部转动舵组合成完整翼型剖面的共翼型布局方式。为了研究这种共翼型舵与常规舵在水动力性能上的差异,运用模型试验和数值计算模拟方法,对共翼型舵和常规非共翼型舵的水动力和流场进行了对比研究与分析。结果表明:共翼型舵在小舵角工况时能够保持舵翼结合部流线的光顺,舵角5°时共翼型舵总升力比非共翼型舵总升力增加了65.3%;但在大舵角工况,共翼型舵叶背容易发生流动分离形成分离涡,导致升力性能变差,舵角25°时共翼型舵总升力比非共翼型舵总升力减小了9.2%。在小舵角时,共翼型舵尾流区的流场湍动能较低,流动稳定性更好。

超高速气动增升船水气动力特性数值研究

为了探索超高速气动增升船的水气动力特性,该文利用基于FVM的STARCCM+软件分别模拟了超高速气动增升船模型在有升力翼和无升力翼状态下的静水直航运动,分析了鸭翼、主升力翼及断阶等气水动力结构的绕流特征。计算结果表明,在船宽弗劳德数大于6.0时,气动升力成为升力的主要来源,在船宽弗劳德数为7.0时,气动增升率可达到0.69;在升力翼的气动增升效应影响下,浸湿面主要集中在断阶之前的滑行面上,尾部仅有少量浸湿,在改善高速阻力性能的同时提升了纵向运动稳定性。