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。

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%.

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%。

考虑风速纵、横分量的列车气动载荷变化特性

为探索侧向环境风作用下列车气动载荷变化特性,对任意风向角下随车移动点处的风速纵、横分量进行建模,研究考虑风速纵、横分量的列车气动载荷计算方法,并分析在列车速度200~400 km/h、平均风速10~35 m/s及风向角30°~150°时的列车气动载荷特性.研究发现:在不同风向角下,考虑风速横向分量后,高速列车气动载荷波动变大,作用于列车上的瞬时气动载荷极值增大;风速横向分量主要影响列车气动载荷的标准差,且影响程度与风向角有关;随着风向角接近临界风向角,风速横向分量对列车气动载荷标准差的影响逐渐变小,随着风向角远离临界风向角,风速横向分量对列车气动载荷标准差的影响逐渐变大;列车气动载荷的标准差/均值主要与侧偏角有关,且在风向角为30°及150°时较大,其次是风向角60°和120°,而在风向角90°时则较小.

基于深度学习的钝体断面外形气动性能高效预测方法

对于气动性能,钝体断面的气动外形非常重要,采用传统风洞试验及CFD模拟计算得到钝体断面气动性能需消耗大量时间,大大影响钝体断面气动外形的气动性能评估效率。通过卷积神经网络深度学习技术实现对气动性能的快速预测,深度学习模型训练完成后,输入形状信息和与形状相关的流场信息,即可输出不同几何形状下的阻力系数,进而得到钝体断面的气动性能。为寻找性能最优的深度学习模型,通过综合判定误差和参数量大小对卷积神经网络结构的深度和宽度进行优化。对深度学习模型输出阻力系数与CFD计算结果进行对比发现,误差符合预期要求,并且相较于传统方法,基于深度学习网络的预测所需时间达到数量级的提升,未来可作为钝体断面气动外形优化的关键方法。

浮式风力机若干特征动力学问题综述

总结浮式风力机类型及其对应的特征动力学问题,针对浮式风力机气动荷载、水动荷载的计算方法以及结构动力学、控制动力学典型问题进行论述。讨论了气动—水动—结构—伺服耦合分析的难点,重点分析了二阶波浪力、畸形波等非线性波浪荷载、流荷载及涡激运动对浮式风力机特征动力响应的影响。阐述了浮式风力机动力学研究的试验方法、数值仿真方法、样机测试方法,并对模型试验技术的相似理论、气动模型的实现和难点以及数值仿真的频域方法、时域方法和分析工具进行了归纳对比。研究表明:浮式风力机多场、多体耦合动力分析机理及相关技术仍不成熟,气动荷载、高阶非线性波浪荷载耦合模型的建立是动力学问题研究的重点,数值仿真及模型试验是浮式风力机动力响应研究的主要方法,样机测试技术的积累将促进设计标准的完善及浮式风电的产业化发展。

基于多孔介质的高速铁路透风式挡风墙关键参数研究

合理的匹配参数是风区铁路沿线防风设施研究的关键问题。针对风区铁路沿线部分区段混凝土实心挡风墙出现的环境风越过挡风墙顶导致严重的弓网离线、无法正常升弓,危及铁路行车安全问题,提出改“堵”为“疏”,通过一定的透风率来调控挡风墙后的线路风场,从而为缓解上述现象提供一种新思路,其关键问题在于透风式挡风墙关键参数与防风效果的合理匹配。为此,基于多孔介质的自身特性,提出一种基于多孔介质的挡风墙风场新研究方法,将挡风墙透风率与防风效果的合理匹配问题转化为多孔介质的阻力系数与列车气动载荷的关系研究。首先,通过比较数值模拟结果与兰新高铁挡风墙风场现场试验结果,修正并验证数值模拟方法的准确性。然后,通过数值模拟研究进一步探究多孔介质阻力参数与挡风墙透风率之间的关系,获得风区铁路沿线透风式挡风墙关键参数最优区间。研究结果表明:可以采用多孔介质代替挡风墙几何进行挡风墙风场研究,能够显著提升研究效率;多孔介质的黏性阻力系数在挡风墙风场研究中可以忽略,多孔介质的惯性阻力系数与挡风墙的透风率呈幂函数关系;风区铁路沿线透风式挡风墙高度为3.5 m,透风率在24.4%~28.7%区间时,对一线、二线列车的防风效果最好。

鼓形建筑的气动荷载特性及其干扰效应研究

通过多点同步测压风洞试验,系统分析了圆角率25%和50%的单个鼓形建筑表面风压、风荷载功率谱及整体力系数,并研究了两个鼓形建筑并排和串列布置时,不同间距和圆角率的两鼓形建筑的干扰效应。结果表明,鼓形建筑在降低圆角处平均风压的同时会使脉动风压峰值的位置向迎风端移动,且增大其峰值,造成圆角处较大的极值负压。鼓形建筑宽边迎风时横风向荷载Strouhal数较矩形建筑高,且随着圆角率增大而增大;窄边迎风时,鼓形建筑横风向荷载功率谱出现两个峰值,主峰值在fB/V_(h)=0.03附近,次级漩涡脱落形成的次峰值出现在fB/V_(h)=0.25。两个鼓形建筑并排布置时,鼓形建筑间的狭缝效应会大大增加两内侧的负压,尤其是对于圆角率50%的鼓形建筑。两建筑串列布置时,上游建筑的遮挡效应使下游迎风面的负压显著降低;由于受到上游建筑尾流的影响,下游建筑侧面迎风端的负压也大大低于单塔建筑。

高速飞行器气动控制耦合优化设计方法研究

针对传统串行设计过程由于空气动力学和控制系统数学模型复杂、无法综合考虑气动和控制的多目标优化的问题,提出了一种面向高速飞行器气动控制耦合优化设计方法。基于气动单学科代理优化(SBO)算法,将飞行器主动控制技术(ACT)的思想与多学科优化方法(MDO)相结合,构建了高速飞行器气动控制耦合多目标优化流程架构。在2马赫来流条件下,对带有控制舵的双锥体外形开展了气动耦合优化设计研究,以提升飞行器的气动性能和控制能力为优化目标。结果表明:经过气动控制耦合优化后的最优模型在超声速环境下,升力系数和升阻比分别提升了0.401%、2.999%,同时超调量与控制增益分别降低了2.769%、0.655%,气动性能和控制能力得到提升,验证了耦合策略的可行性;气动控制耦合优化的最优模型不仅使飞行器在超声速工作环境下性能更卓越,还有助于降低后续控制系统的设计难度,提高飞行器设计效率。所提气动控制耦合优化设计方法为高速飞行器的先进设计提供了必要的技术支撑。

无参数自适应罚函数的高效代理模型优化设计方法

在飞行器气动外形优化设计中,复杂约束条件导致设计空间可行域呈现不连续的特征,且理想解大多靠近约束边界,传统高效代理模型方法难以适用。研究了参考点对优化设计的影响,提出了一种考虑约束的参考点选择机制;对于最优解靠近边界的问题,罚函数法更加有效,但惩罚因子的设置对于罚函数方法影响很大,不合适的惩罚因子反而会损害优化效率,分析了优化过程中罚函数方法对惩罚因子的要求,提出了一种无参数自适应罚函数的代理模优化设计方法,引入基于样本分析的惩罚项,结合归一化目标值和约束值,在优化过程中动态调整惩罚因子,使优化能够尽可能地聚焦于可行域内,迅速收敛到最优解,实现样本的高效配置。通过带约束的函数算例和翼型优化算例证实,所提方法可以大幅提高飞行器气动外形优化设计效率。

湍流风况顺桨风力机叶片气动阻尼特性研究

当前风电技术大型化发展,叶片气弹失稳问题特别是特殊工况下的稳定性问题成为国内外各界关注的热点和难点.湍流风况下顺桨风电叶片气弹稳定性直接影响风电机组的安全可靠性.气动阻尼是叶片稳定性判断的重要指标.为探究湍流风况顺桨风电叶片气弹失稳特性规律,以NERL 5 MW风力机叶片为研究对象,基于修正叶素动量理论、欧拉-伯努利梁模型和气动阻尼计算方法,建立顺桨叶片气动阻尼计算模型,采用Kaimal湍流风模型进行瞬态分析,获得风况参数对风力机叶片气动稳定性的影响规律及叶片的气动失稳概率,为大型风力机叶片气弹稳定性设计与控制提供参考.结果表明:顺桨叶片气动阻尼在全周风向上呈180°周期特性,且25°风向为相对危险工况;风速越大气动阻尼负值越显著,气动不稳定风向范围越大,失稳概率越大;湍流强度增加,一阶挥舞气动阻尼下限降低幅度明显,气动不稳概率增加;湍流风况下顺桨叶片平面外方向的失稳概率较平面内方向更大,且两个方向失稳概率曲线呈相似周期性规律.

风向角对高速列车驶出隧道过程中气动效应的影响

为研究风向角对驶出隧道过程中高速列车气动效应的影响,以某型高速动车组列车为研究对象,采用数值模拟方法对隧道内气动压力、列车风风速、流场分布及列车气动荷载进行分析。通过与动模型试验结果进出对比,验证数值模拟方法的准确性。研究结果表明:隧道壁面气动压力峰值及变化幅值最大值出现在隧道内部,且出现位置到隧道出口距离与风向角有关;背风侧气动压力受风向角影响更大,气动压力变化幅值随风向角增大呈现先减小后增大再减小的趋势;出口处列车风风速随风向角增大基本呈现先增大后减小的趋势,30°风向角时列车风风速最大,但迎、背风侧列车风风速峰值出现时刻不同;随着风向角增大,流场分布不对称性增强,列车绕流特性由流线型绕流逐渐过渡到钝体绕流,流动分离点到头车鼻尖的距离呈现先增大后减小最后再增大的变化规律,隧道内流动结构愈加复杂;气动横向力、升力变化幅值随风向角增加呈现先增后减趋势,头车横向力系数最大变化幅值分别是中车、尾车的2.4倍和2.6倍,升力系数最大变化幅值分别是中车、尾车的1.1倍和1.5倍,故保证头车安全是控制整车运行安全的关键;侧风下高速列车驶出隧道情形下的最不利风向角为30°,此时头车发生列车事故风险最高。

高速列车受电弓上下臂杆气动降噪大涡模拟研究

受电弓是露置于高速列车顶部的重要受流装置,其所产生的气动噪声是高速列车的主要噪声源之一。为了降低受电弓所产生的气动噪声,采用椭圆截面直杆件和椭圆截面纵向扭转杆件两种方案替代原有上下臂杆的圆形截面直杆件,基于大涡模拟(large eddy simulation,LES)结合Ffowcs Williams and Hawkings(FW-H)声类比的方法分析流场特征与气动噪声辐射,研究新型受电弓杆件对流场及近、远场气动噪声特性的影响。研究结果表明:在不同列车速度下,与圆形截面杆件相比,椭圆截面纵向扭转杆件受电弓在近、远场辐射的气动噪声有所减弱,具有一定降噪效果;当列车速度为300 km/h时,椭圆截面纵向扭转杆件受电弓远场25 m处声压级最大值可降低约4.3 dB(A),降幅约4.4%;当列车速度为400 km/h时,其近场7.5 m处声压级最大值可降低约5 dB(A),降幅约5.5%。

高速S-CO_(2)向心透平几何参数优化及变工况特性分析

透平是热力循环中实现热功转换的核心设备,优化透平几何参数以改善气动性能,是提升系统热效率的关键。该文以面向某船舶主机烟气余热利用的超临界二氧化碳布雷顿循环透平设计参数为基础,给出向心透平主要几何参数,采用耦合CO_(2)真实物性参数的CFX仿真方法,分析几何参数动、静叶包角以及叶轮出口几何角对透平性能的影响规律并进行参数优化,进一步研究非设计工况下的透平运行特性。结果表明:增大静叶包角会使动叶前缘出现扰动涡流并减少余速损失,增大叶轮出口几何角,动叶包角对透平效率的影响规律不变,但效率峰值点会沿动叶包角减小的方向移动;动、静叶包角和叶轮出口几何角分别为49°、21.5°、25°时透平设计点总-静等熵效率高达87.99%,相比优化前,提高0.54个百分点;透平偏离设计点±20%工况下等熵效率大于80%。结果可为超临界二氧化碳高速向心透平设计提供一定参考。

改进高斯过程的客车侧风工况下气动造型优化研究

高速客车的行驶安全性受侧风影响较大,为改善高速客车的气动特性和行驶稳定性,提出了一种改进的高斯过程回归模型对客车进行气动造型优化。该模型中,使用一种自动核构造算法,根据数据特征自动构造核函数,采用基于万有引力加速机理的自适应遗传算法对超参数进行优化,克服了传统近似模型精度低的问题。结果表明:改进高斯过程回归模型的预测值均位于95%置信区间,精度较高,实际应用中能够减少仿真和实验的次数,具有较好的工程实用价值。基于协同优化的思想对客车气动造型进行优化,客车的气动升力系数降低了22.56%,侧向力系数降低了18.53%,气动阻力系数降低了4.51%。

无人机系列化旋翼气动噪声特性对比研究

旋翼的气动噪声是各类旋翼无人机噪声的主要来源,为降低无人机整体噪声和提升其声隐身性能,文中针对某无人机的系列化等径旋翼开展定转速气动噪声特性的对比研究.分别建立各旋翼气动噪声特性预测大涡模拟计算模型,将获取的各旋翼表面压力脉动信息作为声学求解输入,基于FW-H方程计算了等距(3R)和不同方位的旋翼远场噪声特性并进行了试验验证,5个型号旋翼等距处总声压级仿真与试验结果误差不大于4.3%,气动噪声呈现明显的偶极子特性,气动噪声径向声压级明显高于轴向值,且不同旋翼的气动噪声声压级与旋翼转矩具有正相关关系,与旋翼升力间关系则不明显.

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.

过失速重新定向机动过程气动特性建模

以过失速重新定向技术为基础的自翻转越肩飞行器与传统越肩发射飞行器相比,具有响应时间短、机动性能高、射程远等优势。本文针对飞行器过失速重新定向机动过程,基于CFD动态计算数据分析了该过程中的飞行器气动特性,通过改进微分方程模型成功描述了机动过程中的迟滞环效应,同时验证了最小二乘支持向量机方法在此建模问题中的适用性。本文的建模方法可以准确捕捉飞行器过失速重新定向机动过程中的非线性非定常气动特性,为飞行器过失速重新定向机动控制律设计提供模型基础。

大跨度单层柔性光伏支架结构气动阻尼的试验研究

大跨光伏支架结构轻柔,在风荷载作用下易产生显著气动效应。为研究该类结构的气动阻尼特征,对不同风速和张力工况下两种典型倾角(0°和10°)的大跨度柔性光伏支架结构开展气弹风洞试验。基于气弹模型风洞试验结果,分别利用经验小波变换(empirical wavelet transform,EWT)和变分模态分解(variational modal decomposition,VMD)结合改进的随机减量方法(random decrement technique,RDT)识别得到了柔性光伏支架结构在不同风速风向、组件倾角和拉索预张力下的气动阻尼比。研究结果表明,气动阻尼对风向角的变化较为敏感。当组件倾斜铺设时(10°倾角),大跨光伏结构气动阻尼在180°迎风向时会出现负值。张力增加可能导致高风速下平铺组件的气动阻尼比显著降低。气动阻尼比随风速的增加整体呈减小趋势,低风速下基本为正值,而高风速下可能出现负气动阻尼。不同方法识别出的气动阻尼比结果存在一定的差异,但反映出的气动阻尼的变化特征具有一致性。

收放伞绳对十字型伞静态气动特性影响的数值模拟研究

为研究十字型降落伞作为主动控制装置时,其可控性与气动特性的规律,建立了不同伞绳收缩比δ为0、10.0%、12.5%、15.0%、20.0%、25.0%时十字型伞无限质量充气的有限元模型,基于任意拉格朗日-欧拉方法进行数值模拟,分析了十字型降落伞收缩伞绳,引起伞面几何构型不对称对气动特性的影响.结果表明:不同攻角为0°、5°、10°时,十字型降落伞的平均阻力系数随伞绳收缩比δ的增大而减小;十字型伞的瞬时升力峰值随着伞绳收缩比δ的增加而增大,方向始终由伞绳收缩一侧指向另一侧,具有较强的时变特性.