高速列车突出隧道过程中横风效应研究

为研究横风效应对突然驶出隧道过程中高速列车气动特性的影响,基于列车流场的三维、可压缩性的非定常特性,建立隧道-列车-横风三维数值模模型,研究横风效应对驶出隧道过程中高速列车流场分布和列车表面压力的影响,揭示列车气动荷载变化机理。通过与动模型试验结果进行对比,验证数值模拟的合理性。研究结果表明:横风下列车驶出隧道过程中流场分布具有显著空间效应,受列车与隧道相互作用影响,隧道出口附近流场具有明显非定常特性;相较于无风情形,横风下列车底部压力变化幅值增大60%,列车迎风面、顶部压力变化幅值分别增大38.1%和28.6%,背风面压力变化幅值差异为4.8%,背风面压力分布受横风影响最小;横风效应导致列车气动特性发生显著变化,气动荷载变化幅值远比无风情形的大,无风时尾车横向力、升力变化幅值最大,横风作用下头车横向力变化幅值最大,倾覆风险最大。

垂直起降无人机气动布局设计研究进展

垂直起降无人机是当前航空领域的研究热点。文章介绍了倾转旋翼、倾转涵道和双系统式三类垂直起降无人机的工作原理和典型机型,分析和讨论了其气动布局特征及其设计研究进展,提出了垂直起降无人机气动布局设计和优化、飞行控制、侧风效应和结构轻量化设计方面的研究建议。

侧风影响下的飞机尾流危险区域估算方法

为更好地评估侧风影响下尾流的演化与危险,对经典的D2P(Wake Two-Stage Decay Model)模型进行改进,并构建侧风影响下尾流危险区域评估方法。首先,基于数值模拟试验数据和激光雷达探测数据,创建侧风对尾涡强度衰减和涡核运动的影响模型。其次,建立后机遭遇尾涡后的诱导滚转力矩系数模型和尾涡危险区域估算模型。最后,对不同侧风条件下的尾涡危险区域长度及尾涡侵入侧向相邻跑道的所需时间进行计算分析。结果显示:尾涡危险区域长度在静风时最大;随侧风强度增强,上风涡和下风涡侵入相邻跑道的持续时间都不断减少,但在超过6 m/s后,下风涡侧又开始增加。改进后的模型能更好地考虑侧风对尾涡危险区域的影响,有利于估算侧风影响下的单跑道或近距平行跑道着陆时所需的尾流间隔。

横风下高速列车在隧道洞口交会非定常气动效应

针对横风下高速列车在洞口交会时的非定常气动问题,考虑流场的三维、可压缩、湍流特性,建立隧道-列车三维空气动力学模型,利用滑移网格技术模拟列车交会过程,采用SSTκ-ω湍流模型对列车交会全过程进行求解,研究横风对隧道内瞬变压力、列车风及流场分布特性的影响规律.研究结果表明:横风下列车交会时,洞口处气动压力系数变化幅值显著增大,交会完成时,列车之间压力系数峰-峰值较无横风情形增大30.6%;列车交会开始和完成时气动压力均发生突变,隧道中部附近气动压力峰值最大;横风下列车交会气动压力大小与空间位置有关,交会时列车间气动压力变化幅值分别是列车迎、背风侧压力变化幅值的2.2和1.5倍;横风对洞口附近列车风影响显著,横风时迎风侧列车风峰值最大,无横风时背风侧列车风峰值最大,且前者是后者的2.04倍;隧道内气动效应受横风影响范围有限,当横风为30 m/s、车速为350 km/h时,隧道内气动效应受影响范围为120 m;横风下交会开始与完成时,流场分布急剧变化,导致气动压力与列车风发生突变.

横风下高速列车突入隧道时气动荷载冲击效应

对高速列车由横风环境驶入隧道过程中流场的非定常、可压缩以及湍流等特性,建立了隧道-列车-空气三维CFD数值模型,分析了列车驶入隧道时各节车厢的气动荷载瞬态变化特征及对应的车厢运行姿态变化,并从流场角度揭示了其变化机理,最后探讨了气动荷载对车厢的冲击效应.主要结论如下:(1)当列车由横风环境驶入隧道时,各节车厢的5项气动荷载均表现出显著的突变特征,相应地各节车厢均会呈现瞬间偏转以及瞬间"点头"等行为;(2)车厢两侧压差在纵向上的巨大差异是导致车厢横向力和倾覆力矩的突然卸载以及偏航力矩骤增的根本原因;(3)横风是导致气动荷载对车厢冲击强度显著升高的主要因素;(4)头车的安全系数是控制整列车运行安全性的关键.

流体动力学模型中流密度方程的二维OAD离散方法

本文系统分析了用于流密度方程有限差分离散的ＳＧ和ＯＡＤ方法，完善了适合于二维非均匀网格系统的流线ＳＧ方法．在此基础上，提出了适合流体动力学模型中流密度方程离散的二维ＯＡＤ方法．简单的数值实验表明，ＯＡＤ 离散方法不仅能够解决数值计算中存在的侧风扩散效应。

横风下高速列车驶入隧道时瞬态气动性能研究

针对列车高速驶入隧道时流场的三维、非定常及可压缩湍流等特性,建立了精细化的隧道-列车-空气三维CFD数值模型,对比分析洞口有无横风条件下列车驶入隧道过程中车体周边的瞬态流场结构、压力分布,并研究横风条件下车体的5项气动荷载(气动横向力、气动升力、倾覆力矩、偏航力矩和点头力矩)指标的瞬变特性以及风速和车速变化对其最大瞬变幅值的影响情况.研究结果表明:当列车在横风环境下驶入隧道,洞外部分车体两侧流场结构和压力分布差异显著,而洞内部分差异较小,从而引发列车进洞前后车体压差突变;列车在进洞过程中,车体的各项气动荷载均存在瞬变效应,且尾车同时呈现出倾覆、“上跳”、“蛇形”摆动以及“点头”等行为;风速变化对尾车偏航力矩变化幅值影响较显著,而车速变化对头车偏航力矩变化幅值影响较显著.

流线方向控制数值振荡的理论与最优方法

本文提出了流线方向控制数值振荡的最优方法,与传统的Scharfetter-Gummel方法和SUPG方法相比,本方法在消除数值振荡和侧风效应方面具备更好的特性。

动车组横风环境下的交会气动效应

采用三维、可压缩、非定常N-S方程的数值计算方法,对8辆编组的动车组在20 m/s横风下以250 km/h速度交会时列车表面瞬变压力和车体所受气动力及力矩进行分析,并采用间接验证方法,将风洞实验、动模型实验得到的结果分别与数值模拟结果进行对比。研究结果表明:间接验证方法下所得气动效应实验结果和数值模拟结果变化规律一致,压力幅值相对误差在5%以内;动车组横风下交会时,车体头、尾处测点压力差别较大,中部位于同侧测点压力差异较小,同一高度、不同纵向测点的压力变化波形及幅值基本一致,车体顶部测点压力始终为负;对于车体所受横向气动力及倾覆力矩,头车比中间车和尾车的大,背风车比迎风车的大;随着横风风速的增加,列车所受横向气动力及倾覆力矩峰值也迅速增加,严重威胁着动车组的安全运行。

侧风对轿车气动特性影响的稳态和动态数值模拟对比研究

分别采用稳态方法和基于动网格技术的动态方法对侧风作用下的汽车外流场进行了3种情况的数值模拟,将3种模拟结果进行对比,同时将部分模拟结果与试验值进行了对比。结果表明合理选用数值模拟方案可获得较满意的计算结果;地面边界层对计算结果影响较大;稳态方法和动态方法的流场分布、阻力系数和升力系数以及较弱侧风条件下的侧向力系数有较好的一致性,强侧风条件下的侧向力系数则差别较大。

长大编组高速列车横风气动特性研究

采用定常RANS方法,对长大编组高速列车的横风气动特性进行分析,从流场特性和气动力特性两个方面开展研究。结果表明,横风条件下,列车表面流动现象非常丰富,列车首尾流线型存在较多流动分离、再附等现象,且受横风侧偏角影响较大。在列车背风侧出现两个以上的复杂分离涡系,从列车头车下部开始,向列车下游发展并逐渐远离列车车体。分离涡系是列车承受非定常气动力的根源。列车头车是侧向力、滚转力矩最严峻的车厢,且随着横风侧偏角增大,侧向力、滚转力矩逐渐增大,列车行车环境逐渐恶化。

挡风墙后动车组与普速列车交会气动特性

采用三维、可压缩、非定常N-S方程的数值计算方法,对8辆编组的动车组和5辆编组的普速列车在3.5 m挡风墙和20 m/s横风环境下,以250/160(km/h)速度交会时列车表面瞬变压力和车体所受气动力及力矩进行分析,并采用间接验证方法,将风洞实验、实车试验得到的结果分别与数值模拟进行对比。研究结果表明:间接验证方法所得的实验和数值模拟的气动效应变化规律基本一致,最大误差在12%以内,验证了本文数值方法及结果的可靠性。两车横风下交会的整个过程中,同一时刻位于车头不同位置的测点间压力差别较大,位于列车中部同侧的测点间压力差别较小;列车头车所受横向力及倾覆力矩幅值比中间车和尾车大,且处于二线列车所受横向力及倾覆力矩幅值大于一线列车。列车横风下交会时,特别是在列车交会的尾波部分,车体所受气动效应比单车运行时更为显著,对列车大风下运行带来更大的安全隐患。

高速列车车头形状对横风气动效应的影响

列车在高速运行时,如果受到强横风作用,空气动力学性能显著改变。为探讨高速列车车头形状对横风气动效应的影响,基于Navier-Stokes方程和标准k-ε两方程模型,采用有限体积法,计算了CRH2、CRH3、CRH380A和德国ICE型高速列车在不同列车运行速度、不同横风速度25种工况下的侧向力、侧翻力矩及其系数。计算结果表明CRH3型高速列车横风气动特性最优,CRH380A型高速列车其次,两者气动特性相差不大,要优于CRH2和ICE型高速列车,并且受电弓两侧加侧挡板会使安装的那节车厢的侧向力和侧翻力矩大幅增加,并会给后面车厢的横风气动效应带来不利影响。

侧风效应和SG方法

本文分析了SG方法存在侧风效应的起因及其对SG方法的影响,为SG方法的应用提供了依据。

运输机超低空重装空投抗侧风三维非线性控制律设计

针对大型运输机侧风环境下超低空空投重型货物的瞬间受到三维突变和不确定干扰问题,提出一种基于四级复合控制的运输机三维控制律设计方法。在考虑侧风和地效不确定因素的基础上,建立了空投过程的不确定突变模型;为了保证飞行安全,采用四级复合方法设计了三维控制律:先逐层设计位置回路的虚拟指令,使位置、航迹和姿态的偏差向内逐层传递,再设计舵面和油门控制量消除位置和空速回路的偏差。在弱不确定性条件下,证明了控制系统的闭环稳定性。仿真结果表明,所提控制律可保证运输机侧风环境下超低空重装空投的安全性。

高速列车抗风的抽吸减载方法

为了提高列车在大风中运行的安全性,利用抽吸气法控制列车绕流边界层分离,以减小横风气动力。以中国CRH型高速列车为原型,在车体内设计了腔室,并通过条缝与列车表面相连,使列车表面的绕流经列车表面条缝流入腔室内,形成抽吸效应。研究结果表明:抽吸气腔室和条缝的设置能够在列车高速行驶时产生低于车体外部绕流的压力,有效地控制边界层的分离和减小列车的横风气动力。条缝倾角对气动减载效果有明显影响,当条缝倾角为30°时,总阻力的减载幅度可达7.21%;头车、中间车与尾车的横向力分别减载4.85%、2.71%与90.48%;头车、中间车与尾车的升力分别减载8.21%、12.56%与7.69%;头车、中间车与尾车的倾覆力矩减载幅度分别为5.29%、8.84%与57.56%。条缝倾角对不同车段气动减载率的影响不同,尾车受条缝倾角影响的程度最大。

楼宇分布式能源楼顶流场与温度场分析

本文通过数值模拟方法对楼宇分布式能源楼顶各类冷却塔组、烟囱、通风孔等散热设备及整个楼顶空间的流场与温度场进行了分析,探讨了这些散热设备处于运行状态时的相互作用与影响,重点研究了侧风效应对冷却塔组回流现象及运行性能的影响。研究结果表明,相距较近的冷却塔组之间会形成涡旋流动,从而产生回流现象;烟囱和通风孔的高温出流会被冷却塔吸入,加之回流现象,会使得冷却塔进风处空气温度升高,影响冷却塔运行性能;侧风效应对不同冷却塔组的运行性能所产生的影响不尽相同,但侧风风速过高时,均会造成冷却塔组运行性能的下降。

横风对高速列车气动性能的影响

随高速列车在横风下的气动特性急剧变化,安全问题十分突出。本文以京沪高铁CRH型动车组作为典型研究对象,建立三维模型,研究横风风速和列车车速对列车轮轨动力学的影响、单列高速列车在明线横风环境中运行的气动特性,从而得出如下结论:(1)列车在横向风中行驶时,选择列车的气动升力为例,以200 km/h和300 km/h运行的列车在风速从15.1m/s逐渐增加到30.0 m/s分别增加了340.6%和337.2%的气动升力;在风速为15.1 m/s,22.2 m/s和30.0 m/s时,车速从200 km/h增加到300 km/h时,分别增加了18.3%、19.1%和20.1%的气动升力。由此可知,在横向风环境下列车车体所受的气动升力随着车速和风速的提高而逐渐增大。(2)在横风环境下,列车的迎风侧大部分区域受正压,背风侧大部分受负压,最大正压区域为头车鼻尖处,空气流速在列车上端拐角边缘最高。根据列车长度方向,列车两侧的压强差逐渐减少。通过对高速列车的气动特性进行研究,从而为高速列车风灾防治和运行安全管理提供参考,以及为制定具有自主知识产权的高速风灾安全预警控制系统提供了科学依据。