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《大连交通大学》 2006年
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CFD数值仿真建模技术研究及其在高速动车组中的验证

王东屏  
【摘要】: 计算流体动力学(CFD)技术是20世纪90年代以来工程应用基础研究的一大突破,也是本世纪的重要发展方向之一。论文首先给出了CFD的定义和内涵,并对国内外CFD技术的研究现状及发展趋势进行了综述。 高速动车组(HST)是铁路机车行业中的复杂产品之一,论文讨论了在空气动力领域降低HST物理样机投资风险的可行性及紧迫性。在HST设计中,有一系列空气动力内流场及外流场问题需要解决,一个典型的例子是随着列车速度提高,气动阻力剧烈增加,以至于气动性能起更重要的影响。所以,本文主要致力于研究如何建立一些有价值的CFD模型,并且将这些模型应用到HST设计中。本文的研究内容包括: 考虑到模型质量的重要性,论文首先对二维马赫数4和1.83(M4和M1.83)拟似冲击波流动进行数值仿真及试验验证。由于激波是一个非常薄的间断面,如何能准确捕捉到激波是计算流体动力学的难题之一。同时,采用纹影实验和液晶实验对拟似冲击波的结构和边界层流动进行分析。计算结果与试验结果对比的良好一致性说明了论文采用的CFD模型具有很高的精度。对M1.83拟似冲击波也进行了数值仿真及验证。仿真获得的实验难以得到的拟似冲击波内部参数变化对认识拟似冲击波内部流动结构和流动机理有很大的帮助。此项研究为后续的动车组内外流场数值仿真建模的感悟极有帮助。 其次,针对高速动车组内外流场的实际工程问题创建了一系列仿真模型,其仿真结果获得了工程验证。 1.关于内流场 (1)基于液固耦合,对水箱晃动的多相流问题进行CFD数值模拟,提取了水对水箱各个部位中最具破坏的压力波产生的作用力,并以此提供给有限元模型计算它的最大响应。屈曲分析结果与水箱实际破坏情况基本吻合,说明流固耦合计算模型可靠。 (2)针对离心风机一类问题,对机车离心通风机进行了CFD数值模拟与流场优化,获得增加风压的方案,为高效率离心通风机的设计提供了一个有用的范例。 (3)针对空调通风均匀性问题,对列车的风道和车内气流组织进行建模与仿真计算,数值仿真结果与实验结果基本符合,证明所创建的CFD仿真模型可靠。 (4)针对涡轮增压器压气机叶轮三维流动问题,对转速21720r/min、压比3.1的机车涡轮增压器压气机叶轮内的三维流场进行CFD建模与数值仿真,捕捉到了叶轮中长短叶片的吸力面上存在超声速流动现象。 2.关于外流场 (1)针对高速列车气动外流场进行了CFD建模与数值仿真,获得了列车阻力随速度的变化规律、列车表面压力系数分布和高速列车尾流场的变化规律,加深了对外流场流动规律的认识。 (2)针对气动噪声问题,采用大涡模拟算法,获得高速列车周围观察点上的声压、声压级的变化规律,并对同一时间下功率谱密度随频率的变化规律进行了研究,提供了利用CFD进行空气动力噪声分析的技术路线。 论文创新点: (1)首次针对M4拟似冲击波的非对称现象进行了数值仿真。计算结果与试验结果的一致性证明了CFD模型的可靠性,仿真计算揭示的拟似冲击波内部流动参数变化规律对深刻认识其复杂的流动机理具有重要意义。 (2)首次对M4的拟似冲击波流动现象进行了液晶显示实验。试验获得了边界层分离、再附着等重要流动特征。基于试验结果分析,首次提出了应使液晶在受测表面上轻微流动的新观点,填补了国内采用液晶显示技术研究拟似冲击波边界层流动的空白。 (3)首次对我国高速动车组CFD内外空气动力流场进行了一系列建模研究。其中包括:列车空调通风系统,机车离心通风机,列车水箱晃动、高速列车远场空气动力噪声等,仿真结果的工程验证表明了模型的可靠性。
【学位授予单位】:大连交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2006
【分类号】:U266

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【引证文献】
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3 伍志英;高速铁路声屏障空气动压力数值模拟与分析[D];西南交通大学;2010年
4 戚振宕;高速列车明线会车气动特性研究[D];西南交通大学;2010年
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6 陈琳;CRH2型高速列车空调系统与车内流场质量分析[D];西南交通大学;2011年
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【参考文献】
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10 王东屏,兆文忠,杉山弘,東條啓;马赫数4二维直管内拟似冲击波实验和数值研究[J];航空学报;2005年04期
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【共引文献】
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9 丁士杰;冯守志;;简放工作面采空区自燃三带观测及数值模拟研究[J];安徽建筑工业学院学报(自然科学版);2010年06期
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3 张延芳;陈槐卿;黄华;;水平旋转生物反应器的数值模拟[A];第八届全国生物力学学术会议论文集[C];2006年
4 孙丽霞;卢晨光;;FLUENT在刷式密封中的应用[A];第三届中国CAE工程分析技术年会论文集[C];2007年
5 王美利;张洪波;焦伟伟;黄玉平;;CFD仿真技术在产品设计中的应用[A];第三届中国CAE工程分析技术年会论文集[C];2007年
6 盛磊祥;陈国明;张彦廷;;基于CFD的动态水力旋流器正交试验分析[A];第三届中国CAE工程分析技术年会论文集[C];2007年
7 郭伟;宋欣;张雪;许红静;;水轮发电机流固热耦合仿真分析[A];第三届中国CAE工程分析技术年会论文集[C];2007年
8 代晓淦;吕子剑;申春迎;向永;;两种尺寸JOB-9003炸药慢速烤燃试验及数值模拟研究[A];第八届全国爆炸力学学术会议论文集[C];2007年
9 蒋海军;阎超;;两级入轨飞行器激波间干扰绕流的数值模拟[A];第十三届全国激波与激波管学术会议论文集[C];2008年
10 赵玉新;易仕和;田立丰;何霖;程忠宇;;基于纳米粒子的平面激光散射技术[A];第十三届全国激波与激波管学术会议论文集[C];2008年
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3 高晓阳;甘肃河西大麦麦芽干燥控制系统研究[D];甘肃农业大学;2010年
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5 王春林;旋流自吸泵设计及内部流动研究[D];江苏大学;2010年
6 付强;1000MW核电站离心式上充泵水力设计与结构可靠性研究[D];江苏大学;2010年
7 杨陈;低噪声轻量化单缸柴油机的虚拟设计技术研究[D];浙江大学;2009年
8 刘显茜;生物多孔材料非稳态收缩及其对传热传质影响研究[D];昆明理工大学;2010年
9 孙克国;注浆控制岩溶隧道突水地质灾害的机理和模拟方法研究[D];山东大学;2010年
10 宋新玉;镍基合金Inconel 718高速切削刀具磨损机理研究[D];山东大学;2010年
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1 张战锋;塞流式厌氧发酵反应器物料流场的CFD模拟[D];华中农业大学;2010年
2 王高飞;通风方式对气流组织和室内空气品质的模拟研究[D];河南理工大学;2010年
3 王发辉;基于FLUENT的干法磁分离机理的数值模拟[D];河南理工大学;2010年
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6 刘欣丽;液压支架双伸缩立柱承载特性研究[D];山东科技大学;2010年
7 苏超;变压吸附管道流体动力学特性研究[D];山东科技大学;2010年
8 王珺;山区风特性参数与自锚式悬索桥的静风稳定性研究[D];山东科技大学;2010年
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【同被引文献】
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2 庄达民,林国华,袁修干,王晓新;高速列车通风设计方法的研究[J];北京航空航天大学学报;2000年01期
3 赵丽滨;龙丽平;蔡庆云;;列车风致脉动力下声屏障的动力学性能[J];北京航空航天大学学报;2009年04期
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6 黄玉坤,田晓丽;列车错车时的空气流场分析[J];测试技术学报;2002年01期
7 曾剑明,陈南翼,王开春;列车周围流场数值研究[J];长沙铁道学院学报;1998年02期
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10 巫江虹,吕翠英,刘磊;现行空调列车空调品质调查[J];低温与特气;2001年04期
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3 周晓泉;复杂边界条件下的三维紊流数值模拟研究[D];四川大学;2003年
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1 黄海波;涡轮叶片中流场和温度场计算及实验研究[D];中国科学院研究生院(工程热物理研究所);2002年
2 唐振明;高速列车车头外流场的三维数值模拟[D];大连理工大学;2003年
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【二级引证文献】
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1 赵晶;高速列车通过隧道时气动影响研究[D];西南交通大学;2011年
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1 宋瑞斌;高速列车通过桥梁时相互气动性能的数值研究[D];中南大学;2011年
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【二级参考文献】
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6 陈云娜;浅谈地铁环控通风[J];地下工程与隧道;1995年03期
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10 瞿晓华;陈江平;;轿车除霜CFD分析与试验验证[A];上海市制冷学会2007年学术年会论文集[C];2007年
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1 实习生 黄兰 本报记者 李林岩;挑战“极限”[N];吉林日报;2009年
2 本报记者 刘垠 闫松;中国高铁速度从哪里来[N];大众科技报;2010年
3 林刚张子倩 本报通讯员 邬群亮 窦新;“和谐号”→中国造→青岛骄傲[N];青岛日报;2007年
4 记者 高李鹏 郭丽;我国新一代高速动车组将于今年年内下线[N];人民铁道;2010年
5 苏民;我国铁路进入全新高速列车时代[N];经济日报;2007年
6 记者 和平;百列国产新一代高速动车组将于2011年驶上京沪高铁[N];人民铁道;2009年
7 记者 王小润;新一代高速动车组研发工作全面启动[N];光明日报;2009年
8 吴可超 宋焕民;再创“中国速度”[N];中国经济导报;2011年
9 欧阳洁;时速300公里动车组年底问世[N];人民日报;2007年
10 徐扬刘诗平;飞鸟不知提速快,频频撞车为哪般[N];新华每日电讯;2007年
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4 康国兵;水力式流浆箱关键技术机理研究与CFD应用[D];华南理工大学;2011年
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6 马千里;CFD非结构化网格流场体可视化方法研究[D];国防科学技术大学;2011年
7 杨方飞;机械产品数字化设计及关键技术研究与应用[D];中国农业机械化科学研究院;2005年
8 何漫丽;水下自航行器水动力学特性数值计算与试验研究[D];天津大学;2005年
9 胡效东;基于CFD仿真和试验的抗性消声器研究[D];山东大学;2007年
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2 赵鹏飞;船用螺旋桨敞水和空化性能CFD预报[D];大连理工大学;2011年
3 徐瑛杰;尾迹面法在CFD气动力计算中的应用研究[D];南京航空航天大学;2010年
4 陈雪宇;建筑排水系统CFD模拟研究[D];南华大学;2010年
5 王宏亮;轴流式油气混输泵单个压缩级叶轮流场CFD模拟分析[D];兰州理工大学;2005年
6 余鑫;汽车液力变矩器内流场的数值分析[D];吉林大学;2005年
7 刘震卿;桥梁墩台局部冲刷与CFD仿真研究[D];湖南大学;2010年
8 任吉超;大口径复合式气体分布器流场CFD模拟和实验研究[D];天津大学;2010年
9 富影杰;基于CFD的螺旋槽干气密封微间隙流场及密封性能研究[D];兰州理工大学;2010年
10 吕培培;基于CFD的民机翼身整流罩气动外形优化方法研究[D];上海交通大学;2011年
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