基于CFD的客车空气动力学分析

为了解决客车在高速行驶时,气动阻力急剧增加,耗油量增加的问题,针对某国产大型客车的简化模型及改进模型,应用计算流体力学原理和方法对模型的外流场进行了数值模拟,得到了两种客车模型的表面压力分布、速度矢量分布以及气动阻力系数等气动特性.对比分析表明:增大前围与顶部的圆角可以降低客车气动阻力,但是对后部流场影响很小.     

基于中国气象风速数据的汽车风平均阻力系数

空气动力学阻力是汽车行驶阻力的重要组成部分，也是汽车能耗的重要来源。汽车在真实道路环境中行驶受到道路自然风的影响，为了准确计算和评价汽车在真实道路环境中行驶的气动阻力特性以及能源消耗，提出了循环工况风平均阻力系数计算方法。首先，通过分析气象数据获取近地区域自然风的分布特征，进而分析不同地形条件下汽车的偏航角概率分布特征，通过数值计算的方法分析汽车气动阻力系数随车速和偏航角的变化规律，并基于偏航角的概率分布特征计算获得了给定车速的风平均阻力系数，最后，提出循环工况风平均阻力系数的计算方法，并分析了不同地形条件和速度区间对汽车气动阻力的贡献量。结果表明，对于本文研究的车型，循环工况风平均阻力系数高于零偏航工况的阻力系数9.2%和7.3%，城市工况对气动阻力系数的贡献量小于5%，40 km/h及以上车速区间均对气动阻力系数有较大的贡献量。     

4种车型横向气动性能分析与比较

根据二维定常不可压缩Navier-Stokes方程和k-ε双方程紊流模型，采用有限体积法对客车、敞车、棚车和罐车4种不同外形铁路车辆在路堤高度、横风风速相同条件下的横向气动性能进行分析与比较。研究结果表明：对于车顶外形为圆弧形的车型，空气流过圆弧形车顶时流速增加，压力下降，故其升力较大；对于车顶外形为钝形的车型，车体迎风面正压区域较大，而背风侧产生较大的漩涡区，在此区域内压力较小，故其侧向力较大；在横风作用下，客车、敞车、棚车和罐车4种车型中，罐车的侧滚力矩最小，稳定性最强，敞车和客车次之，棚车的侧滚力矩最大，其稳定性最弱；在进行强横风地段挡风墙优化设计时，可将棚车作为设防车型，以保证所有列车在强横风地段运行安全。     

直升机旋翼结冰后三维桨叶气动特性数值分析

针对直升机旋翼桨叶结冰问题,研究了结冰前后三维旋翼桨叶气动特性.基于多参考系模型建立了旋翼桨叶三维结冰数值模拟方法,对其中空气流场计算、水滴撞击特性计算、结冰生成计算和几何模型重构等步骤进行了介绍.以C-T旋翼为模型,计算分析了结冰对旋翼桨叶气动特性的影响.计算结果表明,结冰后旋翼桨叶升力降低、阻力增加,悬停性能下降明显.结冰破坏了桨叶各个截面原有的气动外形,导致涡的产生,使得截面气动特性恶化.     

轿车开窗行驶时的气动阻力分析

基于计算流体力学(CFD)的数值模拟方法,研究了轿车行驶时不同开窗情况下整车的气动阻力.根据轿车不同的车窗开窗情况,将汽车开窗行驶分成9种情况进行数值模拟,获得了整车的气动阻力系数以及室内流场分布情况.通过流场的显示分析推测气动阻力增加的原因,评价了不同开窗情况下汽车驾驶室内的通风效果.根据汽车理论,分析了开窗行驶对汽车燃油消耗的影响,给出了汽车开窗行驶的建议.研究结果表明:低速(低于90 km/h)行驶时,开窗行驶增加的燃油消耗低于开空调增加的燃油消耗;汽车低速行驶开窗能够对驾驶室进行很好的通风降温,不会大幅提高燃油消耗.车速高于90 km/h时,汽车气动阻力明显增大,功率消耗也快速增加,高速行驶打开车窗,室内的噪声会突然增大.     

双层集装箱车辆和棚车气动性能的比较

基于三维定常不可压Reynolds时均Navier-Stokes方程和k-ε双方程模型,采用有限体积法对横风、路堤、挡风墙等环境耦合下运行的双层集装箱车辆和棚车的气动性能进行数值分析.研究结果表明:双层集装箱车辆周围流场较棚车复杂,前者横向力与侧滚力矩均比后者的大;无挡风墙时,双层集装箱车辆和棚车的气动力与路堤高度均呈线性关系,前者横向力及侧滚力矩与路堤高度的线性比例系数均比后者的大,分别为5.37和-11.09,对棚车则分别为3.53和-10.46;有挡风墙时,两车的气动力差值随路堤高度增加而减小,路堤高度0 m时其差值最大,前者横向力较后者大57.12 kN,侧滚力矩则大177.11 kN·m;设置挡风墙后,车辆横向力和侧滚力矩大大减小,路堤高度越高,减小幅度越明显,表明挡风墙对提高大风区尤其是高路堤区段的车辆气动性能效果显著.     

前轮扰流板高度对复杂轿车风阻的影响

以较真实的复杂车体为研究对象,分别对旋转与静止工况下,前轮扰流板高度对整车气动阻力的影响进行了数值研究,计算采用定常雷诺时均纳维斯托克斯方程.针对数值计算结果,对静止与旋转车轮周围流场的流动情况、车身阻力积分曲线等数据的详细分析,得到结论:旋转与静止工况下,整车气动阻力系数均随车轮扰流板高度的增加呈现先减小后增大的趋势,前轮扰流板有利于整车气动性能和机舱散热性能的提高,但须对其高度进行优化,合适高度的前扰流板可使整车气动阻力系数较小且机舱进气量较大.     

弯道会车的瞬态气动特性

应用计算流体力学方法,采用重叠网格的策略,对两个简化SAE模型的弯道会车进行了数值模拟研究,获得了两车气动六分力的变化规律.在极短的会车过程中,侧向力、侧倾力矩和横摆力矩都发生了方向的变化,迅速达到各自的正负极值,处在内侧弯道车辆1的侧向力、侧倾力矩和横摆力矩的值略大于外侧弯道车辆2.升力和纵倾力矩也发生了数值和方向的改变,这些都会对车辆的行驶稳定性带来一定的影响,为进一步研究弯道会车的瞬态气动特性提供了理论参考.     

减载式声屏障对高速列车气动阻力影响分析

针对采用声屏障时,高速列车运行过程中表面气动阻力较大的问题,提出利用减载式声屏障降低列车运行过程中受到的气动阻力.采用数值模拟方法,对采用不同孔隙率声屏障时高速列车运行过程中表面的气动阻力及其影响因素进行研究.利用Gambit软件建立了声屏障与高速列车相对运动计算模型;在声屏障孔隙率不同时,采用Fluent软件对350 km/h速度行驶的高速列车表面压强分布和气动阻力进行了数值模拟与分析研究.研究结果表明:与普通声屏障相比,随着减载式声屏障孔隙率的增加,列车头车高压区和尾车低压区的面积减小,列车行驶的压差阻力降低,而摩擦阻力变化不大;减载式声屏障具有一定的节能效果,并且随着减载式声屏障孔隙率的增大,节能效果更加明显.     

基于计算流体力学的空中回收锥套气动特性分析

无人机空中回收是指当无人机完成飞行任务后,载机在空中对其回收的技术。当前回收的方法是载机舱门打开,伸出一套绳索-锥套系统,无人机头部安装捕获杆,插入锥套并锁紧,绳索将锥套和无人机一起拖回舱内。若要完成自主控制的空中回收,要准确掌握空中回收锥套的气动特性。基于计算流体力学(CFD)研究了国外某型锥套的气动特性,并与风洞实验值进行比较,误差在合适范围内。通过CATIA改变锥套支柱的数量、展开角,构建了锥套的子模型以及改变来流空速、迎角等条件,用CFD计算的方法分别计算了不同状态下锥套的气动阻力,通过分析比较可以得出结论:稳定伞是锥套阻力的主要来源。锥套支柱数量越多,阻力系数越小,来流迎角增加,锥套阻力系数减小,锥套支柱展开角增加,锥套阻力系数增加。而空速对阻力系数几乎没有影响。该方法计算了不同影响因素变化时的锥套阻力系数,为工程中分析锥套阻力特性提供了重要依据。     

汽车雨刮器的瞬态气动特性

通过编译用户自定义函数(UDF),利用动网格技术,通过数值计算得到雨刮器的瞬态气动特性,并进行风洞试验验证。通过分析前风窗及雨刮器表面的压力及流场分布,探讨作用在主、副雨刮器上气动升力及气动阻力的变化规律及其对雨刮器稳定性的影响,并引入6个离散位置的稳态计算以进行对比分析。研究结果表明:雨刮器在刮刷过程中受到的气动升力及气动阻力存在最大值,且遵循一定的变化规律,下行时受到的气动升力及气动阻力比上行的大,上行时受到的气动升力及气动阻力大于稳态值,作用在主雨刮器的气动升力及气动阻力比副雨刮器的大;采用的数值模拟方法充分捕捉到雨刮器刮刷过程中的动态效应,所得部分结果与风洞试验结果相吻合,可用于雨刮器的设计与气动特性评价。     

高速列车底部结构参数对气动阻力作用规律

高速列车的转向架区域是气动减阻研究的重点.通过样条曲线方法建立了高速列车底部结构的7参数化模型,采用计算流体力学及超拉丁立方抽样试验设计方法,研究了底部结构参数对高速列车气动阻力的影响规律.结果表明:底部结构参数对于三车总阻力、头、中、尾各节车气动阻力的影响分别为27%、37%、39%和22%,三车气动阻力对裙板高度、排障器厚度、舱前缘倒角最为敏感.但头、中、尾车影响规律不同于三车,有必要考虑对头、中、尾三车底部结构分别进行气动设计,以达到最优的减阻效果.底部结构参数主要影响列车底部平均流速改变底部结构所受气动阻力,进而影响高速列车气动阻力.     

不同表面形式沟槽对集装箱列车气动阻力特性的影响研究

针对铁路单层集装箱表面结构单一、气动阻力特性差等问题，本文设计了适用于集装箱的三角形、梯形、弧形和矩形表面形式沟槽结构.利用ANSYS Fluent软件，采用基于Realized k-ε湍流模型和SIMPLE算法，对比了4种不同表面形式沟槽的集装箱列车模型的气动阻力，结果表明：明线情况下，弧形沟槽结构集装箱列车气动阻力最小；不同表面形式沟槽结构的集装箱列车所受的气动阻力差异主要来自于集装箱；集装箱的压差阻力贡献了主要的气动阻力，弧形沟槽结构集装箱压差阻力最小，而摩擦阻力最大.     

井字型格栅对减小厢式货车气动阻力的数值模拟

为了提高货车的燃油经济性,对厢式货车的气动阻力进行了研究.采用κ-ε紊流模型对增加井字型格栅前后厢式货车的外流场进行CFD数值模拟,得到两模型周围的速度场和压力场.通过分析对比,增加井字型格栅后厢式货车的气动阻力明显降低.     

外后视镜内侧夹角对气动噪声的影响

为探究外后视镜内侧夹角对气动噪声的影响,本文使用某SUV模型进行研究,对后视镜内侧夹角进行等角度参数化设计,采用Realizable k-ε和基于WMLES亚格子应力模型的大涡模拟（LES）进行气动噪声数值计算,通过风洞试验验证了仿真计算结果的正确性。通过对比前侧窗表面的平均声压级,得出最佳夹角优化方案。对原模型和最优夹角方案的流场分布云图和声压级频谱曲线进行分析,结果表明：与原模型相比,后视镜内侧夹角为5°时,后视镜尾部流场得到较好地改善,涡流强度较小,有利于降低后视镜气动噪声,最大降幅为6.8dB。     

航空CFD高性能计算应用研究

应用万核级并行流场数值模拟软件CCFD,在深腾7000高性能计算机上对飞机高速巡航构型阻力和低速增升装置性能预测进行了计算研究,比较了不同规模网格、湍流模型对计算结果的影响,并且将高性能计算与常规计算的工作效率进行了比较.飞机高速巡航构型阻力和低速增升装置性能预测的计算结果与试验结果较为接近,可见:CCFD软件的常规气动计算精度较高;高性能计算技术可有效提高数值计算的可靠性及工作效率;单纯增加网格规模,而不进行算法升级,对复杂问题计算精度的提高有限.     

翼型阻力计算方法的数值模拟研究

翼型阻力是评定翼型气动特性的重要气动参数之一,翼型测压实验时主要用动量法测量阻力,也就是根据尾迹区某截面的动量损失来计算翼型阻力。本文首先用数值模拟方法获得翼型流场全部信息,然后分别用翼面压力、粘性力积分和尾迹动量损失积分两种方法获得阻力,并对它们的结果进行比较分析,以确定在使用尾迹积分法计算阻力系数时的最佳积分截面和尾迹排架的最佳安装位置。     

阻力伞-灵巧子弹系统气动及稳定性研究

为研究阻力伞-灵巧子弹系统空气动力学特性及气动特性对系统飞行动稳定性的影响,应用系统动力学和计算流体力学对非轴对称弹体外形进行了对比仿真,分析了子弹和阻力伞气动流场,与风洞试验进行了对比;为优化伞-弹系统气动特性,提高打击效率提供了数据支持,同时建立伞-弹弹道模型进行系统弹道仿真,归纳了气动数据、开伞时间对系统动稳定性影响规律.结果表明非对称外形对子弹气动特性影响不大,系统气动特性稳定,合适的开伞时间和气动参数对动稳定性有一定影响.      

车轮宽度对轿车风阻的影响

针对某三厢轿车,采用计算流体动力学(CFD)数值计算方法,研究车轮宽度对整车气动性能的影响.通过综合分析不同宽度孤立车轮周围的流场结构变化及具有不同宽度车轮的整车周围流场的结构特性,得到结论:车轮宽度每减小5%,单车轮模型气动阻力约减小9.2%,整车模型气动阻力约减小2%.这是因为减小车轮宽度可以减小车轮两侧的气流分离,缩小尾部涡流区域,降低车轮及汽车尾部湍流强度,从而有助于降低车轮及整车气动阻力.     

青藏线棚车在强横风下的倾覆稳定性

采用缩比棚车模型风洞实验的方法研究棚车在5 m高路堤和15 m高桥梁上的气动性能,得到气动力系数与侧滑角之间的关系,在此基础上,根据静力矩平衡原理建立棚车整车在轨道上倾覆及车体在转向架上倾覆的数学模型,得到车辆在直线和曲线上运行时车辆运行车速和临界倾覆风速关系.研究结果表明:路堤或桥梁上棚车的气动力系数均随着侧滑角的增大而增大,在桥梁上侧滑角为75°时达到最大值,之后稍微降低;车体在转向架上倾覆时的临界风速小于车辆整车在轨道上倾覆的临界风速,车辆的安全速度限值应当以车体在转向架上倾覆为基础进行研究;车辆在曲线上静止时,其在路堤和桥梁上的临界倾覆风速分别为37.0和39.5 m/s,当车速为100km/h时,其临界倾覆风接近30 m/s;若车辆在直线上静止时,其在路堤和桥梁上的临界倾覆风速分别为45.0和49.0 m/s,当车速为120 km/h时,在路堤或桥梁上棚车的临界倾覆风速接近33 m/s.