CFD数值仿真建模技术研究及其在高速动车组中的验证

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 计算流体动力学概述
• 1.1.1 计算流体动力学的研究及发展
• 1.1.2 国外研究现状
• 1.1.3 国内研究现状
• 1.1.4 国内外研究趋势
• 1.2 高速动车组性能设计需要CFD技术
• 1.2.1 国内高速动车组研究及存在问题
• 1.2.2 高速动车组空气动力内流场研究
• 1.2.3 高速动车组空气动力外流场研究
• 1.3 基于CFD的气动力学优化设计
• 1.4 本文主要研究内容
• 本章小结
• 第二章 CFD理论基础及建模关键技术
• 2.1 流体流动问题的数值方法
• 2.2 流体流动问题数值计算的主要过程
• 2.2.1 建立物理与数学模型
• 2.2.2 选择坐标系
• 2.2.3 建立网格
• 2.2.4 确定建立离散方程的方法
• 2.2.5 选择对流项与扩散项的离散格式
• 2.2.6 边界条件与初始条件的离散
• 2.2.7 选择流场计算算法
• 2.2.8 求解代数方程组
• 2.2.9 后处理与准确性评判
• 2.3 有限体积法的技术路线
• 2.3.1 生成计算网格
• 2.3.2 建立离散方程
• 2.3.3 求解离散方程
• 2.3.4 一维瞬态问题的有限体积法
• 2.4 湍流的定义及其计算方法
• 2.4.1 三类数值计算方法
• 2.4.2 常用湍流模型
• 2.5 CFD建模中的关键技术
• 2.5.1 并行计算
• 2.5.2 参数化建模
• 2.5.3 划分网格的技巧
• 2.5.4 建模技巧
• 本章小结
• 第三章 拟似冲击波的数值仿真及试验验证
• 3.1 拟似冲击波数值仿真
• 3.1.1 拟似冲击波
• 3.1.2 激波的捕捉方法
• 3.1.3 马赫数4拟似冲击波数值仿真
• 3.2 马赫数4拟似冲击波纹影显示试验
• 3.2.1 纹影法的基本原理
• 3.2.2 马赫数4拟似冲击波纹影实验装置
• 3.2.3 马赫数4拟似冲击波纹影实验结果
• 3.3 马赫数4拟似冲击波液晶试验
• 3.3.1 液晶显示技术概述
• 3.3.2 液晶显示试验装置
• 3.3.3 液晶显示试验结果
• 3.4 数值仿真与试验结果对比
• 3.4.1 马赫数4拟似冲击波CFD计算以及与试验的对比
• 3.4.2 马赫数4拟似冲击波的静压和速度分布
• 3.4.3 马赫数4拟似冲击波非对称性讨论
• 3.5 方管内马赫数1.83拟似冲击波数值仿真
• 3.5.1 模型简介
• 3.5.2 仿真计算及与试验对比
• 3.5.3 马赫数1.83拟似冲击波静压和速度分布
• 本章小结
• 第四章 高速动车组内场建模及应用
• 4.1 流固耦合建模及列车水箱起皱分析
• 4.1.1 流固耦合建模理论分析
• 4.1.2 建摸
• 4.1.3 仿真结果及分析
• 4.2 优化设计及其在机车离心风机应用
• 4.2.1 数值模拟方法
• 4.2.2 原始模型数值计算结果与分析
• 4.2.3 优化模型数值计算结果与分析
• 4.2.4 基于OPTIMUS与FLUENT的离心通风机集流器优化
• 4.3 CFD数值仿真在空调通风系统中应用
• 4.3.1 我国铁路客车空调通风的研究现状
• 4.3.2 采用数值仿真的必要性
• 4.3.3 空调通风系统的物理与数学模型
• 4.3.4 仿真结果及讨论
• 4.3.5 数值模拟与试验结果对比
• 4.4 数值仿真在涡轮增压器叶轮中应用
• 4.4.1 数值计算
• 4.4.2 数值仿真结果及分析
• 本章小结
• 第五章 高速动车组外流场建模及应用
• 5.1 高速动车组外流场气动性能仿真
• 5.1.1 建摸分析
• 5.1.2 计算方法
• 5.1.3 速度270km/h高速车数值仿真
• 5.1.4 列车阻力随速度变化的规律
• 5.1.5 列车尾流场变化规律
• 5.2 动车组外流场气流噪声仿真
• 5.2.1 噪声计算
• 5.2.2 大涡模拟方程
• 5.2.3 声学波动方程
• 5.2.4 计算结果与分析
• 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢