箱体式活动沙障风沙流场特征

研究在野外调查的基础上,采用计算流体力学三维数值建模方法并结合室内风洞试验,分析了箱体式活动沙障在孔隙率与风速变化作用下的控沙特点及其周围风沙流场的演化过程。分析结果表明:在沙障的控制下,顺着风向在沙障前后依次出现减速区、减速上扬区、加速区与障后涡流区,在沙障腔体内形成明显的腔内减速区与涡流区,过境风沙流在沙障的减速区、障后涡流区与腔体内发生沉落,可见箱体式活动沙障发挥了控沙作用;随着风速增大,障前减速上扬区高度增大,但沙障迎风侧孔隙率的变化对减速上扬区高度没有影响;当沙障迎风侧横板孔隙率小于5%时,对来流的消减效果显著,积沙在沙障前卸载,不能充分发挥沙障背风侧涡流区的控沙作用;当孔隙率大于25%时,沙障能够充分发挥控沙作用,在沙障的迎风侧、背风侧与腔体内都有积沙卸载;当孔隙率继续增大至30%时,沙障控沙效果没有明显提高;选定孔隙率为30%条件下,随着风速的增大,沙障后积沙增加,沙障腔体内积沙减少,而沙障迎风侧积沙出现先增加后减少的变化趋势。     

横风下复线路堤高度对高速列车气动性能的影响

利用Creo软件建立了某型动车组头中尾3车编组和不同高度的路堤模型,通过Fluent软件模拟列车在车速分别为300和350 km·h-1,横风风速分别为17.10、20.70、24.40和28.40 m·s-1的环境下运行,将获取的高速列车气动力载荷施加到Simpack建立的动力学模型中,计算其动力学性能参数;深入分析了横风工况下高速列车在不同高度复线路堤背风侧运行时车体的压力分布、气流场结构、气动力与风致安全性,并重点探究了头车在不同运行速度和横风风速下的运行安全性。分析结果表明:在相同车速和横风环境下,随着路堤高度的增加,列车受到的侧向力整体呈增大趋势,尾车在横风作用下受到反向侧向力,头车所受侧向力最大,且升力持续增大,中间车所受升力相对较大,尾车所受阻力最大;横风环境下列车压力峰值点位于头车鼻尖处且向迎风侧偏移,各路堤高度工况下气流场结构基本相同,头车背风侧和底部转向架处有明显的涡流,但尾车处的涡流却在迎风侧,这可能是导致尾车反向侧向力的主因;脱轨系数、轮轴横向力、轮轨垂向力和轮重减载率均随路堤高度和横风风速的增大而增大,轮轨垂向力始终在安全限值内,当横风风速分别为24.40和28.40 m·s-1时,列车运行速度应分别低于350和300 km·h-1,以保证列车行车安全。      

铁路缓和式路堤的风沙流场数值模拟研究

沙漠地区的铁路时常面临风沙危害,常对列车的运行安全及维修造成严重影响,因此铁路沿线布置了多种风沙防护设施.缓和式路堤可能会减小风阻,使风沙快速流过路堤,因此其风沙流特性有待验证.以缓和式路堤为研究对象,采用欧拉双流体模型,以风速廓线作为边界条件,利用流体力学软件对比分析不同结构路堤周围的风沙流场,在此基础上揭示了不同摩阻风速对路堤积沙的影响.研究结果表明:各种路堤周围的流场均形成了减速区、回流区及加速区;在两侧下凹坡路堤的顶面出现较强涡流,最小风速是普通路堤的2.3倍,同时在路堤背风坡中部和回流区尾部之间形成长达45 m的回流区;两侧下凹坡结构有利于减弱风沙运动阻力,使这种路堤积沙量最少,比普通路堤低17.5%;当摩阻风速适中时,两侧下凹坡路堤顶部形成较强回流,输沙作用明显.因此,两侧下凹坡的缓和式路堤有助于风沙快速通过轨道,是一种输沙性能良好的路堤结构.     

降雨环境下大气底层边界型风场对高速列车气动特性影响

采用大气底层边界速度型风场模拟自然风和Marshall-Palmer雨滴谱模型,应用离散相模型研究了风雨联合作用环境下列车运行时气动特性的变化情况.结果表明:雨滴颗粒的加入扰乱了列车周围气流的正常流动,减轻了列车背风侧气流漩涡的脱落,列车迎风侧和背风侧的压力差减小;降雨强度对列车气动特性影响不大,从20 mm/h增大到100 mm/h,受影响最大的横向力仅增大了9.11%;风雨耦合环境下列车的运行速度对气动阻力影响较明显,列车时速从200 km/h到400 km/h,阻力增大了102%;随着车速增大,车辆所受横向力与升力的变化规律与车辆在列车中的位置相关,头车所受到横向力明显增大,而尾车的横向力则呈减小趋势,而所受升力正好相反,头车呈减小趋势,尾车则明显升高.     

侧风下高速列车车体与轮对的运行姿态

应用流体动力学理论,建立了高速列车空气动力学模型,计算了作用于高速列车车体上的气动力和气动力矩;应用多体动力学理论,建立了车辆系统动力学模型,分析了在不同风向角、侧偏角与合成风速下高速列车头车车体和轮对的运行姿态。计算结果表明:在不同侧风环境下,头车车体始终向背风侧横摆和侧滚;当风向角为90°时,车体的横向位移和侧滚角最大;当列车车速为350 km.h-1,侧风风速分别为13.8、32.6 m.s-1时,列车头车车体最大横向位移分别为74.2、171.7 mm,最大侧滚角分别为3.1°和8.4°;当列车车速为200 km.h-1,风速不小于32.6 m.s-1,且风向角为90°时,列车头车一、二位轮对均向背风侧横移,背风侧车轮易发生爬轨现象,三、四位轮对均向迎风侧横移,三位轮对迎风侧车轮易发生爬轨现象;四位轮对的横移量和摇头角均小于前三位轮对,相对安全。     

基于FLUENT的直流漏沙式风沙风洞研究

目前的风沙风洞大多适用于风沙地貌、风沙环境的研究以及防护治理，而用于结构风工程的风沙风洞很少,因为其需要在一定高度处能够实现风速和风沙浓度可调的均匀稳定段.为了研究直流漏沙式风沙风洞中风沙流的分布规律，运用FLUENT建立风洞模型，通过对已有的漏沙风洞试验进行数值模拟，验证了模型的正确性.进一步基于风洞风速、漏沙体积分数、漏沙速度等参数对风洞风沙流的影响规律，提出了一种新型的水平多口风洞漏沙装置.对该风沙风洞的分析表明:在试验模拟浓度的范围内，风洞风速越大，同一位置的沙粒分布高度越高；漏沙体积分数和漏沙速度主要影响单位时间内进入风洞的沙粒质量，且试验位置沙粒浓度的峰值与单位时间进入风洞的沙粒质量成正比；该风沙风洞可以得到约1/2风洞高度的沙粒浓度均匀试验段，并可以通过调节漏沙体积分数、漏沙速度和试验位置可得到试验所需的试验风速及对应的沙粒浓度，使其能很好地完成风工程中的风沙定量试验.      

高速列车转向架舱内流场实车测试与数值模拟

设计了一种高速列车转向架舱内流场状态测试装置。在无横风、横风速度为15m·s-1与端板角度分别为30°、45°、70°条件下对转向架舱内流场进行了数值模拟,并分析了裙板包覆对转向架舱内积雪形成的影响。试验结果表明:转向架舱内气流流动规律的实测结果与模拟结果相同,说明数值模拟可行;动气流由列车底部以及两侧裙板灌入转向架舱内,流经端板时产生流动分离现象,大部分气流由端板底部及两侧裙板后部排出;自头车往后,流经转向架舱内的气流速度逐渐减小,裙板处进气区域减小,裙板后部排气区域增大;雪粒大多由流经转向架舱底部的气流带入,然后在转向架流场影响下不断沉积而产生积雪;合理设置转向架舱端板角度可以减小冰雪在转向架舱内堆积的概率;包覆裙板并不能有效减少转向架舱内积雪,不建议采用。     

高速列车随车移动点的脉动风速模拟

以修正Karman风速谱为目标谱, 基于最小信息准则确定线性滤波法自回归模型的阶数, 采用线性滤波法和谐波叠加法模拟了高速列车随车移动点的脉动风速时间历程, 并验证了模拟结果的可靠性, 对比了2种方法模拟脉动风速均值、方差、幅频、相频等特征变量以及风速分布规律的差异, 并分析了2种方法的计算效率。分析结果表明: 采用2种方法得到的脉动风速功率谱密度均围绕目标谱波动; 脉动风速均值约为0, 由于随机数的使用, 使得脉动风速峰值在个别时间点存在差异, 且在低频区域得到的仿真谱差异可能超过50%;不同风向角下计算所得脉动风速均值的差异小于2%, 且脉动风速的分布规律几乎一致; 当列车运行速度为80m·s-1, 且距地面高度10m处平均风速为25m·s-1时, 2种方法得到的脉动风速峰值均值间的差异小于1%, 表明2种方法均适用于模拟高速列车随车移动点的脉动风速; 2种方法所得脉动风速幅值均随脉动风速频率的增大而减小, 相位在-π~π内波动, 脉动风速分布在-3~3m·s-1内的差异仅为0.48%;采用2种方法所得脉动风速点数满足高斯分布, 且高斯分布拟合系数最大差异为3.15%;采用线性滤波法模拟所得脉动风速波动比谐波叠加法大7.89%, 其稳定性劣于谐波叠加法; 采用线性滤波法的计算时间约为谐波叠加法的1/9, 其计算效率远高于谐波叠加法。      

高速铁路挡风墙高度和距离优化分析

为探讨挡风墙对列车横向气动性能的影响,基于可压缩粘性流体Navier-Stokes方程和k-两方程湍流模型,采用有限体积法,计算了列车在直线和不同半径曲线线路上运行时,不同挡风墙高度和距离的275种工况下列车侧向力和侧翻力矩,获得了最佳挡风墙高度和距离.研究结果表明:在列车速度为200~400 km/h,风速为20~40 m/s的条件下,列车在直线线路上运行的最佳挡风墙高度和距离分别约为1.90和3.90 m;当弯道半径为1 000~7 000 m时,曲线线路最佳挡风墙高度随弯道半径增大线性减小,最佳挡风墙距离与弯道半径关系不大,约4.50 m;风速和列车速度对挡风墙的最佳高度和最优距离影响很小;如果挡风墙高度过低或距离过近,头车和尾车所受侧向力和侧翻力矩方向不同.      

强侧风对时速350 km高速列车气动性能影响分析

采用NURBS曲面设计方法完成对某型高速列车头车的三维数字化设计建模,基于三维定常不可压的黏性流场N-S及k-ε方程湍流模型,利用有限体积数值模拟方法分析计算出列车的速度阻力函数关系,同时针对列车在不同风向角的强侧风环境中运行时压力场和速度场做了进一步研究。研究发现:在无风明线上运行时列车所受空气阻力与运行速度的平方成正比,侧风运行时随着风向角的扩大空气阻力系数呈现先增大后逐渐下降的变化趋势。流场分布结构复杂不规律,当侧风情况较为严重时正压区主要分布在迎风侧,负压区主要分布在背风侧和车顶部位,且负压表现更为强烈,列车前端滞止点向迎风侧发生偏移,致使迎风侧与背风侧产生巨大压差。     

湍流积分尺度对高层建筑风荷载影响的大涡模拟

为研究湍流积分尺度对高层建筑风荷载大小和分布的影响,研究其合理取值,基于大涡模拟开展了B类地貌不同湍流积分尺度下CAARC（commonwealth advisory aeronautical research council）标准高层建筑模型绕流模拟,并将模拟结果与风洞试验进行了比较.研究结果表明:大涡模拟能较好地反映高层建筑周围风场绕流特性和表面风压分布.随着湍流积分尺度的增大,平均运动的变形率向湍流脉动输入能量,以致平均风速降低、湍流强度增大;侧面风压脉动性降低15%、分离流附着提前出现;基底扭矩谱和弯矩谱的峰值及高频段幅值均减小;层斯托罗哈数在0.4倍建筑高度以下基本相同,随高度的增加其值下降20%~30%;层平均阻力系数下降5%~10%;迎风面风压系数平均值下降2%~5%,侧面和背面下降12%~17%.湍流积分尺度对迎风面和侧面上风向的风压水平相关性、层升力和0.8倍建筑高度以下的层阻力相关性的影响可以忽略.随湍流积分尺度的增大,风压水平相关系数增大,背风面增大5%~10%,侧面下风向增大15%~25%,0.8倍建筑高度以上层阻力相关性系数增大25%~50%.B类地貌湍流积分尺度的调整系数为0.4时,计算得到的风荷载与试验结果趋于一致.      

超高层建筑气动噪声场的大涡模拟

为揭示超高层建筑气动噪声产生的机理及空间分布特征,利用大涡模拟,在大气边界层内求解超高层建筑绕流场,结合FW-H （Ffowcs Williams-Hawkings）方程的声类比法进行了超高层建筑周围声压场的数值模拟. 研究发现:超高层建筑每个面均是偶极子声源,气动噪声是由建筑表面的偶极子声源产生,且受建筑表面风压主导,顺流向和横风向的脉动压力分别主导相应方向的声场辐射强度; 气动噪声沿高度方向先增大后减小,在0.7倍建筑高度附近噪声达到最大值; 在相同高度和离建筑表面相同距离的不同空间点,当空间点面对建筑迎风面时总声压级最大、背风面次之,侧风面最小; 随着空间点与建筑距离的增大,空间点总声压级快速衰减,且横风向较顺风向衰减更快. 研究认为:大涡模拟和声类比相结合的方法能合理预测超高层建筑的气动噪声;优化气动外形,降低建筑表面风压是降噪的最有效途径.      

挡雪防沙结构物风速场分析

牧区道路是一种比较特殊的道路形式,易受雪害和沙害的影响.文章利用有限元的方法分析了挡雪墙和挡沙墙、防雪栅板、导风板前后的风速场,模拟风雪流和风沙流在遇到以上防雪挡沙结构物时的速度场,从而提出牧区道路各种防雪挡沙结构物的合理位置、高度及形式.     

基于流固耦合求解的强横风下轨道力学分析

为研究强横风条件下轨道结构的力学特性，采用计算流体力学和有限元联合仿真，对轨道结构的受力和变形进行了分析. 首先采用SOLIDWORKS软件基于CRH380A型高速列车实际外形轮廓建模，然后通过FLUENT计算得到列车的气动特性，再与有限元软件ABAQUS联合仿真建立列车-轨道耦合模型；模型中完整地保留列车表面所受的气动力，解决了流固耦合中列车气动力的传递问题；最后基于建立的耦合模型，针对强横风作用下轨道结构的力学特性进行系统分析. 研究结果表明，当列车运行速度为350 km/h，风速从0变化到15 m/s时，钢轨背风侧处横向位移从0.177 mm增加到2.100 mm，增大了11.86倍，可见强横风条件下，要重点关注钢轨背风侧处横向力学特性；当风速超过15 m/s时，列车运行速度达到250 km/h，钢轨横向位移超出了最大允许值2.000 mm，表明长期的强横风作用将会导致轨道的几何形位发生改变，但此时轮重减载率和脱轨系数并未超出对应限值0.65和0.800. 因此，横风作用下不仅要考虑列车运行安全性指标，也要考虑轨道结构力学指标的变化.      

编队飞行中基于危险区域的后机最优位置研究

编队飞行是实现民航绿色发展的重要措施之一。在前机尾涡危险区域分析的基础上，科学确定后机最优位置是编队飞行的关键。首先，以随机两阶段尾涡消散模型为基础，利用Hallock-Burnham涡模型和诱导滚转力矩系数模型分析后机诱导滚转力矩系数的演变规律。然后，基于设定的安全阈值，给出前机尾涡危险区域，并考虑飞行高度、速度和风对危险区域的影响。最后，基于后机不同位置处的燃油流量减少率，得出编队飞行中后机最优位置。研究结果表明：后机诱导滚转力矩系数随着前、后机之间横向距离的增加，呈先增后减再增的趋势；随纵向距离的增加，呈先缓慢减小后快速减小的趋势；高度越高、速度越小，诱导滚转力矩系数的峰值越高。飞行高度越高、速度越小，前机初始尾涡的危险区域越大；随着纵向距离的增加，危险区域不断减小，并随涡核的下沉不断下降。侧风使危险区域发生偏离，侧风越大，偏离程度越大。顺风会增加危险区域的纵向距离，顶风则与之相反。两架B737-800飞机在12000 m高度以0.78马赫数进行编队飞行时，前、后机纵向距离3000m处，无风情况下后机最优位置为横向距离30 m 或-30 m、垂直距离29 m，此时燃油流量减少率为7.01%。相较于无风，左侧风20 m·s -1 下，燃油流量减少率和垂直距离不变，横向距离增加；顺风20 m·s -1 下，燃油流量减少率增加，横向距离不变，垂直距离减少；顶风20 m·s -1 下，燃油流量减少率减小，横向距离不变，垂直距离增加。     

飞机巡航阶段尾涡遭遇安全性多参数评估方法

分析了飞机遭遇尾涡后的响应机理，综合考虑飞机滚转阻尼特性及操纵品质等因素，建立了飞机滚转角加速度计算模型；因飞机遭遇尾涡后飞行轨迹及飞行姿态发生改变，选择了多个扰动参数评估尾涡遭遇安全性，建立了飞机动力学参数计算模型；为确定尾涡遭遇可接受安全水平，基于国内现行尾流间隔标准，统计了中低空典型机型组合的尾流遭遇受扰参数计算数据；分析了高空尾涡流场演化特性，计算了高空巡航状态下的尾流安全间隔，分析了不同因素对飞行安全的影响。研究结果表明:与中低空相比，高空尾涡流场的初始强度大，持续距离长，飞行高度超过9 000 m后，尾涡消散随高度的增大而加快；当前机为超级重型机、重型机，现行尾流间隔无法保证飞行安全，需增加安全间隔1.4~2.1 km，飞行高度分别超过13 800、14 400 m后，尾涡遭遇严重度降低；当前机为一般重型机时，尾流安全间隔可缩减1.5 km以提高空域利用效率；当前机为中型机时，尾涡遭遇安全性较高，但此时受最小雷达间隔限制，无法进一步缩减前后机间距；后机的飞行速度越低，发生尾涡遭遇的严重程度越高；在后机初始滚转坡度角由0增加到10°的过程中，尾涡安全间隔增加1.3 km，增加幅度约为8.61%。可见，采用多个受扰参数能有效评估高空尾涡遭遇严重程度。      

基于综合距离指标的单船穿越冲突测量研究

为了监控单船穿越船舶流水域的交通风险,在考虑单船穿越动态过程和多关联对象影响的基础上,提出了运用综合距离指标测量单船穿越冲突,并根据综合距离指标与冲突之间的反比关系,建立了单船穿越冲突测量模型;将基于专家问卷数据85%位累计频率分析得出的综合距离指标判定标准与相应情形下综合距离指标实测数据的95%概率区间进行比较,得到了轻微、中等、严重3种单船穿越冲突程度的判定标准.研究结果表明:该测量模型准确反映了综合距离指标中3个参数对单船穿越冲突的影响, 3个参数同时增大时交通冲突值减小,任意1个参数值减小时交通冲突值增大;本文的判定标准适用于内河水域能见度为0.8~6.0 n mile、船舶长度60~180 m、航速3~13 kn、忽略风流浪影响的情形.      

基于生存分析的山区双车道公路超车持续时间模型

为研究混合交通流条件下山区双车道公路超车行为，确定关键影响因素与超车持续时间的关系。以云南省典型山区双车道公路为例，利用无人机采集超车行为视频数据，提取参与超车行为的机动车轨迹，构建超车行为变量指标体系，分析山区双车道公路超车行为特性；建立基于生存分析的山区双车道公路超车持续时间模型，确定影响超车持续的关键协变量，并分析关键协变量与超车持续时间的定量关系。结果表明：混合交通流条件下，山区双车道公路平均超车持续时间为10.3 s，平均超车距离为201.3 m，由驾驶员的驾驶风格、较高的行驶速度及复杂的交通流条件共同作用所致；Log-logistic 加速失效时间模型对超车持续时间拟合效果最好，AIC和BIC分别为272.989和265.650，危险函数拐点约为13 s，说明超车行为在13 s前结束的可能性最大；影响超车持续时间的关键变量分别为超车距离和超车车辆与被超车车辆的初始速度差、最大横向距离、是否有对向车、被超车车辆长度和超车车辆类型，影响程度较大的协变量为超车车辆类型和是否有对向车，当超车车辆为货车时，超车持续时间增加了22.9%，当有对向车时，超车持续时间降低了17.8%。