机械制造及其自动化专业优秀论文机械制造及其自动化专业优秀论文 CFDCFD 数值仿真建模技术研究及数值仿真建模技术研究及其在高速动车组中的验证其在高速动车组中的验证关键词：高速动车组关键词：高速动车组 CFDCFD 拟似冲击波拟似冲击波 内外流场内外流场 数值仿真数值仿真摘要：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 CFID 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。正文内容正文内容计算流体动力学(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 CFID 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。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 CFID 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。 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(H