中国轨道交通历经几代技术创新与发展,取得了令世界瞩目的成就。轮轨系统的黏着限制了轨道交通的进一步高速化,磁浮技术在轨道交通上的应用应运而生。“十三五”期间,中国开始研制600 km/h高速磁浮交通系统。高速磁浮列车运行速度为600 km/h,马赫数达到0.49,列车空气动力学性能急剧恶化,加之运行环境(车–轨间隙、两侧节流)的变化,呈现出与高速轮轨列车不同的气动特征,空气动力学问题成为高速磁浮列车设计研发的关键问题之一。本文探讨了600 km/h高速磁浮列车气动设计面临的技术挑战,提出了高速磁浮列车气动设计解决方案,介绍了我国600 km/h高速磁浮列车气动设计方案,展望了高速磁浮列车空气动力学未来研究方向。

采用数值模拟方法对表面纵向布置微沟槽的风力机翼型的气动性能进行研究。基于Transition SST模型,采用商用计算流体动力学(CFD)软件,研究了L型和V型2种不同类型的微沟槽的减阻效应,考虑了不同雷诺数和不同翼型条件下,表面微沟槽对风力机翼型升阻力特性的影响。通过对比升、阻力系数及表面摩擦力系数,探讨了风力机翼型表面微沟槽的减阻机理。结果表明在最优的沟槽几何参数条件下,L型沟槽相比V型沟槽具有更好的减阻效果,DU翼型最大减阻率达到5.6%;采用最优沟槽几何参数时,微沟槽在较大的雷诺数和攻角范围内都具有减阻效果。

为进一步提高低反力度压气机的稳定工作范围,以某三级低反力度高负荷压气机首级跨声速转子为研究对象,借助三维数值模拟方法,进行了叶顶喷气扩稳研究,分析讨论了叶顶喷气提升低反力度压气机转子稳定性的机理,并探讨了不同喷气轴向位置对扩稳效果及气动性能的影响。结果表明叶顶喷气通过削弱叶顶泄漏涡和通道激波的相互作用,抑制了转子近失速工况下泄漏涡的破碎,消除了叶顶通道的大面积堵塞,拓宽了转子的稳定工作边界;随着喷嘴的位置从叶顶前缘处沿轴向上游移动,转子的失速裕度提升量呈现出先增大后减小的趋势,综合扩稳效果和对压气机总性能参数的影响,最佳喷气轴向位置为叶顶前缘上游转子5%叶顶轴向弦长处;叶顶喷气改变了转子气动参数的径向分布,降低了转子上15%叶高范围内的负荷,同时也使得其它叶高区域的负荷提升。

受高效飞行鸟类翼型结构启发,尝试采用叶轮仿鸮翼设计结合子午流道型线参数优化设计提高离心压缩机的气动性能。首先,提取具有优良气动性能的长耳鸮翅膀展向40%截面处翼型进行仿生逆向重构,基于鸮翼厚度分布特征进行离心压缩机叶轮的仿生设计;然后,采用拉丁超立方抽样、BP神经网络拟合、遗传算法寻优对叶轮叶顶侧子午流道型线进行参数优化,并对优化设计前后的离心压缩机气动性能及其流动特性进行数值分析。结果表明采用提出的叶轮仿生设计耦合子午流道参数优化方法,离心压缩机内部流场得到改善,气动性能得到提升。设计工况下,优化后的离心压缩机多变效率提高了3.16%,压比提升了2.61%;叶轮内部及叶片扩压器出口的高熵区域缩小,流动分离得到有效抑制,同时叶片表面载荷增大且分布更加均匀,叶轮做功能力增强。

为了改善串联式TBCC (Turbine based combined cycle)排气系统在低压比状态下的工作性能,对有无辅助活门的两种串联式TBCC组合喷管开展了数值模拟,并对含辅助活门的串联式组合喷管进行了实验研究,来探究辅助活门对串联式组合喷管气动性能的影响。结果表明辅助活门结构能够减少主流喷管外壁面的流动分离区范围和内流总压损失,有效地提高了组合喷管内推力。含辅助活门型组合喷管能够引射环境气流,减少引射喷管壁面的回流区范围与底部阻力,从而减少推力损失,提升组合喷管整体性能。提高次流压比或降低主流压比,主流喷管出口处欠膨胀程度降低,声速线往下游方向移动,主流流量减少。提高主流压比或者次流压比都能使辅助活门引射环境气流量增加。辅助活门进气通道距离会影响次流射流与引射喷管的相对位置,距离过小或过大都会造成引射环境气流量减

车辆经过桥塔区域时,由于桥塔的遮风效应,其气动荷载会产生突变,且公铁平层桥梁的桥塔由于纵向尺度较大,车辆经过桥塔区域时气动荷载的变化更加剧烈.为明确某公铁平层桥梁上车辆在桥塔区域的气动特性,制作了1/20大比例尺的风洞试验模型;基于优化后的测试系统,测试了车辆通过公铁平层宽幅桥梁桥塔时的气动荷载,研究了车道位置、车辆类型以及桥塔外形对通过桥塔车辆的气动特性的影响.结果表明越靠近桥塔车道上的车辆,经过桥塔时的横向力系数、摇头力矩系数的突变量更大,正向升力也越大,因而更容易发生侧滑与侧偏;车长对车辆通过桥塔区域的性能有显著影响,长度较小的车辆具有更大的横向力系数突变量,长度较长的车辆具有更大的倾覆力矩系数、摇头力矩系数及点头力矩系数突变量;与矩形截面桥塔相比,带倒角的桥塔使得厢式货车的横向力突

CFD方法计算的风力发电机组轴功率与Bladed软件精度控制在5%以内,为后续风力发电机组附加气动辅件(涡流发生器、叶尖小翼等)后气动性能评估,以及大型风电叶片气动弹性评估提供技术积累。