为了研究强风沙环境下高速列车运行的安全性能和气动性能,基于空气动力学理论,运用Navier-Stokes方程、标准k-ε湍流模型对气流进行连续化处理,应用DPM模型对沙粒进行离散化。算例采用欧拉-拉格朗日方法进行求解。研究结果表明:随着挟沙风速的增大,列车背风侧的涡流强度有所降低,但在背风侧的近地面,列车的流线越来越不规则;除此之外,列车车身的压力会随着挟沙风速的增大而增大,会随着沙粒直径的增大而有所降低;随着挟沙风速的增大,列车的阻力、侧力、升力均增大。随着沙粒直径的增大,列车的升力、侧力、阻力、倾覆力矩均有所降低,但比净风情况下要大。研究结果对强风沙地区合理设计高铁线路具有一定的参考价值。

以高压共轨喷油器的控制柱塞为研究对象,运用计算流体力学和热流固耦合的方法进行油膜泄漏仿真及结构形变仿真研究。运用单向流固耦合的方法对控制柱塞的结构进行了优化设计以及方案优选。优化方案包括在柱塞侧面加工环形槽、在柱塞中心加工盲孔等。经过方案对比,优选出效果最显著的组合优化方案,采用该方案能将控制柱塞的最大形变量减少12.21%,将平均油膜厚度减少36.17%。在CR3000A高压共轨燃油供给试验台上对BOSCH公司的CRI2.0型号共轨喷油器的控制柱塞在静态和动态下进行了燃油泄漏测量,发现组合优化方案与仿真值接近,显著提高了喷油器的密封特性,证明组合优化方案在高压工况下密封性能是良好的。

为了满足液压系统中降噪宽频带的要求,设计了一种基于双层弹性圆柱薄板的广谱液压脉动衰减器。通过合理配置广谱液压脉动衰减器的结构参数,实现对多个频率段的压力脉动进行衰减。双层弹性圆柱薄板广谱液压脉动衰减器由一个扩张室、两个不同参数的弹性圆柱薄板、四个质量室和一个容积室构成。构建了圆柱薄板流固耦合数学模型,推导出圆柱薄板的振动位移公式及广谱液压脉动衰减器的插入损失表达式。用MATLAB软件和ANSYS软件对双层圆柱薄板广谱液压脉动衰减器的静态特性、动态特性和压力脉动衰减性能进行仿真。仿真结果表明,基于双层弹性圆柱薄板的广谱液压脉动衰减器在50~1000 Hz的频率范围内有良好的衰减效果,衰减效果均大于25 dB,满足衰减频率宽频带、衰减效果较好的设计要求。

为研究不同偏航角下风沙耦合作用(激励)对高速列车的气动性能和冲蚀特性的影响,基于空气动力学理论,采用Navier-Stokes方程、标准κ-ε湍流模型对气流进行连续化处理,应用DPM模型对沙粒进行离散化处理。模拟车速230 km/h、风速30 m/s条件下,0°偏航角、45°偏航角和90°偏航角3种工况下,列车的气动特性、冲蚀特性以及侧力系数、阻力系数的变化规律,采用欧拉-拉格朗日方法分别进行求解。研究结果表明:随着偏航角的增大,正压区域逐渐向侧面扩大,涡流也逐渐增大,阻力系数减小,侧力系数逐渐增大;90°偏航角有沙侧力系数是0°偏航角有沙的250倍,90°偏航角无沙侧力系数是0°偏航角无沙的142倍;冲蚀面积由头部向侧面转移且增加,冲蚀率增加。

随着飞机燃油系统的广泛应用,由于压力和流量的增大,燃油系统活门在关闭过程中容易出现结构变形,导致活门出现卡死和无法完全关闭的现象。通过建立球形燃油活门的三维流固耦合动力学模型,基于Workbench平台,对活门关闭过程瞬态特性进行仿真分析。结果表明:流道中活门关闭旋钮为易变形结构,在流体压力作用下变形量较小;变形量随开度呈非线性正相关变化,在进口压力逐渐增大时,压力差随之变大,此时活门无法正常关闭;对同类活门做对比分析试验,发现仿真和试验结果基本吻合,提出适当降低流量和压力是延长活门寿命的重要方法。

针对静压转台回转运动精度不足的问题,以数控磨床的扇形液体静压转台为对象,对单个静压支承结构的位移率和设计间隙进行理论计算,得到油膜承载力与位移率和设计间隙之间的关系。对油腔内部流场进行仿真计算,得到不同油腔结构对油腔流场中承载性能产生的影响规律;根据仿真结果和转台的参数要求选取合适的油腔结构,设计了扇形静压转台;通过流固耦合分析,验证油腔设计的合理性;通过油膜刚度试验,验证了油腔设计的可行性。

以某型号离心风机为研究对象,针对风机叶轮在旋转时的耦合振动问题,采用大涡模拟的方法,对风机的内部流场规律进行数值分析,并与采用RNGκ-ε模型的分析结果对比。利用大涡模拟的数值分析结果对风机叶轮进行单向流固耦合分析。结果表明:大涡模拟得到的分析结果更加精确,更能表现出风机内部的真实流动情况;在流场方面,叶片表面的压力会随时间的变化呈现不规律的波动;在静力学方面,等效应力主要集中在叶片中间位置以及与前、后盖板接触部位,叶轮叶片的中间区域变形量较大。

在车辆液压系统中,油液压力脉动常常会诱发管路振动,导致管路产生疲劳破坏。以汽车液压系统管路为研究对象,建立流固耦合力学模型,分析了管路系统在多变工况时压力脉动的传播规律。结果表明:当液压阀突然关闭时,油液脉动会发生突变增大,液压阀关闭时间越快,油液脉动增加的幅度越大,在靠近出口即接近液压阀的位置脉动最大,而远离液压阀的位置脉动较小;当液压阀突然开启时,油液压力脉动增大,液压阀开启时间越短,油液脉动增大幅度越大;当串联工具结构时,由于有工具结构的作用,液压脉动在工具结构附近会增大。研究为液压系统的设计及管路振动分析提供理论依据。

气动应变能蓄能器是一种能量储存与供给装置,充气膨胀时以拉伸橡胶材料的应变能和压缩空气能的形式储存能量。影响储能的因素主要是橡胶材料的应变和装置内气体的压力。基于有限元分析软件,采用流固耦合方法模拟橡胶气囊充放气过程,获得不同充气流量、橡胶气囊壁厚、刚性护罩内径下橡胶气囊的膨胀压力、膨胀体积和储能特性。最后,基于所搭建的应变能蓄能器充放气试验台,进行了不同工况下蓄能器的压力和能量性能测试。结果表明,该蓄能器特性仿真分析方法是有效和正确的,为指导气动应变能蓄能器定量设计奠定了良好的基础。

针对液压输流管内的压力脉动研究,提出流体压力脉动的计算方法和管道流固耦合分析的计算模型。对流体压力脉动进行编程,得到压力脉动作用产生激振力的变化。建立管道和流体实体模型,采用UDF技术将脉动压力编译到流体中,从而进行流固耦合瞬态力学分析,得到异径管和弯管处流体压力变化以及管道的应力和变形情况。研究结果表明:压力脉动沿管道传播发生衰减,其产生的激振力对弯管破坏较大;弯管段流体产生压力集中,进而引起弯管段变形大于异径管段。将压力脉动加载到管道中,对输流管道研究具有一定参考价值。