为研究长大编组情况下高速列车的空气动力学性能,基于Navier-Stokes方程及标准k-ε湍流模型建立高速列车空气动力学计算模型,计算两列8车编组重联及16车编组情况下的高速列车空气动力学性能。数值计算结果表明,在重联区域,8车流线型处的流动分离直接作用于9车,影响了两车的气动阻力分布,8车阻力系数为0.094,9车阻力系数为0.145,8车编组重联整车气动阻力较16车编组增大0.060。重联编组下,向上升力最大的是8车,升力系数为0.073,向下升力最大的是头车,升力系数为-0.101。对于16车编组,向上升力最大的是尾车,其升力系数为0.054,向下升力最大的为头车,其升力系数为-0.088。研究结果对长编组高速列车气动性能优化具有参考意义。

针对铁路单层集装箱表面结构单一、气动阻力特性差等问题,本文设计了适用于集装箱的三角形、梯形、弧形和矩形表面形式沟槽结构.利用ANSYS Fluent软件,采用基于Realized k-ε湍流模型和SIMPLE算法,对比了4种不同表面形式沟槽的集装箱列车模型的气动阻力,结果表明明线情况下,弧形沟槽结构集装箱列车气动阻力最小;不同表面形式沟槽结构的集装箱列车所受的气动阻力差异主要来自于集装箱;集装箱的压差阻力贡献了主要的气动阻力,弧形沟槽结构集装箱压差阻力最小,而摩擦阻力最大.

以180~300 km超低轨卫星为研究对象,采用自由分子流模拟方法中可准确模拟三维复杂外形的直接模拟蒙特卡洛(DSMC)法研究了典型外形的气动阻力特性.通过不同速度率条件下圆球和平板的理论阻力系数及不同速度率下70°钝体外形的气动实验数据与DSMC计算结果的比较,验证了三维DSMC方法对外形和网格的适应性.针对几类典型的卫星外形的阻力特性进行了计算比较,得出压差阻力、剪切阻力、总阻力及无量纲阻力系数随高度和外形的变化特性.超低轨卫星通过外形的优化设计可降低阻力约10%,能够有效改善其在轨运行特性,且可降低对卫星自身相关系统的设计需求.

高速列车的气动阻力与列车的外形,特别是头部外形有着密切的关系。为了改善列车气动性能降低列车运行的气动阻力,建立高速列车的三维参数化模型,以高速列车头部所受的阻力和升力为优化目标,通过FLUENT软件与Isight软件多学科优化联合仿真分析方法,利用Sculptor软件对车头部分网格自动变形,基于计算流体力学,实现对高速列车流线型头型进行减阻的多目标自动优化设计。优化完成后,得到影响优化目标阻力和升力的关键设计变量,并对优化设计变量和优化目标之间的非线性相关性进行分析。通过对比原始流线型列车气动性能发现,列车头部的长度对阻力的影响比较大,列车头部的高度能够对列车所受到的升力产生较大的影响。

基于三维不可压缩定常Navier-Stokes(N-S)方程和标准k-ε两方程湍流模型的数值模拟计算方法,通过改变空调之间的安装间距,研究了不同工况下的整车气动阻力与空调气动阻力变化规律。研究结果表明合理的空调安装间距可有效降低整车气动阻力。160km/h条件下,与安装间距是空调机组高度的24.23倍相比,当安装距离为0时,整车气动阻力降低约6.3%。此外,安装距离小于空调机组高度的18倍时,减阻效果才显著。随着空调安装间距的增大,每节车辆第一个空调气动阻力先增大后趋近于平缓,甚至会小范围降低,其气动阻力变化主要受背风面气动阻力的影响;第二个空调气动阻力持续增大,其气动阻力变化主要受迎风面气动阻力的影响。

空调设备作为维持轨道车辆车内乘客舒适度的重要组成部分,其外形结构对列车的气动阻力会产生影响。合理的空调导流罩安装角度可以有效降低列车气动阻力。利用计算流体力学(ComputationalFluidDynamics,CFD)方法研究空调导流罩安装角度对160 km/h市域列车气动阻力的影响。研究结果表明空调导流罩安装角度越小,整车气动阻力越小,相对于无导流罩(90°)工况,导流罩安装角度为15°时,整车减阻达10%。头车流线型气动阻力系数随导流罩角度变化不大,除尾车流线型部分外,其他车辆气动阻力系数随着导流罩安装角度的增大而增大,尾车流线型气动阻力系数随导流罩安装角度的增大而降低。导流罩气动阻力随安装角度的增大而增大,不包含导流罩部分的空调气动阻力随导流罩安装角度的增大而降低。

高速列车的转向架区域是气动减阻研究的重点.通过样条曲线方法建立了高速列车底部结构的7参数化模型,采用计算流体力学及超拉丁立方抽样试验设计方法,研究了底部结构参数对高速列车气动阻力的影响规律.结果表明:底部结构参数对于三车总阻力、头、中、尾各节车气动阻力的影响分别为27%、37%、39%和22%,三车气动阻力对裙板高度、排障器厚度、舱前缘倒角最为敏感.但头、中、尾车影响规律不同于三车,有必要考虑对头、中、尾三车底部结构分别进行气动设计,以达到最优的减阻效果.底部结构参数主要影响列车底部平均流速改变底部结构所受气动阻力,进而影响高速列车气动阻力.

基于某SUV改款车的模型,采用网格变形技术,结合CFD软件,分析外造型面对气动阻力的影响。在此基础上,先后对气动阻力影响较大的外造型面和气动附件进行优化,结果使模型的气动阻力系数由0.407下降至0.347,经风洞试验实测为0.34,仿真误差仅为2.06%。

为了研究环境参数及外形布局对平流层飞艇气动阻力的影响，在验证CFD数值模拟方法的基础上，从气动阻力包括压差阻力与摩擦阻力的角度探讨了风速、动力粘度系数、空气密度、Re数、长细比及尾翼对飞艇气动阻力的影响规律及机理。结果表明:气动阻力系数随风速与空气密度的增加而减小，随动力粘度系数的增加而增加;气动阻力系数随Re数减小的趋势，取决于摩擦阻力系数随Re数的减小趋势;随长细比的增加，摩擦阻力系数呈现增加趋势，但气动阻力系数呈现先减小后增加的趋势;尾翼对气动阻力系数的影响主要体现在压差阻力系数的改变。

基于整车参数建立车身和风洞的三维模型并进行网格划分，建立车身空气动力学的有限元模型.采用k-ε湍流模型，利用耦合式求解器对车身进行外流场的仿真分析，得出影响车身外流场的汽车结构性能参数.对影响车身气动性变化的结构因素进行仿真分析，并以此为依据对原始车身模型进行气动造型优化.对改进的车身进行仿真分析，结果显示气动阻力和气动升力都有所降低，验证改进方法的有效性，为汽车车身的优化研究提供新的参考方法.