为研究高速列车在风沙环境中运行时的空气动力学性能及冲蚀特性,基于Navier-Stokes方程和标准κ-ε方程控制模型,运用FLUENT软件中离散相模型(DPM)对沙粒进行离散化处理,对气流进行连续化处理。数值模拟了高速列车运行速度为250km/h,风速为20m/s时,高速列车在风沙环境下的表面压力、气动阻力、黏性力及冲蚀特性,采用欧拉-拉格朗日方法进行求解计算。研究结果表明列车在高速运行时最大正压主要在分布在车头鼻翼处,受风沙影响时列车的表面压力有所增大;列车运行的速度越大或沙粒颗粒直径越大,车头冲蚀越严重;在风沙环境下行驶时,头车阻力系数增加了32%,车尾增加了25%,升力和黏性力有不同程度的减少。

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。

离心泵内的沙粒磨蚀问题是一个国内外尚处于探讨阶段的复杂现象。多年来许多学者们从试验、理论、计算等多方面对这一问题进行了大量的研究与探讨。本文尝试从近壁区湍流的猝发结构出发，研究离心泵内的泥沙磨蚀问题。文中首先从BBO方程出发得出了沙粒近壁区法向运动速度upy ，然后基于湍流的猝发结构导出了沙粒“扫掠”情况下的流向速度upx。最后用两个速度得到了基于壁湍流猝发结构的离心泵内的沙粒对叶轮壁面的冲击角。上述研究表明离心泵内正是由于猝发时的“扫掠”作用造成了沙粒对叶轮壁面的小角度切削，这与前人的试验观测结果相吻合。