实验流体力学

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2023 年 3 期目录

2023, 37(3).

摘要(169) HTML (74) PDF(52)

摘要:

宋军浩, 姚拴宝, 陈大伟, 丁叁叁, 杨明智

2023, 37(3): 1-8. doi: 10.11729/syltlx20220114

摘要(197) HTML (57) PDF(51)

摘要:
在高速磁浮列车通过隧道过程中，受隧道内壁面和车体表面形成的环状空间限制，列车头部前方气流受到压缩，在隧道入口形成初始压缩波。初始压缩波在隧道内以当地声速传播至隧道另一端出口，部分能量以脉冲形式向外辐射，形成微气压波，严重影响隧道出口附近环境。当高速磁浮列车速度达到600 km/h以上时，这一问题更加显著。为此，提出一种具有谐振腔结构的隧道，采用三维、非定常、可压缩N–S方程和SST k–ω湍流模型研究其对高速磁浮列车通过隧道的气动效应减缓特性，并对2种谐振腔方案的减缓效果进行了数值模拟和动模型试验验证。研究结果表明：在隧道内冗余空间安装谐振腔结构，可以耗散压缩波能量，减小压缩波压力梯度，对隧道出口微气压波现象有明显减缓作用；与无谐振腔结构的隧道相比，谐振腔结构对隧道出口20和50 m处微气压波的减缓效果分别为41.87%和40.15%；微气压波减缓效果与隧道内谐振腔数量成线性关系；动模型试验进一步验证了数值模拟方法优选方案的准确性，不同速度试验结果表明微气压波减缓效果与运行速度正相关。

轨道结构对真空管道磁浮列车气动特性的影响

王潇飞, 胡啸, 李宗澎, 刘剑儒, 邓自刚, 张卫华

2023, 37(3): 9-18. doi: 10.11729/syltlx20220140

摘要(270) HTML (114) PDF(43)

摘要:
真空管道磁浮交通的出现使得地面超高速轨道交通成为可能。真空管道磁浮研究受限于对大功率推进电机和真空环境的需求，难以取得相关试验数据。针对多态耦合轨道交通动模型试验平台永磁轨道和电机气动布局的前期设计，本文开展了相关数值模拟研究。基于动模型试验平台几何结构、电机平台和永磁轨道在管道内的实际布置形式，采用三维、可压缩的RANS方法和SST k–ω湍流模型，计算了超导磁浮列车在真空管道内超高速运行时的三维流场结构、激波反射和传播规律，对比分析了列车底部矩形槽道对列车气动载荷和管道内流场的影响，重点探究了列车底部压力和速度变化趋势、尾部激波强度和尾涡结构的差异。研究发现：轨道和电机平台的台阶使得尾流区产生了更多的流动分离和激波反射，导致尾部压力波动；列车底部流动间隙增大，列车尾部激波强度下降，激波现象更为明显，气动阻力系数减小8.855%，气动升力系数增大14.312%。

低真空管道超高速磁浮列车气动问题系统配置初探

陈大伟, 刘加利, 姚拴宝, 王维斌

2023, 37(3): 19-26. doi: 10.11729/syltlx20220136

摘要(200) HTML (69) PDF(27)

摘要:
低真空管道超高速磁浮系统是将低真空管道和高速磁浮技术结合的新型超高速地面交通系统，可有效降低列车超高速运行时的气动阻力及气动噪声，实现800～1000 km/h甚至1000 km/h以上的运行速度。本文探讨了低真空管道超高速磁浮列车空气动力学数值模拟方法，研究了管道压力、管道面积、列车速度对低真空管道超高速磁浮列车气动阻力、气动升力、气动噪声源、管道交会压力波、发热设备温度等空气动力学性能的影响规律，并针对低真空管道超高速磁浮系统典型场景进行了初步工程化探讨。研究表明：当列车速度为600 km/h时，管道常压–管道面积100 m²和管道压力0.3 atm–管道面积40 m²的配置具备工程可行性；而管道压力0.3 atm–管道面积100 m²下的设备散热存在问题，工程可行性存在一定挑战；当列车速度为1000 km/h时，管道压力0.3 atm–管道面积100 m²下的设备散热问题显著，工程可行性挑战较大；若进一步降低管道压力，设备散热与气密强度设计难度将进一步加大。

典型磁悬浮技术在磁浮飞行风洞中的应用分析

于馨凝, 姜欣彤, 张军, 周廷波, 倪章松

2023, 37(3): 27-36. doi: 10.11729/syltlx20220149

摘要(488) HTML (150) PDF(64)

摘要:
磁浮飞行风洞的运行原理是利用磁悬浮、牵引和导向技术，驱动搭载模型的磁浮平台在封闭直线管道内作高速运动。磁悬浮系统对于精确控制模型加速/匀速/减速运动、达到试验所需运动状态尤其重要。本文结合磁浮飞行风洞总体技术指标及对磁悬浮系统的要求，从运行稳定性、系统安全性、试验功能性、环境适应性、技术成熟度等方面，对比分析常导电磁悬浮、永磁电动悬浮、高温/低温超导电动悬浮和高温超导钉扎悬浮系统。常导电磁悬浮系统难以达到最高运行速度（马赫数1.0）的技术指标，暂不作为磁浮飞行风洞备选磁悬浮方案。针对磁浮飞行风洞应用场景，基于层次分析法和灰色关联度分析法建立磁悬浮系统综合决策模型。结果表明，高温超导电动悬浮系统和高温超导钉扎悬浮系统具有较好的应用潜力。

真空管道列车流固耦合研究进展及关键技术分析

寇杰, 符澄, 高兴龙, 孙运强

2023, 37(3): 37-49. doi: 10.11729/syltlx20220143

摘要(283) HTML (101) PDF(31)

摘要:
利用磁悬浮技术、管道内抽真空形成低压运行环境，真空管道列车理论上可以实现超过1000 km/h的运行速度。封闭管道导致气动环境复杂，同时列车悬浮运行使列车运行姿态极易发生改变，列车流固耦合效应明显。为探究真空管道列车流固耦合理论及分析方法，对真空管道列车气动研究进展、轨道列车流固耦合特性研究进展进行了综述，分析了真空管道列车流固耦合关键技术，提出了需要重点发展的真空管道列车流场分析技术、流固耦合分析技术和控制技术，可为真空管道列车流固耦合机理研究提供参考。

多孔介质对风洞管道内压缩波传播的影响

周廷波, 于馨凝, 周国龙, 贾乐凡, 张家忠

2023, 37(3): 50-58. doi: 10.11729/syltlx20220115

摘要(140) HTML (55) PDF(49)

摘要:
磁浮飞行风洞运行中产生的压缩波在风洞管道内传播至风洞端面后反射，可能在测试段与模型发生碰撞，干扰试验结果。为了消除压缩波对风洞试验的影响，采用在风洞管道内部铺设多孔介质的方式降低风洞内压缩波强度，依据现有的多孔介质压降模型推导管道内压缩波通过多孔介质区域压降规律方程，并根据方程内影响多孔介质消波能力的参数进行了数值模拟。结果表明：多孔介质对不同强度压缩波均有相似比例的压降作用，其消波能力随压缩波强度、多孔介质惯性阻力系数及厚度的增大而增大；但当多孔介质惯性阻力系数及厚度增大时，部分压缩波不能通过多孔介质而是被其反射，反射压缩波强度也随惯性阻力系数及厚度的增大而增大。增加层数可以在不改变多孔介质其他参数的情况下降低反射压缩波强度，提高多孔介质的总体消波能力；多孔介质可以在较宽的环境压力（0.0001～1 atm）内保持良好的消波能力。

磁浮飞行风洞动模型气动结构耦合仿真评估

高兴龙, 王超, 符澄, 孙运强, 寇杰

2023, 37(3): 59-68. doi: 10.11729/syltlx20220127

摘要(187) HTML (65) PDF(32)

摘要:
磁浮飞行风洞是一种“体动风静”的新概念空气动力试验设备。模型在长直线密闭管道中高速运动过程的气动特性复杂，会对周围流场产生强烈的扰动，涉及到波系传播和气动与结构之间的单向耦合问题。本文从气动结构耦合仿真的角度，对磁浮飞行风洞试验过程中模型高速运动所产生的非定常气动特性进行了分析和评估，基于一种新型时空守恒元和解元（CE/SE）方法耦合求解了管道内模型周围的三维可压缩流场变化，获得了模型高速运动过程的气动力参数变化、波系传播特性及管道内压力分布，并开展了多孔介质消波材料参数仿真设计分析，为磁浮飞行风洞消波措施设计等提供支撑。

典型气动荷载作用下磁浮列车动力学特性研究

南凯威, 刘梦娟, 郝占宙, 吴晗, 孙振旭

2023, 37(3): 69-83. doi: 10.11729/syltlx20220108

摘要(142) HTML (49) PDF(21)

摘要:
研究强气动荷载作用下磁浮列车的动力学特性对磁浮列车的悬浮稳定设计有重要意义。本文基于简化的TR08型磁浮列车，采用滑移网格方法，研究了明线单车运行和会车场景下作用在列车上的瞬态气动荷载特性、气动荷载振荡的来源及气动荷载作用下列车的动力学特性。结果表明：TR08型磁浮列车受到的气动荷载随速度的增大而增大，总体呈现尾车 > 头车 > 中车的规律。俯仰力矩在气动荷载中占主导地位，是影响列车安全运行最重要的因素。列车气动荷载振荡主要由下部结构引起，与上/下部结构相比，单节列车俯仰力矩的峰值出现了迟滞现象，偏航力矩则无此现象。单车以600 km/h的速度运行时，悬浮磁铁间隙波动的幅值将超过安全极限；以600 km/h的速度交会时，将发生失稳。本文的结论可为磁浮列车的稳定设计提供参考。

旋翼桨–涡干扰噪声特性风洞试验研究

刘向楠, 刘少腾, 周国成, 邵天双, 陈宝

2023, 37(3): 84-91. doi: 10.11729/syltlx20210190

摘要(203) HTML (80) PDF(36)

摘要:
在中国航空工业空气动力研究院FL–10风洞中开展了旋翼桨–涡干扰噪声传播特性试验，对BO–105 主旋翼40% 缩比模型中等前飞速度爬升、平飞、斜下降状态的气动噪声进行了测量。首先采用Heyson洞壁干扰修正方法确定风洞试验时的旋翼下滑角，通过气流内测量阵列移动获得了桨盘平面下方完整的噪声辐射场，然后对不同飞行状态下的桨–涡干扰噪声传播特性进行了分析，得到了典型状态的声压–时间历程、频谱和声压级云图。结果表明：旋翼斜下降飞行状态出现了明显的桨–涡干扰噪声，干扰较强时桨叶前行侧和后行侧都会产生桨–涡干扰噪声，且其传播具有明显的方向性，即前行侧指向桨盘上游和桨盘下方，后行侧指向桨盘下游。

汽车外后视镜造型对气动和噪声影响的风洞实验研究

付威, 王勋年, 李勇

2023, 37(3): 92-106. doi: 10.11729/syltlx20210187

摘要(213) HTML (62) PDF(37)

摘要:
为降低由汽车后视镜带来的气动噪声，本文以一简化汽车外后视镜模型为基础模型，提出3个不同造型改进方案：A造型模型镜身倾斜15°；B造型模型镜身倾斜30°；C造型模型将原圆柱形底座改为椭柱形底座。对4款造型外后视镜模型进行风洞实验研究，分析流场、空气阻力和壁面脉动压力随造型改变的规律。气动特性（流场和阻力）采用粒子图像测速仪 (PIV) 和六分量动态天平测量，声学特性采用壁面麦克风对侧窗平板的湍流脉动进行测量。研究结果表明：3个造型改进方案均可在不同程度上改善外后视镜尾迹区域流场品质，有效降低空气阻力和气动噪声。其中B模型阻力系数较基础模型降低18.4%，壁面脉动压力总声压级在中低频段可降低4.6 dB；C模型可降低阻力系数7.5%，总声压级可降低4.3 dB。

直升机涵道尾桨气动噪声特性风洞试验研究

丁存伟, 周国成, 陈宝, 仲唯贵

2023, 37(3): 107-112. doi: 10.11729/syltlx20210186

摘要(173) HTML (59) PDF(32)

摘要:
基于中国航空工业空气动力研究院FL–52航空声学风洞试验条件，对直升机涵道尾桨模型的气动噪声特性进行了试验研究。对试验数据进行了射流剪切层影响修正，获得了涵道尾桨在悬停、前飞状态下的噪声频谱及远场指向性。分析了噪声随桨尖马赫数的变化规律，结果显示涵道尾桨气动噪声符合载荷噪声特性。对比了桨叶沿桨毂周向分布规律对气动噪声频谱特征的影响。获得了悬停和前飞状态下涵道对噪声传播的遮蔽效果影响，悬停状态下尾桨旋转平面内噪声降低约2 dB，前飞状态下尾桨旋转平面内噪声降低5～8 dB。

无人机自主滑翔中的模式切换逻辑研究

陈杰, 史志伟, 姚张奕, 殷镇权, 葛增冉

2023, 37(3): 113-123. doi: 10.11729/syltlx20210165

摘要(161) HTML (48) PDF(16)

摘要:
无人机可以通过自主滑翔从自然环境里的热上升气流中获取能量，提高自身的续航能力。在此期间，模式切换是无人机自主滑翔的关键。针对该问题，设计了基于七孔探针和嵌入式技术的气流感知系统，该系统可测量流动角高达72°的气流方向和速度。基于气流感知系统，设计了控制无人机自主进入和脱离滑翔模式的模式切换逻辑。通过在风洞中模拟热上升气流，利用风洞虚拟飞行试验验证了所设计模式切换逻辑的可行性。试验结果表明：在不同速度的热上升气流作用下，基于气流感知系统设计的模式切换逻辑都能够使无人机自主进入和脱离滑翔模式，且在不同大小的滚转角指令下，模式切换逻辑都能够使无人机脱离滑翔模式。

液滴撞击柔性疏水表面完全反弹的实验研究

杨磊, 刘细妙, 李钟洪

2023, 37(3): 124-131. doi: 10.11729/syltlx20220072

摘要(268) HTML (111) PDF(31)

摘要:
采用高速摄影与图像识别技术，研究了不同黏性液滴撞击不同弹性模量的柔性疏水材料（PDMS）表面后的完全反弹过程，获得了液滴黏性和柔性疏水材料弹性模量对液滴发生完全反弹的韦伯数区间和反弹恢复系数的影响规律。结果表明：由于液滴黏性对液滴铺展过程的速度影响及其所导致的黏性能量耗散差异，当液滴黏性增大时，液滴撞击PDMS表面后发生完全反弹的最大/最小韦伯数均增大、反弹恢复系数减小；随着PDMS弹性模量的降低，液滴撞击PDMS表面后发生完全反弹的最大韦伯数增大、最小韦伯数减小，PDMS弹性模量对反弹恢复系数无明显影响。

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2023年第37卷第3期

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