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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

高兴龙, 王超, 符澄, 等. 磁浮飞行风洞动模型气动结构耦合仿真评估[J]. 实验流体力学, 2023, 37(3): 59-68 doi: 10.11729/syltlx20220127
引用本文: 高兴龙, 王超, 符澄, 等. 磁浮飞行风洞动模型气动结构耦合仿真评估[J]. 实验流体力学, 2023, 37(3): 59-68 doi: 10.11729/syltlx20220127
GAO X L, WANG C, FU C, et al. Simulation evaluation of aero-structure interaction for moving model in maglev flight tunnel[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2023, 37(3): 59-68 doi: 10.11729/syltlx20220127
Citation: GAO X L, WANG C, FU C, et al. Simulation evaluation of aero-structure interaction for moving model in maglev flight tunnel[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2023, 37(3): 59-68 doi: 10.11729/syltlx20220127

磁浮飞行风洞动模型气动结构耦合仿真评估

doi: 10.11729/syltlx20220127
详细信息
    作者简介:

    高兴龙:(1987—),男,吉林蛟河人,博士,副研究员。研究方向:风洞气动设计,流固耦合与柔性多体系统动力学,大型航天器在轨飞行与再入预报技术。通信地址:四川省绵阳市涪城区二环路南段6号12号信箱1分箱(621000)。E-mail:gaoxinglong@cardc.cn

    通讯作者:

    E-mail:fucheng@cardc.cn

  • 中图分类号: V211.74

Simulation evaluation of aero-structure interaction for moving model in maglev flight tunnel

  • 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。
  • 图  1  磁浮飞行风洞磁浮平台及管道截面组合模型图

    Figure  1.  Combined model between maglev platform and tunnel section of maglev flight tunnel

    图  2  流固耦合平台

    Figure  2.  Fluid structure interaction platform

    图  3  基于CE/SE算法的流固耦合求解流程图[20]

    Figure  3.  Solving flowchart of FSI by CE/SE algorithm[20]

    图  4  有限元流体模型示意图

    Figure  4.  Layout of finite element flow model

    图  5  磁浮平台和试验模型结构域网格图

    Figure  5.  Structure mesh of maglev platform and test model

    图  6  管道横截面流体域网格图

    Figure  6.  Flow mesh of tunnel section

    图  7  工况1模型运行速度随时间变化曲线

    Figure  7.  Model moving velocity vs. time for condition 1

    图  8  工况2模型运行速度随时间变化曲线

    Figure  8.  Model moving velocity vs. time for condition 2

    图  9  工况1管道内各横截面压力变化曲线

    Figure  9.  Pressure vs. time curves of tunnel sections for condition 1

    图  10  工况2管道内各横截面的压力变化曲线

    Figure  10.  Pressure vs. time curves of tunnel sections for condition 2

    图  11  工况1模型运动过程气动阻力随时间变化曲线

    Figure  11.  Aerodynamic drag vs. time curve during model moving for condition 1

    图  12  工况2模型运动过程气动阻力随时间变化曲线

    Figure  12.  Aerodynamic drag vs. time curve during model moving for condition 2

    图  13  模型运动不同时刻速度云图

    Figure  13.  Velocity contours for model moving at different times

    图  14  模型运动不同时刻Schlieren数分布云图

    Figure  14.  Schlieren contours for model moving at different times

    图  15  管道末端截面选取单元位置示意图

    Figure  15.  Layout for choosing elements’ positions at end wall

    图  16  工况1管道末端截面选取单元的压力变化曲线

    Figure  16.  Pressure vs. time of choosing elements for condition 1

    图  17  多孔介质参数数值计算模型

    Figure  17.  Numerical calculation model of parameters for porous medium

    图  18  无多孔介质时压缩波的传播特性

    Figure  18.  Compression wave propagation characteristics without porous medium

    图  19  多孔介质黏性系数为5.6 × 108 m2时压缩波的传播特性

    Figure  19.  Compression wave propagation characteristics at viscous factor 5.6 × 108 m2

    图  20  黏性系数1 × 107 m2时压缩波传播特性

    Figure  20.  Compression wave propagation characteristics at viscous factor 1 × 107 m2

    图  21  无多孔介质、有高/低黏性多孔介质时监测点的时域压力变化曲线

    Figure  21.  Time-domain pressure change curve of monitoring point without porous medium and with high/low viscosity porous medium

    图  22  多孔介质黏性系数为2 × 107 m2时的监测点压力变化曲线

    Figure  22.  Variation curve of monitoring point’s pressure at viscous factor 2 × 107 m2

    表  1  仿真工况参数

    Table  1.   List of simulation conditions

    工况速度/(m·s−1)动压/Pa密度/(kg·m−3)
    11701013251.25
    23401013251.25
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    表  2  FSI与CFD仿真结果[21]对比

    Table  2.   Comparison results of FSI and CFD[21] simulation

    时间/s仿真方法压力/Pa差异阻力/N差异
    4FSI1024451.58%128704.8%
    CFD10082612252
    5FSI1077541.92%131002.02%
    CFD10568212835
    6FSI976805.26%132501.49%
    CFD9254313052
    8FSI1066522.09%134100.95%
    CFD10442113283
    10FSI1013450.68%127101.27%
    CFD10065212548
    下载: 导出CSV
  • [1] 刘政崇. 风洞结构设计[M]. 北京: 中国宇航出版社, 2005.
    [2] 战培国. 未来的新型无风低速风洞[J]. 流体力学实验与测量, 2000, 14(4): 50.
    [3] 王乐卿, 高广军, 吴雨薇, 等. 高速列车车身风阻制动板气动外形设计[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2022, 53(5): 1655–1667.

    WANG Y Q, GAO G J, WU Y W, et al. Aerodynamic shape design of aerodynamic braking plates installed on a high-speed train body[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2022, 53(5): 1655–1667.
    [4] 李一凡, 李田, 张继业, 等. 导流装置对高速磁浮列车气动特性的影响[J]. 实验流体力学, 2023, 37(1): 91–99. doi: 10.11729/syltlx20220109

    LI Y F, LI T, ZHANG J Y, et al. Effect of deflector devices on the aerodynamic characteristics of high-speed maglev trains[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2023, 37(1): 91–99. doi: 10.11729/syltlx20220109
    [5] 倪章松, 张军, 符澄, 等. 磁浮飞行风洞试验技术及应用需求分析[J]. 空气动力学学报, 2021, 39(5): 95–110. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0206

    NI Z S, ZHANG J, FU C, et al. Analyses of the test techniques and applications of maglev flight tunnels[J]. Acta Aerodynamica Sinica, 2021, 39(5): 95–110. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0206
    [6] 刘加利, 张继业, 张卫华. 真空管道高速列车气动特性分析[J]. 机械工程学报, 2013, 49(22): 137–143. doi: 10.3901/JME.2013.22.137

    LIU J L, ZHANG J Y, ZHANG W H. Analysis of aerodynamic characteristics of high-speed trains in the evacuated tube[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2013, 49(22): 137–143. doi: 10.3901/JME.2013.22.137
    [7] 田红旗. 中国列车空气动力学研究进展[J]. 交通运输工程学报, 2006, 6(1): 1–9. doi: 10.3321/j.issn:1671-1637.2006.01.001

    TIAN H Q. Study evolvement of train aerodynamics in China[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2006, 6(1): 1–9. doi: 10.3321/j.issn:1671-1637.2006.01.001
    [8] 张晓涵, 李田, 张继业, 等. 亚音速真空管道列车气动壅塞及激波现象[J]. 机械工程学报, 2021, 57(4): 182–190. doi: 10.3901/JME.2021.04.182

    ZHANG X H, LI T, ZHANG J Y, et al. Aerodynamic choked flow and shock wave phenomena of subsonic evacuated tube train[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2021, 57(4): 182–190. doi: 10.3901/JME.2021.04.182
    [9] NAKATA D, YASUDA K, HORIO S, et al. A fundamental study on the hybrid rocket clustering for the rocket sled propulsion system[C]//Proc of the 52nd AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference. 2016. doi: 10.2514/6.2016-4868
    [10] LOFFTUS D, LUND T, ROTE D. High-lift flight tunnel phase ii report[R]. NASA/CR-2000-210653, 2000.
    [11] 周勇为, 常熹钰, 易仕和. 低湍流度磁悬浮风洞的气动和结构设计[J]. 流体力学实验与测量, 2001, 15(4): 1–6.

    ZHOU Y W, CHANG X Y, YI S. The aerodynamic and structural design of low turbulence intensity of MSWT[J]. Experiments and Measurements in Fluid Mechanics, 2001, 15(4): 1–6.
    [12] CHANG S C. The method of space-time conservation element and solution element—a new approach for solving the navier-stokes and Euler equations[J]. Journal of Computational Physics, 1995, 119(2): 295–324. doi: 10.1006/jcph.1995.1137
    [13] ZHANG Z C, YU S T J, CHANG S C. A space-time conservation element and solution element method for solving the two- and three-dimensional unsteady Euler equations using quadrilateral and hexahedral meshes[J]. Journal of Computational Physics, 2002, 175(1): 168–199. doi: 10.1006/jcph.2001.6934
    [14] 黄婷婷. 时空守恒元解元方法及其在气动噪声计算中的应用[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2011.

    HUANG T T. Space-time conservation element solution method and its application in aerodynamic noise calculation[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2011.
    [15] 纪珍. 计算磁流体力学中几种数值方法比较研究[D]. 北京: 中国科学院空间科学与应用研究中心, 2011.

    JI Z. Comparative study on several numerical methods in computational magnetohydrodynamics[D]. Beijing: Center for Space Science and Applied Research, Chinese academy of science, 2011.
    [16] 刘凯欣, 王景焘, 王刚, 等. 时-空守恒元解元(CE/SE)方法综述[J]. 力学进展, 2011, 41(4): 447–461. doi: 10.6052/1000-0992-2011-4-lxjzJ2010-136

    LIU K X, WANG J T, WANG G, et al. A review on the CE/SE method[J]. Advances in Mechanics, 2011, 41(4): 447–461. doi: 10.6052/1000-0992-2011-4-lxjzJ2010-136
    [17] 翁春生, TAY P G. CE/SE方法在非定常爆轰计算中的应用[J]. 空气动力学学报, 2003, 21(3): 301–310. doi: 10.3969/j.issn.0258-1825.2003.03.007

    WENG C S, TAY P G. Apply the CE/SE method to the simulation of unsteady detonation[J]. Acta Aerodynamica Sinica, 2003, 21(3): 301–310. doi: 10.3969/j.issn.0258-1825.2003.03.007
    [18] 张增产, 沈孟育. 改进的时空守恒元和解元方法[J]. 清华大学学报(自然科学版), 1997, 37(8): 65–68.

    ZHANG Z C, SHEN M. Improved scheme of space time conservation element and solution element[J]. Journal of Tsinghua University (Science and Technology), 1997, 37(8): 65–68.
    [19] 沈洋, 刘凯欣, 陈璞, 等. 采用改进的CE/SE方法模拟方管中氢氧爆轰波的稳定传播结构[J]. 航空学报, 2019, 40(5): 68–80.

    SHEN Y, LIU K X, CHEN P, et al. Simulations of stable structure in oxy-hydrogen detonation propagation in square ducts using an improved CE/SE scheme[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2019, 40(5): 68–80.
    [20] 高兴龙. 物伞流固耦合及多体系统动力学研究[D]. 长沙: 国防科学技术大学, 2016.

    GAO X L. Study on fluid-structure coupling of parachute and dynamics of multi-body system[D]. Changsha: National University of Defense Technology, 2016 .
    [21] FU C, GAO X L, SUN Y Q, et al. Numerical simulation of unsteady fluid parameters for maglev flight wind tunnel design[J]. Aerospace, 2022, 10(1): 34. doi: 10.3390/aerospace10010034
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-11-09
  • 修回日期:  2023-05-31
  • 录用日期:  2023-06-01
  • 刊出日期:  2023-06-25

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    2021年8月13日