格柵-空腔繞流流場自激振蕩研究及其在高速列車中的應用.pdf

1、很多設備、建筑、載運工具都具有通風格柵，格柵與其內側空間共同構成格柵-空腔結構。當流體沿切向流經(jīng)該結構時即形成格柵-空腔繞流。一定條件下，此類流場會產(chǎn)生自激振蕩現(xiàn)象。流場自激振蕩是一類穩(wěn)定的周期性振蕩過程，能夠導致結構振動、流動噪聲等問題，也會影響設備通風散熱或空調系統(tǒng)運行。同時，流場自激振蕩過程包含著復雜的流動現(xiàn)象和很多流體力學基本問題。對于該問題的研究具有重要的工程應用及理論研究意義。
　　本文以地面載運工具為應用對象，使用數(shù)

2、值模擬方法對格柵-空腔繞流流場自激振蕩現(xiàn)象進行研究。主要研究內容有:格柵-空腔繞流流場自激振蕩產(chǎn)生機理、基本特征、激發(fā)條件、變化規(guī)律、控制方法及其在高速列車中的應用，以期加深對該流動現(xiàn)象產(chǎn)生原因的理解，明確流場自激振蕩的時頻特征及空間分布特征，提出流場自激振蕩頻率、幅值的預測方法，為解決流場自激振蕩在載運工具運行中所引起的一系列問題以及相關設計研究工作提供技術及理論依據(jù)。
　　建立了格柵-空腔繞流數(shù)值模擬模型，使用粒子圖像測速法對

3、模型進行了驗證。得到了流場變化過程，分析了流場自激振蕩的產(chǎn)生原因。使用頻譜分析方法，得到了不同流動參數(shù)的時頻特征及其空間分布規(guī)律，明確了自激振蕩基本特征。結果表明:大尺度渦團的運動導致格柵-空腔繞流流場產(chǎn)生自激振蕩;大尺度渦團的形成與格柵周圍渦量的聚集過程密切相關;不同位置的振蕩頻率相同;沿來流方向，壓力振蕩幅值呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢。
　　研究了流場自激振蕩的激發(fā)條件。得到的主要結論有:不同條件下，流場可能處于非振蕩狀態(tài)、過渡狀

4、態(tài)及自激振蕩狀態(tài)。當流動處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)時，若流場振蕩幅值大于零且振蕩幅值變化率接近零則表明流場中存在自激振蕩現(xiàn)象。當分離邊緣邊界層動量厚度δd較小，流動雷諾數(shù)Reδ較大，格柵間隔長高比G/H較大時，流場自激振蕩更容易被激發(fā)。當空腔相對長度Lc/L＜1.5，空腔相對高度Hc/L＞5時，空腔壁面不會對流場自激振蕩造成影響。
　　對流場自激振蕩變化規(guī)律進行了研究，包括流動狀態(tài)研究及模式轉變研究。得到了不同流動狀態(tài)、振蕩模式下振蕩頻率

5、、幅值的變化規(guī)律。主要結論有:格柵-空腔繞流流動狀態(tài)可以用參數(shù)λ=(Reδ)1/2/（δd/G)進行區(qū)分。隨著λ的增加，流場將經(jīng)歷三種流動狀態(tài)。在不同流動狀態(tài)下，振蕩頻率、幅值的變化規(guī)律具有較大差異。隨著格柵間隔長高比G/H的增加，流動狀態(tài)轉變的臨界參數(shù)λ1和λ2均呈線性減小。隨著λ的增加，模式轉變發(fā)生的臨界參數(shù)(L/G)j呈單調下降趨勢。兩者之間的關系可以用指數(shù)函數(shù)表示。
　　對流場振蕩控制方法進行了分析。分別對兩種典型控制手段

6、對于流場振蕩的抑制效果進行了評價。提出了改變格柵肋片角度控制流場振蕩的方法?？傮w來看，在分離邊緣添加斜面能夠有效降低格柵-空腔繞流流場的自激振蕩強度。而在沖擊邊緣切割斜面對流場振蕩的抑制效果不明顯。改變格柵肋片角度對流場振蕩的抑制效果較好。
　　建立了考慮通風格柵影響的高速列車設備艙流動數(shù)值模擬模型，著重對通風格柵附近的流動情況進行了分析。模擬結果表明:高速列車設備艙通風格柵附近會產(chǎn)生流場自激振蕩現(xiàn)象。在其影響下，高速列車設備艙裙