格柵-空腔繞流流場(chǎng)自激振蕩研究及其在高速列車(chē)中的應(yīng)用.pdf

1、很多設(shè)備、建筑、載運(yùn)工具都具有通風(fēng)格柵，格柵與其內(nèi)側(cè)空間共同構(gòu)成格柵-空腔結(jié)構(gòu)。當(dāng)流體沿切向流經(jīng)該結(jié)構(gòu)時(shí)即形成格柵-空腔繞流。一定條件下，此類(lèi)流場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生自激振蕩現(xiàn)象。流場(chǎng)自激振蕩是一類(lèi)穩(wěn)定的周期性振蕩過(guò)程，能夠?qū)е陆Y(jié)構(gòu)振動(dòng)、流動(dòng)噪聲等問(wèn)題，也會(huì)影響設(shè)備通風(fēng)散熱或空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行。同時(shí)，流場(chǎng)自激振蕩過(guò)程包含著復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象和很多流體力學(xué)基本問(wèn)題。對(duì)于該問(wèn)題的研究具有重要的工程應(yīng)用及理論研究意義。
　　本文以地面載運(yùn)工具為應(yīng)用對(duì)象，使用數(shù)

2、值模擬方法對(duì)格柵-空腔繞流流場(chǎng)自激振蕩現(xiàn)象進(jìn)行研究。主要研究?jī)?nèi)容有:格柵-空腔繞流流場(chǎng)自激振蕩產(chǎn)生機(jī)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(chē)中的應(yīng)用，以期加深對(duì)該流動(dòng)現(xiàn)象產(chǎn)生原因的理解，明確流場(chǎng)自激振蕩的時(shí)頻特征及空間分布特征，提出流場(chǎng)自激振蕩頻率、幅值的預(yù)測(cè)方法，為解決流場(chǎng)自激振蕩在載運(yùn)工具運(yùn)行中所引起的一系列問(wèn)題以及相關(guān)設(shè)計(jì)研究工作提供技術(shù)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(cè)速法對(duì)

3、模型進(jìn)行了驗(yàn)證。得到了流場(chǎng)變化過(guò)程，分析了流場(chǎng)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(dòng)參數(shù)的時(shí)頻特征及其空間分布規(guī)律，明確了自激振蕩基本特征。結(jié)果表明:大尺度渦團(tuán)的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致格柵-空腔繞流流場(chǎng)產(chǎn)生自激振蕩;大尺度渦團(tuán)的形成與格柵周?chē)鷾u量的聚集過(guò)程密切相關(guān);不同位置的振蕩頻率相同;沿來(lái)流方向，壓力振蕩幅值呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢(shì)。
　　研究了流場(chǎng)自激振蕩的激發(fā)條件。得到的主要結(jié)論有:不同條件下，流場(chǎng)可能處于非振蕩狀態(tài)、過(guò)渡狀

4、態(tài)及自激振蕩狀態(tài)。當(dāng)流動(dòng)處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)時(shí)，若流場(chǎng)振蕩幅值大于零且振蕩幅值變化率接近零則表明流場(chǎng)中存在自激振蕩現(xiàn)象。當(dāng)分離邊緣邊界層動(dòng)量厚度δd較小，流動(dòng)雷諾數(shù)Reδ較大，格柵間隔長(zhǎng)高比G/H較大時(shí)，流場(chǎng)自激振蕩更容易被激發(fā)。當(dāng)空腔相對(duì)長(zhǎng)度Lc/L＜1.5，空腔相對(duì)高度Hc/L＞5時(shí)，空腔壁面不會(huì)對(duì)流場(chǎng)自激振蕩造成影響。
　　對(duì)流場(chǎng)自激振蕩變化規(guī)律進(jìn)行了研究，包括流動(dòng)狀態(tài)研究及模式轉(zhuǎn)變研究。得到了不同流動(dòng)狀態(tài)、振蕩模式下振蕩頻率

5、、幅值的變化規(guī)律。主要結(jié)論有:格柵-空腔繞流流動(dòng)狀態(tài)可以用參數(shù)λ=(Reδ)1/2/（δd/G)進(jìn)行區(qū)分。隨著λ的增加，流場(chǎng)將經(jīng)歷三種流動(dòng)狀態(tài)。在不同流動(dòng)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(zhǎng)高比G/H的增加，流動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變的臨界參數(shù)λ1和λ2均呈線(xiàn)性減小。隨著λ的增加，模式轉(zhuǎn)變發(fā)生的臨界參數(shù)(L/G)j呈單調(diào)下降趨勢(shì)。兩者之間的關(guān)系可以用指數(shù)函數(shù)表示。
　　對(duì)流場(chǎng)振蕩控制方法進(jìn)行了分析。分別對(duì)兩種典型控制手段

6、對(duì)于流場(chǎng)振蕩的抑制效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。提出了改變格柵肋片角度控制流場(chǎng)振蕩的方法?？傮w來(lái)看，在分離邊緣添加斜面能夠有效降低格柵-空腔繞流流場(chǎng)的自激振蕩強(qiáng)度。而在沖擊邊緣切割斜面對(duì)流場(chǎng)振蕩的抑制效果不明顯。改變格柵肋片角度對(duì)流場(chǎng)振蕩的抑制效果較好。
　　建立了考慮通風(fēng)格柵影響的高速列車(chē)設(shè)備艙流動(dòng)數(shù)值模擬模型，著重對(duì)通風(fēng)格柵附近的流動(dòng)情況進(jìn)行了分析。模擬結(jié)果表明:高速列車(chē)設(shè)備艙通風(fēng)格柵附近會(huì)產(chǎn)生流場(chǎng)自激振蕩現(xiàn)象。在其影響下，高速列車(chē)設(shè)備艙裙