高速列车仿生表面微结构气动优化设计及机理研究

Nowadays, the outside surfaces of high-speed trains are designed to be smooth. Biological surface micro-structure in Bionics can provide a new direction for the shape design and aerodynamic optimization of high-speed trains. Previous studies have focused on the surface micro-structure for drag reduction, while for high-speed trains, both drag and noise reductions and aerodynamic forces affected the running safety of trains should be taken into account. This project aims to carry out the mechanism research and aerodynamic optimal design of bionic surface micro-structures for high-speed trains. Firstly, extract the feature parameters of the bionic surface micro-structure based on bionics and fractal geometry. Secondly, choose the low aerodynamic drag and noise and high running safety indexes as the optimization targets, a multi-objective optimal model for surface micro-structure is established, and the optimal layout is solved. Finally, mechanism of aerodynamic surface micro-structure optimization for high-speed trains is researched, and the turbulent coherent structures law near the wall is analyzed. With the support of the project, the established multi-objective aerodynamic optimal design method and optimal results can provide theoretical basis, analytical tools, and design basis for high-speed trains. Researches in this project have important academic significance, and broad prospects.

目前国内外高速列车的外形设计均采用光滑外表面，仿生学中的生物表面微结构能够为高速列车外形设计及气动优化开拓新思路。以前关于表面微结构的研究侧重于减阻，而应用于高速列车时需要同时考虑减阻降噪和可能影响列车运行安全的气动力等多个目标。本项目旨在开展高速列车表面微结构气动优化设计及机理研究。首先，根据仿生学和分形几何学提取仿生表面微结构单元体的形态特征参数；其次，建立以减阻降噪和高运行安全指标等为优化目标的高速列车仿生表面微结构的多目标优化设计模型，得到高速列车仿生表面微结构的优化布置方案；最后，研究高速列车仿生表面微结构气动优化的机理，分析近壁面湍流的拟序结构规律。项目的完成将建立高速列车仿生表面微结构的多目标气动优化设计方法，提出合理的布置方案，为高速列车气动优化提供理论基础、分析工具和设计依据。高速列车仿生表面微结构气动优化设计及机理研究具有重要的学术意义和广阔的应用前景。

目前国内外高速列车的外形设计均采用光滑外表面，仿生学中的生物表面微结构能够为高速列车外形设计及气动优化开拓新思路。本项目开展高速列车表面微结构气动优化设计及机理研究。首先，调研了自然界的表面微结构类型，并提出了表面微结构扩展类型；其次，通过对比数值模拟与风洞试验，得到列车空气动力学数值模拟的基本准则。二阶离散格式和低Re数SST k-w湍流模型、合理的网格可以较为准确的模拟列车气动特性，基于SST的DES模型能够更加准确的获得列车瞬态气动信息；然后，搭建了列车表面微结构优化设计平台，以仿生表面微结构单元体的形态特征参数为优化变量，得到了高速列车表面微结构的合理减阻方案；最后，根据数值模拟和优化计算结果，揭示了高速列车近壁面的流场及压力分布规律，阐述表面微结构气动减阻优化的机理。截止目前，直接相关研究成果已发表标注基金资助的SCI检索论文11篇、EI检索论文11篇、核心期刊论文2篇；培养博士研究生2人和硕士研究生2人；累计13人次参加国内外学术会议；参与制定铁路行业空气动力学标准2项；申请发明专利2项。项目完成提出的高速列车仿生表面微结构气动优化设计方法和得到的表面微结构减阻布置方案，为高速列车气动优化提供理论基础、分析工具和设计依据。