高速气动悬浮列车多向翼耦合壁面效应的机理研究

High-speed aero-train is an innovative train developed by the aerodynamic theory, which utilizes the Wing-In-Ground (WIG) phenomenon generated between the multidirectional wings of the aero-train and the ground and sidewalls of a specific orbit to suspend the train and make the train sped past along the orbit. One of the important constraints for the further development of the aero-train system is the lack of the knowledge of the flow mechanism about the WIG phenomenon, especially when the multidirectional wings act simultaneously, and which will lead to the cruising stability of the aero-train cannot be controlled effectively. This research uses scientific methods to analyze, deepen and expand the bionics phenomenon of WIG, first proposes the conception of Coupling Wall-effect on Multidirectional Wings (CWMW), and takes an in-depth study on it. Combining the methods of numerical simulation, wind tunnel experiment and theoretical analysis, this research will clarify the dynamic characteristic of the boundary layer transition under the acting of CWMW, obtain the transient topologies of the separated flow and the eddy motions generated on the end of the multidirectional wings and on the wake of the aero-train, define the inherent mechanism and the laws of the flow of the coupling boundary layer, and structure the related theoretical modes. The results can provide the key theoretical direction and basis for the further study and development of the innovative aero-train system.

高速气动悬浮列车是一种利用空气动力学原理开发的创新型高速列车，即利用安装了多向车翼的列车行驶在距地面与壁面特定距离时产生的Wing-In-Ground（WIG）现象而高速悬浮飞行的列车。制约气动悬浮列车进一步深入研发的一个重要因素在于对WIG现象，尤其是多向翼共同作用时，相关流动机理认识的不足，导致其行驶稳定性得不到有效控制。本研究将仿生学中的WIG现象，用科学的方法解析、深化和扩展，首次提出多向翼耦合壁面效应（CWMW）的概念并对其深入研究；本研究将采用数值模拟、风洞试验和理论解析相结合的方法，掌握CWMW作用下边界层转捩的动态特性，获得多向翼翼尾及列车尾部相关分离流与旋涡运动的瞬态拓扑结构，明确多向翼耦合壁面边界层流动的内在机理和规律，构建相关理论模型，并依此提出多向翼高速气动悬浮列车行驶稳定性控制的理论与方法，为该创新型地面交通运输系统的深入研发提供关键的理论依据与参考。

高速气动悬浮列车是一种利用空气动力学原理开发的创新型高速列车，即利用安装了多向车翼的列车行驶在距地面与壁面特定距离时产生的WIG现象而高速悬浮飞行的列车。对多向翼耦合壁面效应（CWMW）流动机理的深入研究是提高该新型地面交通工具稳定性和运行效率的关键。本项目采用数值模拟、风洞试验和理论解析相结合的方法，对翼型、车翼布置方式及翼面边界层转捩进行了研究，探索出一套高效、准确的空气动力学多目标优化方法。其中，运用解析函数线性叠加方法及遗传算法进行了单向翼翼形的空气动力学优化，并深入研究了其气动特性和流动机理，并在此基础上构建起了CWMW的理论模型；完成了CWMW作用下边界层转捩动态特性的数值计算与分析，明确了多向翼耦合壁面边界层流动的内在机理和规律；对气动悬浮列车串联翼布置形式进行了基于NSGAⅡ算法的多目标优化并实现了科研成果向实际运用的转化。研究获得如下重要成果：（1）针对多向翼耦合壁面效应系统，存在一个最佳翼布置形式、离地间隙及翼攻角的组合方案，充分发挥WIG现象中的“减阻增升”效应，使气动悬浮列车具有最佳升阻比；（2）多向翼翼面的边界层转捩是影响WIG效应的关键因素。迎风面转捩最容易发生，随着攻角的增大，转捩位置向车翼前缘移动；背风面则与之相反，且当扰动速度为来流速度的0.05%时，转捩发生的N值在5左右，转捩发生的位置在0.08~0.22个弦长之间。（3）基于采用数据挖掘技术与现代优化算法的多目标优化方法能够克服边界层内流动不确定性带来的分析困扰，高效、准确地进行空气动力学性能预测。本研究明确了多向翼耦合壁面边界效应的流动本质，为该创新型地面交通运输系统的行驶稳定性控制提供了关键的理论依据与参考；同时，探索出一套先进的空气动力学多目标优化方法，并成功运用于企业实际车型的空气动力学优化之中，具有良好的工程运用前景。