高速气流外掠阵列缝隙抽吸/射流的涡特性及其对换热单元的影响机理

Ventilation is very important for high-speed trains/buses. The ventilation ports are usually blinds structure. The trains/buses with high-speed movement form a high-speed airflow blowing over array slots with suctions/jets flow phenomena. The phenomenon strongly affects the trains/buses thermal comfort, efficiency, safety and other characteristics. In this project, by using a combination of the theoretical analysis, numerical analysis and experimental research, three parts of research work will be carried out: (1) the vortices characteristics of high-speed airflow blowing over the array slots with suctions; (2) the vortices characteristics of high-speed airflow blowing over the array slots with jets; (3) the effects of vortices on heat transfer units under high-speed airflow blowing over the array slots with suctions/jets. The objective is to reveal the complex vortices characteristics and the corresponding correlations. The results could be used to enhance understanding of flow characteristics of the array slots with suctions/jets for high-speed airflow, and also to guide the design of the ventilation ports and heat transfer units.

客车厢体内部或动力/设备舱与其外部均有换气口，通常采用百叶窗结构。当客车高速运动时会形成高速气流外掠阵列缝隙抽吸/射流的流动现象，不但影响高速客车的舒适、高效、安全等特性，而且包含着独特复杂的流动特征。本项目采用高速风洞模拟涡特性实验、数值模拟获得涡流场特性、小波分析确定湍流拟序结构等相结合的方法，拟开展三方面的研究工作：（1）高速气流外掠阵列缝隙抽吸涡特性；（2）高速气流外掠阵列缝隙射流涡特性；（3）高速气流外掠阵列缝隙抽吸/射流的涡特性对换热单元的影响机理，获得外掠流、阵列缝隙抽吸/射流关键参数对换热单元影响的关联式。项目结果可增进对高速气流外掠阵列缝隙抽吸/射流流动特性及其对换热单元影响机理的认识，还可指导高速客车换气口和换热单元的设计，具有重要的学术意义和工程应用价值。

高铁对当今中国的经济发展和社会进步起着巨大的作用。然而，随着高速列车运行速度的不断提升，高速列车需和大气交换的热量大大增加。同时，换热器及其防护装置(百叶窗)集成到高速列车后随列车高速移动时会产生非常复杂的流动现象，导致风机所推动的流动阻力增加、列车换气困难、换热器换热能力下降等问题。为了明确高速气流外掠阵列缝隙抽吸/射流的涡特性，并给高速客车/列车的换气装置、传热单元的设计及它们引起的流动阻力损失计算提供科学依据，开展相关高速气流外掠阵列缝隙抽吸/射流的涡特性及其对换热单元的影响机理研究至关重要，本项目不仅具有很强的学术意义而且还具有很强的工程应用价值。.本项目采用实验测量、数值模拟和理论分析方法，对高速气流外掠阵列缝隙抽吸/射流和强剪切边界层的相互干涉所形成的流动涡特性进行了研究。首先利用热线和PIV技术获得的实验数据分别研究了高速气流外掠阵列缝隙弱抽吸条件下列车表面和支管的相干结构涡特性；然后研究了T型通道主管沿程及叶片区域的压力分布以及支管内有无叶片情况下圆柱表面压力分布规律，阐明了压力分布与叶片角度之间的关系；探讨了高速气流外掠阵列缝隙弱抽吸的涡特性对换热单元特性的影响机理，提出了可用于设计的传热关联式；最后利用数值模拟的方法研究了高速气流阵列缝隙弱射流条件下的流场和压力分布，揭示了相应的流动和阻力分布特性。上述研究成果不仅揭示了T型通道内湍流流动的机理，还阐明了影响支管换热单元换热特性的因素，为实际的高铁通风口的设计以及车身的减阻提供了重要的理论支持。