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题名气源对超音速喷管清扫轮轨增黏的影响分析
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作者
刘洋
王北昆
卢耀辉
唐波
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机构
西南交通大学机械工程学院
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出处
《铁道科学与工程学报》
北大核心
2025年第4期1747-1758,共12页
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基金
国家自然科学基金资助项目(52375160)
四川省科技厅重点研发项目(2022YFG0251)。
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文摘
我国轨道交通装备服役环境复杂,钢轨表面经常由于天气原因被水膜覆盖,将会恶化轮轨黏着状态,导致停车距离延长、无法顺利启动和班次不准等问题。为了使用超音速喷管有效地去除轮轨粗糙表面上水膜,通过理论推导,建立高速气流与粗糙钢轨表面上水膜间的关系,确定喷管的最小出口速度。基于一维等熵理论,确定喷管的尺寸参数和入口气源参数,根据轮轨接触斑的宽度确定喷管的出口直径,采用基于特征线理论的喷管扩张段型线设计方法,对喷管进行结构设计,并考虑空气的黏性作用对设计结果进行了修正,建立了MLN喷管的几何模型。为了探究入口气源条件变化对喷管性能的影响,使用最优拉丁超立方进行抽样,采用大涡模拟方法进行仿真,并基于Kriging模型构建了入口气源条件与剩余水膜厚度间的高精度代理模型,采用多岛遗传算法对入口气源条件进行了优化,优化结果显示最佳的入口气源压力为0.78 MPa,温度为450 K,并对优化前后喷管的流场结构和清扫水膜的性能进行了研究。研究结果表明:优化前后喷管外流场压力没有明显差别,优化后喷管外流场的速度相较于优化前有略微降低,但是优化后喷管外流场的密度相较于优化前有所提升。在最终的清扫水膜能力分析中,在额定入口气源条件下喷管清扫后剩余水膜厚度为1.45μm,在入口气源条件进行优化后喷管清扫后剩余水膜厚度为1.27μm,在喷管入口气源条件进行优化后喷管清扫水膜的能力提升了12.4%。研究结果对微型喷管的设计及优化方法具有一定的指导意义,为使用高速气流吹除粗糙表面水膜提供了理论依据和技术支撑,为去除粗糙表面上水膜提升轮轨间的黏着系数提供了一种新的解决方案。
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关键词
气动设计
大涡模拟
超音速喷管
入口气源条件
外流场
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Keywords
pneumatic design
large eddy simulation
supersonic nozzle
inlet air source conditions
external flow field
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分类号
U270.11
[机械工程—车辆工程]
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