东南大学；硕士学位论文；高速列车车头造型设计及其外围流场CFD仿真分析；姓名：曲震；申请学位级别：硕士；专业：工业设计；指导教师：薛澄岐；；摘要；摘要；高速列车车头造型设计及其外围流场ＣＦＤ仿真分析；姓名：曲震指导教师：薛澄岐教授；（东南大学机械工程学院，南京）；高速列车的最高运行时速一般不低于２５０公里，在这；本文运用计算流体力学（ＣＦＤ）
硕士学位论文
高速列车车头造型设计及其外围流场CFD仿真分析
姓名：曲震
申请学位级别：硕士
专业：工业设计
指导教师：薛澄岐
高速列车车头造型设计及其外围流场ＣＦＤ仿真分析
姓名：曲震指导教师：薛澄岐教授
（东南大学机械工程学院，南京）
高速列车的最高运行时速一般不低于２５０公里，在这样的速度下空气阻力占列车总阻力的一半以上。所以，有效降低空气阻力对提高列车行驶速度和降低能源损耗有重要意义，是高速列车设计中需要重点解决的问题之一。
本文运用计算流体力学（ＣＦＤ）数值仿真的方法，研究高速列车车头造型对列车空气动力性能的影响，提出了最佳车头设计的准则并依此进行了方案设计。本课题的主要上作包含以下几个方面：
１．论文对ＣＦＤ与列车空气动力学相关理论进行归纳，将ＣＦＤ方法的理论分析与高速列车外围流场分析相结合，总结运用ＣＦＤ数值仿真进行车头外围流场分析的一般方法及求解过程。
２．对高速列车车头造型的发展与演变过程的进行了研究分析，概括了不同时代的车头设计特征。在此基础上，提取出车头造型较重要的特征，并将不同的特征方案进行分组，研究车头特征造型的改变对列车气动性能的影响。
３．分别对不同特征造型的高速列车车头方案建立ＣＦＤ计算模型，使用ＣＦＤ软件ＦＵＬＥＮＴ进行外流场数值仿真，最终得到不同车头造型方案的压差阻力、粘性阻力、气动升力、风阻系数等气动性能参数，以及车身表面的压力分布、外围流场气流速度、湍流区域分布等信息。
４．通过对仿真数据的分析和方案对比，提出了有助于改善高速列车空气动力性能的车头造型设计准则，并参照该准则设计出气动性能较为理想的车头造型方案。
关键词：车头造型ＣＦＤ数值仿真空气阻力列车空气动力学
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ａｂｓｔｒａｃｔ
ＬｏｃｏｍｏｔｉｖｅＳｔｙｌｉｎｇＤｅｓｉｇｎａｎｄＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｂｏｕｔ
ＥｘｔｅｒｎａｌＡｉｒｆｌｏｗｏｆＨｉｇｈ—ＳｐｅｅｄＴｒａｉｎＢａｓｅｄｏｎＣＦＤＭｅｔｈｏｄ
Ｎａｍｅ：ＱＵＺｈｅｎ
Ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒ：Ｐｒｏｆ．ＸＵＥＣｈｅｎｇ－ｑｉ
（ＳｏｕｔｈｅａｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｉｎｇ）
Ｔｈｅｈｉｇｈｅｓｔｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｒｕｎｎｉｎｇｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄｔｒａｉｎｉｓｎｏｌｅｓｓｔｈａｎ２５０ｋｍ／ｈ．Ａｔｔｈｉｓｓｐｅｅｄ，ｔｈｅａｉｒ－ｄｒａｇａｃｃｏｕｎｔｓｆｏｒｍｏｒｅｔｈａｎｈａｌｆｏｆｔｈｅｔｏｔａｌｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ。Ｓｏｒｅｄｕｃｉｎｇｔｈｅａｉｒ－ｄｒａｇｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙｈａｓｇｒｅａｔｓｅｎｓｅｔｏｓｐｅｅｄｕｐｔｈｅｒｕｎｎｉｎｇｔｒａｉｎａｎｄｒｅｄｕｃｅｔｈｅｅｎｅｒｇｙｌｏｓｓ。Ｉｔ’Ｓａｋｅｙｐｒｏｂｌｅｍｗｈｉｃｈｎｅｅｄｓｔｏｂｅｒｅｓｏｌｖｅｄｉｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄｔｒａｉｎ。
ＴｈｉｓｔｈｅｓｉｓｉｓｆｏｃｕｓｅｄＯｆｆｈｏｗｔｈｅｃｈａｎｇｉｎｇｓｔｙｌｅｏｆｔｈｅｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓｔｈｅａｅｒ６ｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｔｒａｉｎ，ｕｓｉｎｇｔｈｅｍｅｔｈｏｄｓｏｆｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｆｌｕｉｄｄｙｎａｍｉｃｓｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ａｎｄｔｈｅｎ，ｗｅｗｉｌｌｄｅｓｅｒｖｅｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｉｄｅａｌｄｅｓｉｇｎｉｎｇａｎｄｐｒｅｓｅｎｔａｆｉｎａｌｄｅｓｉｇｎ．Ｔｈｅｗｏｒｋｈａｓｍａｉｎｌｙｂｅｅｎｃｏｎｄｕｃｔｅｄａｓｆｏｌｌｏｗｉｎｇａｓｐｅｃｔｓ：
１．ＴｈｅｂａｓｉｃｔｈｅｏｒｙｏｆＣＦＤｍｅｔｈｏｄａｎｄｔｒａｉｎａｅｒｏｄｙ’ｎａｍｉｃｓｉｓｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ａｎｄｔｈｅｎ．ｔｈｅｇｅｎｅｒａｌｍｅｔｈｏｄｏｆｄｅａｌｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｅｘｔｅｒｎａｌａｉｒ－ｆｌｏｗａｎａｌｙｓｉｓｐｒｏｂｌｅｍｓｉｓｃｏｎｃｌｕｄｅｄ，ｗｉｔｈｔｈｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆＣＦＤｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｅｘｔｅｍａｌａｉｒ－ｆｌｏｗａｎａｌｙｓｉｓｏｆｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄｔｒａｉｎｂｙｍｅａｎｓｏｆＣＦＤｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．
２．Ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇｏｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅｓ，ｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅｓｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｉｍｅｓ．Ｓｅｖｅｒａｌｋｅｙｓｔｙｌｉｎｇｆｅａｔｕｒｅｓａｌｅｅｘｔｒａｃｔｅｄ，ａｎｄａｌｌｏｆｔｈｅｓｔｙｌｉｎｇｆｅａｔｕｒｅｓａｌｅｇｒｏｕｐｅｄｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｃｈａｎｇｉｎｇｆｅａｔｕｒｅｓｏｆｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅｓａｎｄａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｒａｉｎ．
３．ＣＦＤｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｓｏｆｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔｙｌｉｎｇｆｅａｔｕｒｅｓａｒｅｃｒｅａｔｅｄｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．ＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｄｏｔｈｅｅｘｔｅｒｎａｌｆｌｏｗｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｕｓｉｎｇＣＦＤｓｏｆｔｗａｒｅＦＬＵＥＮＴ，ｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｒｅｌａｔｅｄｔｈｅａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｓｓｕｃｈａｓｐｒｅｓｓｕｒｅｄｒａｇ，ｖｉｓｃｏｕｓｄｒａｇ，ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｌｉｆｔ，ａｉｒ－ｄｒａｇｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ａｎｄＳＯｏｎ，ｗｉｌｌｂｅｄｅｓｅｒｖｅｄ．Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｔｈｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｂｏｕｔｓｕｒｆａｃｅｐｒｅｓｓｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ．ｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｔｈｅｅｘｔｅｒｎａｌｆｌｏｗａｎｄｔｈｅｒｅｇｉｏｎａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｗｉｌｌａｌｓｏｂｅｄｅｓｅｒｖｅｄ．
４．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｄａｔａａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ，ｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓｐｒｏｐｏｓｅｓｓｅｖｅｒａｌｐｒｉｎｃｉｐａｌｓ
ａｂｏｕｔｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅｓｔｙｌｉｎｇｄｅｓｉｇｎ，ｗｈｉｃｈｃｏｎｔｒｉｂｕｔｅｓｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄｔｒａｉｎ．Ａｔｌａｓｔ．ａｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅｗｉｔｈｏｐｔｉｍｉｚｅｄｓｔｙｌｉｎｇｆｅａｔｕｒｅｓｗｉｌｌｂｅｄｅｓｉｇｎｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅａｂｏｖｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＬｏｃｏｍｏｔｉｖｅＳｔｙｌｉｎｇＤｅｓｉｇｎ，ＣＦＤ，ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ，Ａｉｒ－ｄｒａｇ，ＩＩ
东南大学学位论文独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或***而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
研究生签名：．１幽筮日期：
东南大学学位论文使用授权声明
东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。论文的公布（包括刊登）授权东南大学研究生院办理。
研究生签名：导师签名：芝韭＾Ｊ
第一章绪论
第一章绪论
１．１课题背景与研究意义
１．１．１课题的背景
提高列车的运行速度是一个国家铁路科学技术发展和铁路现代化程度的标志，也从一个侧面反映出一个国家的科技实力，因此自主研发具有世界水平的高速列车和建立自己的高速铁路网络也成为铁路科技工作者和建设者孜孜以求的目标。
我国幅员辽阔，腹地纵深很大，并且人口众多，冈此铁路运输在我国交通运输业占有举足轻重的地位，尽管近几年在与公路及航空运输的竞争中承受了巨大压力，但是铁路仍具有其独特的优势。随着经济的发展，过去的铁路网络不论在速度上还是运力上都无法满足需求，因此发展建设高速铁路成为解决这一矛盾的战略性举措。在运行速度和经济性方面，高铁与公路和航空运输相比，有巨大的优势，更适合大运量长途运输，符合我国国情，在安全性能方面，铁路一直是为人们所接受的最安全可靠的出行方式之一，比如日本高铁自１９６４年建成以来至１９９５年都未发生人身伤亡事故，除此之外高铁还具有正点率高、舒适性好、能耗低、环境污染少等优点，并且具有很好的社会效益，是经济发展强有力的助推剂。
当前，我国正处在高速铁路建设飞跃发展的特殊时期。全长１３００公里，总投资２５００亿元的京沪高铁已经开工建设，全长９００多公里的武汉至广州高铁也已立项。２００８年发布的中国铁路中长期规划中，明确计划至２０２０年我国将建成１．２万公里的高速客运专线，总投资将高达数万亿元。北京奥运会前夕，中国第一条时速３５０公里的高速铁路业已在京津之间建成，这是中国第一条具有世界先进水平的高铁。加之此前中国铁路第六次大提速之后，在既有线路上开行的几十对时速超过２００公里的ＣＲＨ高速动车组，事实上中国铁路已经走入了高铁时代。
中国高铁建设的蓬勃发展势必为高速列车制造企业提供了厂‘阔的市场空间。目前国内两大高速列车制造企业中国南车集团和北车集团，分别与德国西门子、法国阿尔斯通以及日本的川崎重工等世界级高速列车企业合作，联合生产ＣＲＨ系列高速动车组，并广泛在既有线路和新建的客运专线铁路上火批量投入运营，取得了较好的效益。同时，我国自主研发的新一代时速３００公里的高速动车组ＣＲＨ４也已进入整车测试阶段，不久将正式下线，这些都意味着中国的高速列车制造行业将迎来难得的发展机遇。
１．１．２研究意义
随着市场对高速列车需求的进一步提升，高铁车辆的设计和性能得到了更多的关注。激烈的市场竞争和人们对列车品质要求的促使企业加大研发投入以提高产品性能。其中，列车的空气动力学性能至关重要。
高速列车的外观造型设计、特别是车头造型设计，对列车审美功能和空气动力学性能有很大影响。设计既美观义具有优越空气动力性能的列车车头，需要工业设计与空气动力学两个学科的交叉配合，即车头造型设计必须以空气动力学理论为指导，进行深入的空气动力学分析。
高速列车车身庞大细长，并且在地面轨道上运行，其空气动力学复杂性不同于航空飞行器和汽车。如何降低列车空气阻力提高车辆运行稳定性，是摆在列车设计者面前的重要课题。
过去，由于列车运行速度有限，空气阻力的问题并不十分显著。而对于高速列车来说，运行时所受到的空气阻力占到列车总阻力很大一部分，而且随着列车速度的提高而急剧增加。例如，一列以２５０ｋｍ／ｈ运行的高速列车，其空气阻力可以占到列车运行总阻力的５０％以上。因此，为了实现高速铁路的安全、舒适、低能耗并满足环境保护的要求，必须对列车的空气动力学问题进行细致的ｌ
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为了在提高能源利用效率的同时适应现在越来越严格的环境保护要求,对于高效清洁的能源利用方式的需求日益受到重视.湿空气透平循环(HAT循环)等先进热力循环成为人们研究的重点.此类循环的燃烧过程中的加湿燃烧过程增加了燃烧过程的复杂性,详细了解加湿燃烧过程的热力学和燃烧动力学机理是对这些循环过程进行研究的关键之一.该文开展了加湿对甲烷/空气扩散燃烧特性影响的实验和数值模拟研究工作.
本研究围绕复杂地形区域尺度大气污染物的扩散问题，分析了贵州西部“西电东送”几个大型火电厂所在地区的大气边界层特征，采用局部嵌套的高分辨率复杂地形大气扩散模式系统模拟了该地区大气边界层气象场和污染物散布所形成的浓度场，分析其时空分布及变化特征，研究了山区复杂地形的污染气象特征和大气污染物的散布规律。
高分辨率复杂地形大气扩散模式系统在贵州山区的示范性研究表明，该模式系统实现了区域和局地空气质量模式的嵌套，既满足区域范围内瞬时变化的气象场条件下多源排放的浓度模拟要求，考虑其干湿沉降和化学转化等过程，预测的浓度场又可以达到环境质量标准对地面浓度的高分辨率要求，但是，在耦合方案的选取时，要仔细考虑各自模拟的范围、网格距、时间步长、区域模式的初始浓度场以及局地模式边界上存在地形和静小风的情况等因素。
对贵州山区复杂地形的边界层气象场资料进行分析，发现的主要特征如下：
(1)地面以东偏南风向为主，风速小，静小风出现频率高，大气稳定度常年均以中性D类为主。上部逆温出现频率高，表现出维持时间较长，日变化不明显的锋面逆温特征。高空风向集中在SSE和S，风速随高度的变化较复杂。
(2)对湍流的资料分析表明，速度分量谱和热量功率谱有明确的谱峰值及惯性区的-2/3斜率，都在频率0.01处达到最大，平均湍流强度夏季大于冬季，白天大于夜间，且水平方向的湍流强度大于垂直方向的湍流强度。
(3)各稳定度条件下的扩散参数均比国标推荐的值大，大气不稳定时，复杂地形对横向扩散能力影响较大，中性或稳定时，对垂直向扩散能力影响较大，尤其是在近距离垂直方向的扩散能力明显高于国标值。
对该区域大气边界层气象场模拟的结果表明：近地面水平流场分布很不规则，出现许多辐合辐散中心，一般以山顶附近为中心，出现较大范围辐散气流，风由山顶吹向山谷，在谷底辐合并沿着山势形成绕流和洄流，在一些深切的山谷内往往出现静风，山体上空下沉运动较为显著。
对山区复杂地形上空气污染物的扩散进行模拟，给出了不同源排放下各级保证率的小时浓度、日均浓度以及年均浓度分布和时间变化特征。主要结论如下：
(1)最大小时浓度值出现在夜间稳定和白天对流不稳定两种条件下。夜间稳定条件下的高浓度是由于烟流撞山后在山前和山谷内淤积引起的，浓度大小及分布与风向密切相关，同样的风向，若逆温强，湍流弱，浓度值高。白天对流不稳定条件下的地面高浓度是由于地面与混合层顶间内空气剧烈混合造成的，风速小，热力湍流强，烟流高度和混合层高度低，浓度值高，最大浓度点离源近。从污染面积看，夜间稳定条件下容易造成较大范围污染。白天对流不稳定条件下浓度高值区集中在离源近距离处，不会造成大范围污染。
(2)最大日均浓度分布受小时高值浓度及其叠加影响，由污染物在敏感的同一下风方多时次叠加后造成，另外，地面静小风的影响也很大，低风速增强地形的阻塞作用，使高值区浓度更大，浓度分布极端化，最大浓度出现在下风向风速接近零的一些深切的山谷内。
(3)单源排放下污染物最大年均浓度值均处于源西南方向的山谷内，多源排放下则出现多个高值中心。
(4)对于拟建的六枝电厂，所造成的SO2、NOX和TSP的最大时均浓度分别为0.747MG．M-3、0.551MG．M-3、0.114MG．M-3，占国家二级标准的149.5％、229.7％、11.4％：最大日均浓度分别为0.401MG．M-3、0.435MG．M-3、0.040MG．M-3，占二级标准的268％、362.5％、13.3％；最大年均浓度分别为0.0410MG．M-3、0.1008MG．M-3、0.0061MG．M-3，占二级标准的68.3％、126.0％、3.1％。
现代化雷达大功率、小体积及日益苛刻的应用环境，对散热手段提出了越来越高的要求。本文对某雷达发射固态组件的热技术进行了系统的研究，主要内容包括：
(1)对固态组件散热技术的研究背景和意义进行了阐述，对电子散热技术的现状和发展趋势进行了总结。
(2)针对某风冷固态组件的散热需求，利用热阻模型和流体计算动力学（cfd）数值模拟技术分析和设计了散热器。在cfd分析中，建立了流动和换热的三维模型，湍流模型采用了lvel
模型，近壁区采用壁面函数法，网格采用块结构化网格技术，流场计算中采用基于交错网格的simpler算法，对流项采用了quick格式离散，利用基于有限体积法的热分析软件flotherm进行了求解。
(3)根据固态组件的实际运行工况，建立了性能测试系统。将数值模拟的计算结果同实验部分的结果进行比较，可以看出两者有较好的吻合，表明本文的cfd模型分析是合理的。
(4)在证实本文的cfd模型是合理的基础上，利用建立的模型进行了一系列的数值模拟计算和性能研究。
第一、在热叠加原则理论基础上，利用数值模拟方法研究了固态组件的温度场和多个分散热源在热扩展体上的热耦合效应，而且证明了强迫对流情况下热叠加原理形成的温度场和系统模拟时的温度场计算结果非常吻合；
第二、针对固态组件里集中热源的特点，对扩展热阻进行了研究，从理论上探讨了减小扩展热阻改善散热性能的方法。
(5)最后，对本文的工作进行了总结，并且对后续的工作进行了展望。
海水淡化在有效解决缺水问题的同时，对周围环境产生了一些不利影响，其中淡化过程中产生的高浓热盐水直接排海对海洋环境的影响已经引起了环境专家和渔业界的关注。但是我国目前还没有完善的制度来规范限制高浓热盐水的不当排放，因此十分有必要探索研究其直接排放对环境的影响程度，以便采取合理的技术来保护环境，这就提出了用何种模型才能较准确地模拟高浓热盐水排入大水体中的输移扩散情况。
现有的国内外关于流体排海问题的研究主要涉及污染物排放以及热电站或核电站的冷却水排放，而温度差和浓度差同时存在的废水排海问题的研究还不多见。对高浓热盐水排放而言，能量和物质的传递与单独由温差或者盐度差驱动的自然对流会有很大的不同，必须同时考虑温度、浓度和速度场之间的耦合相互作用以及温度梯度和浓度梯度产生的浮升力对其对流扩散过程的影响。本文在前人研究的基础上，建立了波流联合作用下的高浓热盐水输移扩散三维数学模型，通过对实际海湾的潮流场和高浓热盐水进入海洋水体后经湍动混合与输移扩散后的时空分布特性进行数值模拟，揭示了高浓热盐水在海洋复杂条件下的运动及演变规律，研究各种海洋环境特征对它的作用机理和规律，进而对排放影响作出分析判断。准确掌握近岸海域高浓热盐水的输移扩散规律，特别是潮流和波浪在其中的作用，不仅为合理布置水电联产设备的取水口和排放口位置、尽量减小浓盐水排放对海洋环境造成的负面影响提供了有效途径，而且对提高电厂运行效率、海水淡化效率、以及排放设计具有一定的实际意义和理论价值。
本文的研究工作及主要研究成果：
1.在陆架区三维多功能水动力学模型coherens和波浪模型swan的基础上，针对研究问题的具体需要，建立了波流联合作用下的高浓热盐水输移扩散三维数学模型，该模型在流温盐的垂向混合系数的计算中考虑波浪的影响，将coherens模式的垂向湍流混合计算方案与波浪产生的垂向湍流混合相结合，建立了直接含波浪影响的垂向混合作用计算方案。
2.针对胶州湾近岸海域的地形特征以及重点研究区域内计算精度的要求，潮流数值模拟中采用网格嵌套技术，分成渤、黄海大尺度、胶州湾及其周围海域中尺度以及胶州湾近岸海域小尺度三重网格嵌套方式进行，模型的数值模拟结果与实测资料基本相符，单站潮位、垂向平均的流速和流向模拟结果令人满意，水动力模式结果基本反映了胶州湾的水动力特征。
3.以胶州湾西岸的某电厂高浓热盐水排放为例，在水动力特性研究的基础上研究了高浓热盐水自排放口流出后分别在单纯潮流以及波流共同作用下的流动速度分布和相应的温、盐时空分布特性，分析了潮周期平均的温度场和盐度场、深度平均的温度场和盐度场、潮周期平均的温度和盐度垂向分布等。结果表明：规则半日潮流对高浓热盐水的输移扩散起着决定性作用，同时波浪对近岸缓坡区域物质输运也起着重要影响；等温线和等盐度线的分布基本相似，高浓热盐水输移扩散过程中受温度和盐度的分子扩散速率差异的影响很小，没有出现因分子扩散速率差异而形成的双扩散流动特征和异质扩散现象。
4.对温度和盐度之间的非线性耦合关系分析发现，盐度增加ipsu使海水密度的增加值比温度增加1℃使海水密度的减小值要大一些，因此在处理高浓热盐水的排放时必须要考虑温度和盐度对密度的这种非线性作用。
5.通过对三种排放口温度和盐度的不同组合模拟研究温度和盐度对密度的非线性作用，研究表明如果排放流体只有盐度升高而没有温度升高，反而比高浓热盐水对环境的影响大，因此我们在处理海水淡化后排出的浓盐水时，在使周围环境温升达标的前提下适当地使排放浓盐水和环境水体存在温升，反而有利于浓盐水的输移扩散。
燃料再燃技术是诸多降低NOX排放技术中最有效和最有应用前景的技术之一.超细化煤粉再燃技术的提出,并在四角切圆燃烧锅炉上进行工业示范,是从中国的能源结构、电站锅炉的主要燃烧方式及经济实用角度考虑来研究适合中国电站煤粉锅炉降低NOX排放的燃烧技术,这项技术在中国具有广泛的应用前景.该文以某电厂600MW机组的锅炉为原型,根据再燃燃料量的不同设计了两种再燃改造方案;按1:26的比例设计并搭建冷态模化试验台;根据主燃区不同的过量空气系数和二次风不同的摆角排出了六个试验工况;采用PDA测量系统对再燃区和燃尽区的流场特性进行测量.对主燃区不同配风方式下再燃区流场从速度场、浓度场和湍流场三方面进行分析,得出了随主燃区过量空气系数的增大,炉内气流的实际切圆直径减小,气流上升趋势明显,浓度分布均匀,湍流扩散能力增强的变化规律.燃尽区流场特性则从速度场和湍流场进行分析,发现燃尽区流场随主燃区过量空气系数的变化与再燃区流场相似.对二次风偏转情况下的研究又从燃尽风正反切两方面进行.燃尽风正切情况下,随着二次风喷口摆角的增大再燃区和燃尽区气流的实际切圆直径增大但呈椭圆形,气流上升趋势明显,颗粒相集中在水冷壁附近,湍流特性值减小,湍流的各向异性减弱.当燃尽风反切时,再燃区和燃尽区的实际切圆直径都减小,再燃区颗粒相在整个炉膛截面分布比较均匀,湍流扩散能力增强.该文研究表明,改变主燃区的配风方式和二次风摆角对再燃区和燃尽区流场有较大的影响.研究结果将为锅炉采用再燃低NOX技术进行改造和运行时工况调整的提供理论依据.
根据对前人研究工作的总结和本课题研究的需要,对坐标变换、湍流模型、交错网格、自由表面流动和污染物扩散输移的数值计算进行了系统的文献综述,以研究曲线坐标系下水流运动和污染物扩散输移的数学模型作为本文的研究重点.不规则边界的模拟采用坐标变换方法;通过对湍流模型的经济性和准确性对比分析,建模中分别采用了标准κ-ε湍流模型和代数应力湍流模型来模拟流动的湍流特征;模型离散采用有限体积法,变量在离散网格上的布置分别采用了B-交错网格、C-交错网格和同位网格三种网格系统;模型求解时使用SIMPLEC算法;对模型中污染物扩散输移的数值模拟时,只对具有实测资料的实验室连续弯曲水槽的平面二维、三维部分断面的浓度分布进行验证,在对实验室明渠立面二维、天然弯曲河流的平面二维和三维模拟时,只给出了污染物在特定排放情况下的浓度分布预测.本文推导了REYNOLDS ***ERAGED N***IER STOKES(RANS)方程在平面二维ξ-η坐标、立面二维σ坐标和三维ξ-η-S坐标下的变换公式,建立了ξ-η坐标下平面二维水流和污染物扩散输移的标准κ-ε湍流模型和代数应力湍流模型、σ坐标下立面二维水流和污染物扩散输移的标准κ-ε湍流模型和代数应力湍流模型以及ξ-η-S坐标下三维水流和污染物扩散输移的标准κ-ε湍流模型.对实验室连续弯曲水槽和天然河流进行了平面二维水流的数值模拟.对天然弯曲河流部分断面计算纵向流速、水位和实测值进行了比较;对两种湍流模型计算的实验室连续弯曲水槽中部分断面的流速、湍流动能、湍流动能耗散率进行了比较.用实验室连续弯曲水槽中的污染物的浓度分布对模型进一步验证,并对天然弯曲河流中特定位置排放污染物的对流扩散进行了预测.以实验室明渠为例对立面二维模型进行验证,实现了水流和污染物扩散输移的数值模拟.分别计算了静压假定和非静压假定情况下的自由面水位值,并进行了比较、分析.应用标准κ-ε模型和代数应力模型分别对算例进行计算,比较了部分断面的流速、湍流动能、湍流动能耗散率和摩阻流速的分布,并应用代数应力模型计算了REYNOLDS应力分布.进行了在污染物特定的排放情况下浓度场的预测.通过对实验室宽浅强弯水槽和连续弯曲水槽的流场进行验证,计算了部分断面的二次环流,并对具有实测资料的断面进行比较.对实验室连续弯曲水槽进行了污染物浓度场的验证,从计算结果看来,由于三维模型计算了二次环流,浓度场的分布比二维模型的计算结果更合理,避免了二维模型中靠调整横向扩散系数来加大污染物的横向扩散.在对天然河流的三维模拟中,对自由表面的模拟,采用"改进的刚盖假定"法;对河床地形的近似,首先应用"网格堵塞技术",然后应用完全三维坐标变换.分别应用两种方法计算了河流流速场,并比较了断面二次环流的分布.对天然弯曲河流中在特定位置排放污染物的浓度分布进行了预测计算.
本文的研究对象是某型涡轮增压器试验台上的烟气发生器，它是烟气发生装置，为试验台提供额定温度和流量的烟气，以确保涡轮增压器正常工作。随着计算流体力学和燃烧理论的发展，数值模拟烟气发生器内部燃烧流动、传热、传质等复杂过程已成为可能。应用数值模拟的方法可以对实验难以测量的参数进行预估，而不需要大量的实验，应用数值模拟的方法来解决烟气发生器燃烧性能的分析和工程设计，有利于提高工作的可靠性和经济性。
本文针对烟气发生器内部稳态三维反应流进行了数值模拟，建立了烟气发生器稳态三维湍流反应流的数学模型。采用rngκ-ε双方程湍流流动模型模拟内部流动；采用化学反应的简单化学反应系统来模拟烟气发生器内部湍流扩散燃烧；采用颗粒群轨道模型来描述液滴离散相的运动轨迹和变化历程。在数值模拟过程中，对于控制方程采用一阶迎风格式的差分格式进行离散，壁面处理采用壁面函数法；采用simplec算法来解决压力速度耦合问题；用多重网格法来求解离散方程。
本文首先对此烟气发生器原始设计方案进行三维建模和流场分析，并且找出原始设计中存在的问题，通过改进其几何结构，得到烟气发生器的结构优化方案。对烟气发生器进行数值模拟，得到了各流场参数同平均混合分数、混合分数脉动均方值的关系图，烟气发生器内部温度、压力、速度、流线、密度、各种燃烧产物体积分数等一系列湍流燃烧流场的特性参数分布，并对这些参数分布进行了分析。
计算结果表明，由于原始设计方案结构的不合理，造成炉膛内流动不合理，燃烧集中，高温区贴近壁面，出口平均温度远低于设计要求等一系列问题。由此对原始结构做了较大改动，改变进气位置，并且添加了空气稳压室挡风板，更改了炉膛中部和后部的掺混结构。通过数值模拟表明，所采取的改进措施的效果明显，达到了优化燃烧，控制高温区范围的主要优化目的。
柴油机燃烧过程的好坏，基本上决定了柴油机的动力性、经济性和排放性。燃油的雾化质量是影响燃烧过程最重要的因素。喷雾混合的物理过程是一个瞬变的、多维多相的复杂过程，包括燃油喷射、雾化、液滴的裂化与聚合、油束扩散、蒸发、碰壁、喷雾和空气运动等相互作用及混合等多个过程，是这些过程的综合与叠加。目前，内燃机的燃油喷雾过程的研究大多都是采用试验研究，但这往往会存在着一些问题，如：实验研究时，实验复杂、困难；耗时、耗力；仪器设备落后、实验得出的数据精度不够等等。因此，弄清喷雾雾化机理，研究喷雾特性的影响因素和变化规律，探明喷雾与空气的混合过程，从而合理组织燃烧对于提高发动机的性能是至关重要的。
论文首先论述了燃油的喷射雾化机理、喷雾特性及其影响因素；利用三维软件catia建立燃烧室模型；然后分析了燃油喷雾过程的数学模型(质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程)和物理模型(雾化模型、碰撞模型、破碎模型、湍流扩散模型、动态曳力模型)；通过运用fulent。对不同涡流强度下燃油喷雾过程进行数值模拟，得出了涡流强度对燃油喷雾的影响规律。
本文对不同涡流强度时燃油喷雾过程进行数值模拟，能较清楚地得出不同涡流强度时燃油喷雾过程速度、浓度、压力的具体分布情况。通过分析得出了燃烧室内涡流的存在有助于燃油与空气的混合；随着涡流强度的增大燃烧室内的燃油平均浓度逐渐减小，涡流强度越大，燃油和空气的混合越均匀。这为进一步研究涡流强度对燃油喷雾的影响提供了依据。
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