氣動懸浮列車單向翼翼型優化與地面效應分析

賴晨光, 任浡麒, 閻志剛,*, 魏園園

(1. 重慶理工大學 汽車零部件制造及檢測技術教育部重點實驗室， 重慶 400054；2. 重慶理工大學 車輛工程學院, 重慶 400054)

氣動懸浮列車單向翼翼型優化與地面效應分析

賴晨光1,2, 任浡麒2, 閻志剛2,*, 魏園園2

(1. 重慶理工大學 汽車零部件制造及檢測技術教育部重點實驗室， 重慶 400054；2. 重慶理工大學 車輛工程學院, 重慶 400054)

高速氣動懸浮列車(Aero-train)是一種利用機翼地面效應原理的創新型高效高速低能耗高速列車。本文以LA203A為基礎翼型，利用遺傳算法與數值模擬的方法對基礎翼型進行氣動優化設計。通過對優化翼型的地面效應模擬分析，得出優化后的翼型其氣動特性有明顯改善，并由此得出氣動懸浮列車單向翼離地間隙、迎角與阻力、升力、升阻比之間的關系。利用CFD技術對安裝有基礎機翼和優化后機翼的氣動懸浮列車初始研究模型(AERO-1)整車氣動特性進行數值模擬以及分析前后端機翼的流場特性，并利用風洞實驗方法對裝有優化機翼的氣動懸浮列車初始研究模型(AERO-1)氣動特性進行研究。利用遺傳算法優化后機翼翼型升阻比特性較基礎翼型最高提升26%，具備優化機翼的氣動懸浮列車(AERO-1)在地面效應下的氣動特性優于原始模型。本文研究為機翼地面效應分析以及氣動懸浮列車研究提供理論依據。

氣動懸浮列車; 翼型; 風洞實驗; 遺傳算法; 地面效應; CFD

0 引 言

高速氣動懸浮列車(Aero-train)是一種利用空氣動力原理的創新型高速列車，即利用帶側翼的列車行駛在距離地面或水面上方一定空間時所產生的地面效應即WIG(Wing-In-Ground)現象而懸浮飛行的列車。圖1是氣動懸浮列車概念圖[1]。氣動懸浮列車首先由日本東北大學提出，并在日本政府的支持下開展著相關研究。

通過日本東北大學前期試驗及調研得到幾種常用交通運輸工具(波音747飛機、日本新干線、上海磁懸浮列車)的運載經濟效率E如圖2所示。運載經濟效率E定義如式(1)所示：

E= (L/D)(V/500)2P

(1)

其中，L為氣動升力，D為氣動阻力，V為交通運輸工具的巡航速度(km/h)，P為載荷率，表示載荷質量與總質量的比值[2,3]。國內只有重慶理工大學賴晨光研究團隊在與日本東北大學合作進行氣動懸浮列車相關研究。日本東北大學在氣動懸浮列車研究過程中選用現有標準翼型作為氣動懸浮列車機翼，本文利用遺傳算法結合CFD技術對特定地面效應下翼型進行優化設計并得出在該條件下更優的氣動懸浮列車翼型。

氣動懸浮列車研究關鍵在于其地面效應對機翼翼型氣動特性的影響程度。本文在優化翼型時以初始模型中的翼型LA203A為基礎，利用遺傳算法與CFD技術相結合的方法優化設計出氣動特性更佳的

翼型以滿足氣動懸浮列車的設計要求。分別對基礎翼型和優化翼型及安裝這兩種機翼后的整車進行地面效應數值分析。利用風洞實驗方法對安裝有優化翼型的氣動懸浮列車初始研究模型(AERO-1)整車氣動特性進行研究。

1 氣動懸浮列車AERO-1研究模型結構

圖3為氣動懸浮列車的初始模型結構圖，該研究模型僅保留了列車部分主要特征，簡化了列車動力裝置及車輪。在AERO-1的車身底部安裝有兩副機翼。AERO-1的行駛軌道截面形狀為U形。

機翼兩端安裝有端板，端板的截面形狀為矩形。當氣動懸浮列車高速行駛時，機翼由于地面效應產生的升力將使氣動懸浮列車懸浮于地面一定高度飛行。機翼的迎角為α，離地間隙為H，機翼有效展長為Ld，弦長為L。AERO-1的主要尺寸參數如圖3。

2 AERO-1單向翼翼型優化設計

AERO-1單向翼機翼弦長為L=1000 mm，有效展長Ld=1000 mm。將AERO-1初始翼型LA203A作為優化設計的基礎翼型，利用解析函數線性疊加方法[5]對機翼翼型幾何形狀進行描述并利用遺傳算法對翼型進行氣動優化設計，并通過CFD技術對基礎翼型和優化翼型的地面效應分別進行模擬分析。

2.1 翼型的幾何表達

翼型的形狀由基準翼型、型函數及其系數來定義。

(2)

(3)

(4)

a1=[-0.006 0.006],

a2=[-0.010 0.004],

a3=[-0.008 0.008],

a4=[-0.008 0.008],

a5=[-0.006 0.004],

a6=[-0.008 0.006],

b1=[-0.005 0.007],

b2=[-0.008 0.010],

b3=[-0.006 0.008],

b4=[-0.006 0.010],

b5=[-0.004 0.004],

b6=[-0.008 0.006]。

2.2 網格劃分及CFD計算

計算域為方槽形，機翼初始迎角為迎角α=5°，初始離地高度為1/2L(L為機翼弦長，值為1000 mm)。整體網格布局采用非結構網格和棱柱網格相結合的形式。機翼局部網格如圖4所示。利用FLUENT軟件計算設計翼型的阻力系數、升力系數，以得到在相對應條件上的升阻比，計算初始狀態為速度Ma=0.3,迎角α=5°，初始離地高度為1/2L，雷諾數Re=1.04×107[6]。升力系數、阻力系數通過在FLUENT中選擇Spalart-Allmaras(1 eqn)模型求解N-S方程得到。

2.3 響應面模型及遺傳算法

通過U12-120的均勻設計方法[7]建立翼型升力系數、阻力系數、升阻比和翼型設計變量之間的響應面。根據均勻設計矩陣表給定的翼型設計參數, 計算速度Ma=0.3,迎角α=5°,雷諾數Re=1.04×107時翼型的氣動特性值并用其建立Kriging響應面[8]。目標函數為f=CL/Cd，約束條件主要包括翼型的參數變化范圍。優化設計中取翼型上下面的12 個控制參數作為設計變量(上下翼面各6個) , 并與固定的前后緣一起作為翼型的控制參數來確定翼型形狀。

對于運用遺傳算法對一個具體問題優化來說，優化結束時具有最大適應值的個體所對應的設計變量值便是優化問題的最優解[9]。通過建立響應面模型了解個體區間及總體規模，得到群體由120個隨機個體組成即群體規模。通過基于賭輪法的選擇算子，使父代的優良個體以較大的概率在子代中得到繼承的遺傳。雜交和變異可以避免局部優化從而保證收斂的全局搜索性。定義交叉概率為0.9、變異率為0.01，得到交叉個體數目為108[10]。 表1 給出了優化前后翼型的升力系數、 阻力系數和升阻比。圖5給出了初始翼型和優化設計后的翼型形狀。LA203A 翼型屬于高升力翼型,優化后的翼型前沿變薄，后沿彎度增大,整體厚度變小，翼型的最大厚度位置后移,其升阻比相對基準翼型 LA203A 增大30%左右。

表1 翼型優化前后氣動特性結果Table 1 Aerodynamic characteristics results ofthe initial and optimized airfoil

3 翼型地面效應分析

當有正彎度機翼貼近地面飛行時，機翼下表面由于堵塞效應使流速加快，機翼上下表面壓力差增大，因而機翼升力增加，誘導阻力減少，從而使機翼的升阻比提高的現象稱為機翼的地面效應[11,12]。本文通過對優化翼型及基礎翼型做地面效應對比分析，得出優化翼型在地效區的氣動特性(升力系數、阻力系數、升阻比)要優于基礎翼型。 運用實驗數據法得出各設計變量(離地間隙和迎角)與目標變量(阻力系數、升力系數、升阻比)之間的數值關系，其中迎角變化范圍為-10°到13°、離地間隙變化范圍為1/4L到2.3L(L為機翼弦長，值為1000 mm)，并在變量變化范圍內生成變量矩陣，共50組變量參數。由于變量只有兩個，因此，同一個角度對應了多個離地間隙。之后建立翼型升力系數、阻力系數、升阻比和設計變量(離地間隙、迎角)之間的關系，計算初始狀態為速度Ma=0.3，迎角α=5°，初始離地間隙為1/4L，雷諾數Re=1.04×107時翼型的升力系數、阻力系數, 并得出其升阻比。

基礎機翼和優化機翼氣動特性分析結果如圖6、圖7、圖8和圖9。從圖6可以看出優化后翼型升力系數對于原始翼型升力系數有較大的提升，其中兩幅翼型在迎角范圍為-2°至2°時升力系數差異較小，迎角在4°至6.5°范圍內有較大的變化，特別是在迎角為6°的情況下，優化后的翼型升力系數(1.48)明顯大于原始翼型升力系數(1.3)。圖7所示為阻力隨迎角的變化趨勢，優化翼型與原始翼型阻力系數在迎角范圍5°至7°的情況下阻力系數明顯降低，并在-1°至4°范圍內變化較為平坦。兩幅翼型升阻比變化如圖8所示，優化翼型升阻比線斜率明顯增加，在迎角范圍為5°至6.5°時升阻比有明顯提升，相對于原始翼型升阻比提升約26%左右。從圖9可以看出隨著離地間隙擴大升阻比降低，在離地間隙范圍大于1L(L為機翼弦長，值為1000 mm)時升阻比變化幅度很小，并且趨于平緩，表明離地間隙已經不再是影響升阻比的主要因素,優化前后翼型升阻比隨離地間隙的變化趨勢基本相同，但在離地間隙為1/4L至1L范圍內優化翼型相對于原始翼型有一定提高，最大提高達18%。

4 AERO-1整車地面效應風洞實驗研究

本次研究風洞實驗在吉林大學風洞實驗中心進行，風洞為開口、回流式低速風洞。最大風速為50 m/s。風洞實驗模型AERO-1整車尺寸參數見圖3所示。實機翼有效弦長L為150 mm，H為離地間隙，α為機翼迎角。驗段地面放置2200 mm×4100 mm的黑色平板以模擬固定地面，軌道側壁面尺寸為220 mm×3100 mm。氣動懸浮列車采用底部支撐方式，并與三分力傳感器相連接，數據采集時，僅采集z方向、x方向的數值(其中z方向為氣動懸浮列車升力、x方向為氣動懸浮列車阻力)。由于風洞設施風速最高50m/s的限制，本次實驗來流速度為35m/s。軌道側壁面與氣動懸浮列車翼端之間距離和氣動懸浮列車離地間隙均為為1/5L(30 mm)。迎角分別為0°、5°、10°。如圖10所示。利用FLUENT軟件計算AERO-1實驗模型的阻力、升力，以得到在相對應條件上的升阻比，為了使數值計算與實驗結果阻力誤差小于5%、升力誤差小于10%,機翼最小網格尺度設置為2 mm、車身網格尺度為8 mm，整體網格數量在500 W～600 W之間。圖11、圖12、圖13為在實驗工況下氣動特性值對比。

圖11、圖12、圖13為在實驗工況下氣動特性值對比。數值計算時，通過對網格、邊界層以及計算模型等的調整，使得數值計算值與實驗值之間的誤差在允許誤差范圍內。圖14為機翼迎角為5°，離地間隙為30 mm時車頭右側機翼及車尾左側機翼上表面的表面流動狀況。車身側向擾流及機翼端板擾流加劇了氣流在機翼上表面的分離趨勢[13-15]。氣流流過前端翼后，使得后端翼處于前端翼氣流尾流湍流區，紊亂的來流使得后端翼上表面流動狀態更為復雜。由于前端翼來流相對均勻，因此對氣動特性的主要影響因素為車身的側向擾流及端板擾流。但后端機翼流場處于車身側向擾流、前端機翼尾部紊流和端板側向擾流混合影響，特別是前端機翼尾部紊流導致了后端機翼來流流速變化和來流分離加劇。前后端機翼周圍流動的不均勻性使得其氣動特性有所不同，將導致列車在運行時前后機翼產生升力差，嚴重者將誘導列車以及機翼振動。

5 結束語

通過對高升力翼型LA203A 在地面效應存在的情況下進行了氣動優化設計并對基礎翼型與優化翼型進行了對比分析，最后利用數值模擬機風洞實驗的方法通過對整車的地面效應進行了地效分析對比，得出以下結論：

與基準翼型相比,新翼型的升阻比有明顯提高，特別是在迎角范圍5°至6.5°、離地間隙在1/2至3/4倍氣動弦長的情況下，翼型氣動特性(升力系數、阻力系數、升阻比)有較大提升。翼型升阻比隨離地間隙的增加而減少，離地間隙變化范圍在大于等于一倍弦長時升阻比變化趨于平緩，表明此時離地間隙不再是影響升阻比的變化主要因素。

利用遺傳算法進行高升力翼型的氣動優化設計研究及對優化前后翼型地面效應分析研究,對氣動懸浮列車的氣動設計研究具有一定的指導意義。

利用數值模擬及風洞實驗的方法對保留氣動懸浮列車大部分特征的實驗車型的地面效應的分析得出，優化后翼型滿足氣動懸浮列車的氣動要求(高升低阻)。通過油流法對機翼上表面流動分析，后端機翼處于前端機翼尾部湍流區，不均勻的來流使得后端機翼氣動特性產生不穩定影響，該不穩定的影響可能導致列車在運行時出現前后升力的變化差及機翼顫振。該點需要繼續研究從而找出降低相互影響同時又滿足氣動懸浮列車升力需求的最優距離及迎角范圍。

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Optimization and wing-in-ground analysis on Aero-train unidirectional-wing

Lai Chenguang1,2, Ren Boqi2, Yan Zhigang2,*, Wei Yuanyuan2

(1.KeyLaboratoryofManufactureandTestTechniquesforAutomobilePart,MinistryofEducation,
ChongqingUniversityofTechnology,Chongqing40054,China;2.SchoolofAutomobileEngineering,ChongqingUniversityofTechnology,Chongqing400054,China)

Aero-train is a new transportation with high speed and low energy consumption is based on the wing-in-ground effect(WIG).The Aero-train concept proposed Tohoku University in Japan in the first place and the relevant research carried out the support of the Japanese government. In this paper, the aerodynamic optimization design of LA203A is carried out by using genetic algorithm and numerical simulation method.the simulation analysis ground effect optimized airfoil, the influence of the ground clearance and the attack angle on the drag, lift and lift drag ratio of the -train and the aerodynamic characteristic is improved .CFD technology to the aerodynamic characteristic of AERO-1 with wings and optimized wings and the flow field characteristics around the front and rear wing. the aerodynamic characteristics of Aero-train with optimized wing, the wind tunnel test was in Jilin University. The lift-drag ratio of optimized airfoil which optimized by genetic algorithm method is 26% higher than the airfoil. The provides theoretical basis for the analysis of wing-in-ground effect and the research Aero-train.

Aero-train; airfoil; wind tunnel test; genetic algorithm; wing-in-ground; CFD

0258-1825(2017)01-0123-06

2015-06-11;

2016-05-13

國家自然科學基金(51305477)

賴晨光(1978-)，男，教授，研究方向：汽車空氣動力學 .E-mail：10442725@qq.com

閻志剛*(1990-)，男，碩士研究生，研究方向：汽車空氣動力學.E-mail：847058190@qq.com

賴晨光, 任浡麒, 閻志剛, 等. 氣動懸浮列車單向翼翼型優化與地面效應分析[J]. 空氣動力學學報, 2017, 35(1): 123-128.

10.7638/kqdlxxb-2015.0159 Lai C G, Yan Z G, Ren B Q, et al. Optimization and wing-in-ground analysis on Aero-train unidirectional-wing[J]. Acta Aerodynamica Sinica, 2017, 35(1): 123-128.

V211.3; V211.7

A doi: 10.7638/kqdlxxb-2015.0043