摘 要

高铁是现在生活必不可少的工具，高铁的换气口是保证乘客舒适性、安全性的重要结构。换气口的流场特征复杂，为了可能愈加理解换气口的流场性质，便于对换气口进行优化，对换气口流场特性的研究是有必要的。

本文将换气口简化成T型矩形通道模型，利用IFA300热线风速仪测得T型矩形通道口附近截面不同法向位置点的流向和展向瞬时速度。通过对截面X=0、X=3截面上不同法向位置点测量数据进行处理，对比分析得到抽吸湍流的统计特征的影响。利用快速傅里叶变换对脉动速度时间序列分析研究，将脉动速度在时域上的变化分布转化为能量在频域上的分布，得到抽吸扰动对湍流能谱的影响。研究发现，对于流向平均速度，加入抽吸后由于只有百叶窗结构，近壁区域粘性效应降低，速度分布趋于平缓，远避区域。抽吸比增大，近壁区域平均速度增大；主流速度增大，近壁区域平均速度增大。抽吸对湍流强度的流向和展向方向影响不同，对于流向湍流强度，抽吸主要影响其近壁区域。随着主流速度增大，流向湍流强度减小；抽吸比增大，流向湍流强度减小。抽吸对流向能谱的影响主要在低频大尺度区域的湍流相干结构。加入抽吸会使低频区域（1~100HZ）能谱密度增大；随着距离壁面法向距离的增大，能谱密度减小，抽吸影响也减小。同时发现随着主流速度增大，能谱密度变化不大；抽吸比增大，能谱密度减小。

关键词：抽吸；热线风速仪；傅里叶变换；统计特征；能谱；

Abstract

High-speed rail is an essential tools to human’s life, the ventilation of high-speed rail which is an important structure to ensure passenger comfort, security. The flow field characteristics of the ventilator are complex. In order to understand the flow field characteristics of the ventilator, which is convenient to optimize the ventilation port, it is necessary to study the characteristics of the flow field.

In this paper, the ventilation port is simplified into a T-tube model, and the velocity time series is obtained by measuring the streamwise velocity and spanwise velocity of the section near the suction port by the IFA300 hot wire anemometer. Through the analysis of the data of different normal points on the cross section X = 0 and X = 3, we can obtain the statistical characteristics of the suction turbulence. Through comparing Fast Fourier transform analysis of different pulsating velocity, the variation of the pulsating velocity in the time domain is transformed into the distribution of energy in the frequency domain, and we can obtain the influence of suction perturbation on turbulence energy spectrum. For streamwise average velocity, it was found that the velocity distribution became stable due to the viscosity distribution of the near-wall region decreased after adding suction, which has little effect on the average velocity of the far-reaching area, the suction ratio increases, the average velocity of the near-wall region increases, the main velocity increases, the average velocity of the near-wall region increase. The effect of suction on streamwise turbulence intensity and spanwise turbulence intensity is different. For streamwise turbulence intensity, the suction mainly affects its near-wall region. With the increase of the main velocity, the streamwise turbulence intensity decreases, and the streamwise turbulence intensity decreases as the suction ratio increases. The effect of suction on the energy spectrum is mainly in the low-frequency large-scale region. The addition of suction will increase the spectral density of the low frequency region (1 ~ 100HZ). With the increase of the distance from the wall, the spectral density decreases and the effect of the suction decreases. At the same time, it is found that the spectral density has not changed much with the increase of the main velocity, and the spectral density decreases as the suction ratio increases.

Keywords: Suction; Hot-wire anemometer ; Fourier transform ; Statistical characteristics ; Energy spectrum ;

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3本文研究工作 4

第2章 热线风速仪 5

2.1热线风速仪的工作原理 5

2.2热线风速仪的实验误差 6

2.2.1热线风速仪的空间分辨率 6

2.2.2时间分辨率问题 7

2.3.3温度问题 8

2.3热线风速仪的标定方法 8

第3章 傅里叶变换 10

3.1连续傅里叶变换 10

3.2离散傅里叶变换 10

3.3快速傅里叶变换 11

3.3.1时间抽取法FFT 11

3.3.2频率抽取法FFT 12

3.3.3快速傅里叶变换的MATLAB实现 12

第4章 湍流特性参数 14

4.1高阶统计矩 14

4.2湍流能谱 15

4.2.1能谱概述 15

4.2.2能谱计算方法 16

第5章 实验装置及测量方法 17

5.1实验台简要介绍 17

5.2实验工况 19

5.3测量位置 19

第6章 湍流流场的统计特征分析 21

6.1时均速度 21

6.1.1流向无量纲速度 21

6.2.2展向速度 24

6.2湍流强度 26

6.2.1流向湍流脉动强度 26

6.2.2展向湍流强度 28

6.3脉动速度的平坦因子 30

6.3.1流向平坦因子 30

6.3.2展向平坦因子 33

6.4脉动速度偏移因子 35

6.4.1流向偏移因子 35

6.4.2展向偏移因子 37

第7章 湍流流场的能谱分析 39

7.1抽吸对不同位置点的影响分析 39

7.2不同抽吸比对能谱的影响分析 43

7.3不同主流速度对能谱的影响分析 45

第8章 结论与展望 47

参考文献 49

致谢 51

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

高铁现在成为人们出行的必不能缺少的交通工具，世界铁路的发展史也证明，高铁是经济社会进步的必要趋向。从1964年日本开通第一条以210公里/小时运行的高速铁路以来，高速铁路表现出了旺盛的生命力，欧美和亚洲许多地区都开始兴修高速铁路。而中国则是其中的佼佼者，据统计，中国现在修建运行的高速铁路长度长达两万公里。我国高速列车最近几年得到迅猛发展，列车运行速度高达300km/h。在如此高的时速下，空气动力性能影响着列车的安全，基于此需要考虑以下问题

(1)列车在高速运行时为了安全是不允许打开窗户的，但是在运行时又要保证车内空气的流通以便提高乘客的舒适性，这时车厢就要设置进排换气口。

(2)列车在运行过程中要对动力装置进行冷却。而动力装置的散热一般采用风冷，这时需要从舱外进入空气。进入冷却单元后对动力装置进行冷却后排出舱外，这时也需要设计进排气口如图1所示。

(3)列车的换气口的为了遮挡大块杂物进入车内，通常换气口采用百叶窗结构。图2所示是高速列车换气口车内进排气流和车外气流关系。