串列双幅典型断面三分力系数气动干扰效应

采用风洞试验与数值模拟相结合的方法对串列双幅典型断面（矩形断面、Π型断面及流线型断面）三分力系数和斯脱罗哈数的气动干扰效应进行了研究。首先针对宽高比为5的单幅矩形断面分别进行了三分力系数的数值模拟和风洞试验测试,数值模拟结果与风洞试验结果吻合良好;然后对串列双幅典型断面不同间距比D/B（D为双幅断面之间净间距,B为单幅断面宽度）对应的三分力系数及斯脱罗哈数进行了数值模拟。研究显示：上游断面阻力系数与单幅断面比较接近,下游断面阻力系数则随间距比D/B的增加而增加;上游断面升力系数、升力矩系数脉动根方差气动干扰因子明显小于下游断面升力系数脉动根方差气动干扰因子,两者均随间距比D/B先增加后减小。     

微椭圆形截面斜拉索临界雷诺数区气动特性试验研究

为了研究微椭圆形截面斜拉索临界雷诺数区的气动特性,以标准圆形截面斜拉索模型和微椭圆形截面斜拉索模型为研究对象,开展了考虑截面变形和风攻角变化的风洞试验,得到了不同情况下雷诺数对模型气动力系数的影响规律,同时通过对升力时程和升力频谱分析,得到了临界雷诺数及附近区域的标准圆形截面和微椭圆形截面模型尾流旋涡脱落的变化。结果表明:微椭圆形截面模型在雷诺数亚临界区时,升力系数基本不受雷诺数的影响;在临界区时,升力系数随雷诺数逐渐增大;风攻角0°~50°时,微椭圆形截面模型升力系数最大值对应的雷诺数随风攻角同步增大;微椭圆形截面模型的升力时程在TrBL0向TrBL1阶段和TrBL1向TrBL2阶段过渡中会出现双稳态现象;微椭圆形截面变形会影响斜拉索尾流区旋涡脱落情况,进而影响不同雷诺数下的St数值变化。     

宽高比为5的矩形断面梁气动力展向相关性研究

针对宽高比为5的矩形断面梁进行了节段模型测压风洞试验,研究了气动力的展向相关性随展向间距和来流风攻角的变化规律。研究结果表明:气动力的展向相关系数随展向间距的增大而逐渐减小;在同一展向间距下,升力的展向相关系数最大,扭矩的展向相关系数次之,阻力的展向相关系数最小。升力和扭矩的展向相关系数在0°风攻角时最大,且随着风攻角的增大而减小。     

串列多圆柱气动力干扰效应的试验研究

通过刚性模型测压风洞试验,在均匀流场中对比研究了不同数量和不同间距串列多圆柱气动力的干扰效应。串列多圆柱两相邻圆柱的中心距L与圆柱的直径D之比L/D的变化范围为1.2~12.0。圆柱数量的变化范围为1~4。试验的雷诺数为3.4×10⁴。试验结果发现:串列多圆柱发生流态切换的临界间距比(L/D)cr为3.5~4.0,在临界间距附近,前两个圆柱的时均阻力系数和脉动升力系数突升,其余圆柱则突降,所有圆柱的斯托罗哈数均突升;气动干扰对串列多圆柱时均阻力系数和斯托罗哈数的影响主要表现为减小效应;后方干扰圆柱数量的增加对上游第一个圆柱气动力的影响基本可以忽略;前方干扰圆柱数量的增加对下游最后一个圆柱的气动力影响显著。     

串列多方柱气动特性的试验研究

为研究串列多方柱的气动特性,采用刚性模型测压风洞试验的方法研究了雷诺数为3.2×10~4时,间距比在1.2～8范围内,串列双方柱和串列三方柱在不同间距比下的风压系数、升阻力系数以及斯托罗哈数。结果表明:串列双方柱的临界间距比在3～3.5之间,串列三方柱存在两个临界间距比,分别在2.5～3和3.5～4。通过串列双方柱和三方柱的对比可以看到:在双方柱下游增加一个方柱会显著影响其气动特性,平均阻力系数的绝对值、脉动升力系数和斯托罗哈数均在间距比L/D≤3.5时减小,但在间距比L/D≥4时这种减小效果减弱。风压分布与原双方柱相似,但数值有所不同,在间距比为3.5时差异最为明显。位于双方柱下游的方柱其气动力及风压系数在间距比为2.5～3时突然增大,在间距比为3.5～4时则相反。     

串列双幅断面颤振稳定性气动干扰试验研究

针对大跨双幅桥面桥梁气动干扰效应问题,采用风洞试验方法,在均匀流场、零度风攻角条件下研究了不同间距比时串列双幅典型断面(矩形断面、Π型断面及流线型断面)的颤振稳定性气动干扰效应。研究表明:串列双幅典型断面发生颤振失稳时,下游断面先失稳,上游断面后失稳;串列双幅钝体断面(矩形断面、Π型断面),当间距比D/B为0.2,0.5(D为串列双幅断面净间距,B为单幅断面宽度)时,串列双幅钝体断面颤振临界风速低于单幅钝体断面颤振临界风速;当D/B为1,2,4,6时,串列双幅钝体断面颤振临界风速高于单幅钝体断面颤振临界风速;串列双幅流线型断面颤振临界风速随间距比D/B增加而增加,在试验间距比范围内(D/B的值为0.3,0.6,1,2,4,5)均小于单幅流线型断面颤振临界风速,气动干扰效应降低了双幅流线型断面颤振临界风速。     

串列双塔柱风荷载及涡振性能研究

为研究双柱式桥塔的抗风性能,以实际桥塔为工程背景,采用CFD数值模拟方法分析了两串列带圆角方柱的非定常绕流。在验证分析方法可靠性的基础上,研究了风速、风向角和间距比对截面气动力系数的影响,并进一步研究了各塔柱及桥塔整体的涡振性能,对比了由于上游、下游塔柱侧力大小及变化趋势不同而造成桥塔扭矩增大的效应。研究结果表明:间距比的不同将显著改变串列塔柱气动特性,其临界值约为3,此时两柱阻力系数之和最小,侧力系数均方根值接近零。     

高雷诺数下错列双圆柱气动干扰的机理研究EI北大核心CSCD

为了进一步澄清小间距错列双圆柱的气动干扰机理,该文采用大涡模拟方法,在高雷诺数下(Re=1.4×105),研究了间距为2倍圆柱直径的错列双圆柱的气动性能和流场特性随风攻角的变化规律,分析了两个圆柱气动力系数相关性,探讨了下游圆柱气动力与流场结构的内在联系,对下游圆柱平均升力的流场机理提出了新的解释。研究表明,大涡模拟得到的结果与风洞试验值吻合良好;下游圆柱的气动性能、流场结构和两个圆柱气动力相关性均会随风攻角发生剧烈变化;风攻角在0°~10°时,下游圆柱受平均负阻力作用,其原因分别为两圆柱间的回流区和间隙流;风攻角在10°附近时,下游圆柱受很大平均升力作用,风压停滞点偏移、两圆柱间高速间隙流、下游圆柱间隙侧剪切层的提前分离和再附是平均升力出现的三个因素。     

高雷诺数下错列双圆柱气动干扰的机理研究

为了进一步澄清小间距错列双圆柱的气动干扰机理,该文采用大涡模拟方法,在高雷诺数下（Re=1.4×105）,研究了间距为2倍圆柱直径的错列双圆柱的气动性能和流场特性随风攻角的变化规律,分析了两个圆柱气动力系数相关性,探讨了下游圆柱气动力与流场结构的内在联系,对下游圆柱平均升力的流场机理提出了新的解释。研究表明,大涡模拟得到的结果与风洞试验值吻合良好;下游圆柱的气动性能、流场结构和两个圆柱气动力相关性均会随风攻角发生剧烈变化;风攻角在0°~10°时,下游圆柱受平均负阻力作用,其原因分别为两圆柱间的回流区和间隙流;风攻角在10°附近时,下游圆柱受很大平均升力作用,风压停滞点偏移、两圆柱间高速间隙流、下游圆柱间隙侧剪切层的提前分离和再附是平均升力出现的三个因素。     

串列三圆柱的脉动气动力特性试验研究

采用刚性模型测压风洞试验的方法研究了不同间距下串列三圆柱的脉动气动力特性,并与单圆柱和串列双圆柱的结果进行了对比。试验雷诺数以及间距比L/D(相邻圆柱中心距与单圆柱的直径之比)分别为3.4×10~4和1.2~12.0。研究结果发现,与串列双圆柱类似,串列三圆柱上游和中游圆柱的临界间距比(L/D)_(cr)=3.5~4.0。在临界间距比附近,脉动气动力系数突升至最大值。串列三圆柱下游圆柱表现出两个临界间距比,分别为(L/D)_(cr1)=2.0~2.5和(L/D)_(cr2)=3.5~4.0。脉动气动力系数在临界间距比(L/D)_(cr1)附近突升至最大值,而在临界间距比(L/D)_(cr2)附近发生突降现象。气动干扰对串列三圆柱斯托罗哈数的影响表现为减小效应,与串列双圆柱相比,这种减小效应在L/D(L/D)_(cr)时更明显。     

串列双圆柱静止绕流的二维数值仿真分析

利用CFX软件建立二维流场模型,采用有限体积法针对串列双圆柱的静止绕流现象进行了数值模拟计算。首先计算了雷诺数Re=200,不同间距时上下游圆柱的斯托罗哈数,并与参考文献的计算结果进行了对比,证明了该文计算的可靠性。然后分析了不同间距时上下游圆柱的升力系数和阻力系数的变化特点,得出了Re=200时双圆柱绕流的临界间距在3.375D~3.5D之间。最后通过对不同间距下流场变化的研究得出:上下游圆柱的间距小于临界间距时,上游圆柱不存在旋涡脱落;超过临界间距时,上游圆柱出现旋涡脱落;下游圆柱始终存在旋涡脱落现象。研究成果能够为计算流体力学和空气动力学技术的发展提供理论基础。     

高压降迷宫套筒组合调节阀涡激振动仿真研究

针对高压降类调节阀涡激振动现象,设计多通道迷宫盘片和多级套筒组合高压降调节阀。基于计算流体动力学(CFD)和流固耦合模态分析法,计算调节阀内部瞬态流场及结构模态,得到其三种典型开度的流体流动情况,升力系数时域和频域特性曲线,以及模态频率和模态振型。分析结果表明:4s时刻,随调节阀开度减小,流体最大流速相应减小,第四级套筒外部流道区域的大涡逐渐形成小涡。调节阀全开时流体升力系数波动比70%和40%开度时更为剧烈,一阶模态频率、二阶模态频率均随开度的增大而增大。调节阀模态频率没有落在漩涡脱落主频率范围内,调节阀不会发生涡激振动锁定现象。     

串列双方柱干扰效应流动机理研究

为了研究建筑群体周围的流场结构,减小工程设计中由于干扰效应造成的损失,利用粒子图像测速(PIV)结合数值模拟,研究在较大雷诺数及不同间隙工况下,双方柱流场受干扰时的流动特性及流场空间结构。分析升阻力系数、涡脱频率、斯特劳哈尔数等流场特征参数,探究不同间隙对串列双方柱的影响。当Re=3.42×104时,存在临界间隙比G=4使串列双方柱流场结构发生突变,试验观察到流场中出现双稳态现象;当G<4时,下风向方柱平均阻力系数为负值,小于单方柱情况下的阻力,屏蔽效应明显,上风向方柱后方涡脱落被抑制,平均阻力系数出现了明显的降幅,最大降幅约达10%;当G>4时,上下方柱均有涡旋脱落。该结果对于工程应用具有参考意义。     

不同截面参数H型吊杆的气动性能

该文通过节段模型风洞试验,以7个不同截面参数的H型吊杆为对象,系统研究了翼板开孔和截面高宽比两参数分别对H型吊杆的颤振、驰振和涡振性能的影响。试验结果表明:高宽比H/B =0.417时,增大翼板开孔可明显提高H型吊杆弱轴向驰振临界风速,同时也会改善吊杆的涡振稳定性,但对扭转颤振和强轴向驰振性能无明显作用;增大高宽比可同时提高H型吊杆弱轴向和强轴向的驰振临界风速,也可显著的影响颤振和涡振特性。总的看来,增大高宽比较翼板开孔能更好的提升H型吊杆风振稳定性。     

Aerodynamic properties of a wing performing unsteady rotational motions at low Reynolds number

Summary The aerodynamic forces and flow structures of a wing of relatively small aspect ratio in some unsteady rotational motions at low Reynolds number (Re=100) are studied by numerically solving the Navier-Stokes equations. These motions include a wing in constant-speed rotation after a fast start, wing accelerating and decelerating from one rotational speed to another, and wing rapidly pitching-up in constant speed rotation. When a wing performs a constant-speed rotation at small Reynolds number after started from rest at large angle of attack (=35°), a large lift coefficient can be maintained. The mechanism for the large lift coefficient is that for a rotating wing: the variation of the relative velocity along the wing-span causes a pressure gradient and hence a spanwise flow which can prevent the dynamic stall vortex from shedding. When a wing is rapidly accelerating or decelerating from one rotational speed to another, or rapidly pitching-up during constant speed rotation, even if the aspect ratio of the wing is small and the flow Reynolds number is low, a large aerodynamic force can be obtained. During these rapid unsteady motions, new layers of strong vorticity are formed near the wing surfaces in very short time, resulting in a large time rate of change of the fluid impulse which is responsible for the generation of the large aerodynamic force.     

基于非定常气动力降阶的AGARD445.6硬机翼不同迎角颤振研究

以AGARD445.6硬机翼为研究对象,发展了基于计算流体力学与模态叠加的并行流固耦合方法,计算该机翼在不同初始迎角、不同来流速度的气动弹性时域响应,结果表明:初始迎角小于7°时,该机翼颤振速度随着初始迎角增加而降低;初始迎角7°~10°,颤振速度随着迎角增大而增加。在10°迎角条件建立了基于径向基神经网络的非定常气动降阶模型,准确预测不同速度、减缩频率的非定常气动力,并使用时域龙格库塔法和频域VG法预测10°迎角的颤振特性;建立考虑初始迎角输入的非定常气动降阶模型,预测机翼不同初始迎角的颤振特性。基于降阶模型的初始迎角对颤振边界影响的机理分析表明:小迎角时,随着迎角的增加广义力系数幅值比增加,导致颤振速度的下降;迎角大于7°后展向涡改变了机翼表面压强分布,导致一扭广义力系数幅值比降低,从而增加该机翼颤振速度。     

Power reduction and the radial limit of stall delay in revolving wings of different aspect ratio

Airplanes and helicopters use high aspect ratio wings to reduce the power required to fly, but must operate at low angle of attack to prevent flow separation and stall. Animals capable of slow sustained flight, such as hummingbirds, have low aspect ratio wings and flap their wings at high angle of attack without stalling. Instead, they generate an attached vortex along the leading edge of the wing that elevates lift. Previous studies have demonstrated that this vortex and high lift can be reproduced by revolving the animal wing at the same angle of attack. How do flapping and revolving animal wings delay stall and reduce power? It has been hypothesized that stall delay derives from having a short radial distance between the shoulder joint and wing tip, measured in chord lengths. This non-dimensional measure of wing length represents the relative magnitude of inertial forces versus rotational accelerations operating in the boundary layer of revolving and flapping wings. Here we show for a suite of aspect ratios, which represent both animal and aircraft wings, that the attachment of the leading edge vortex on a revolving wing is determined by wing aspect ratio, defined with respect to the centre of revolution. At high angle of attack, the vortex remains attached when the local radius is shorter than four chord lengths and separates outboard on higher aspect ratio wings. This radial stall limit explains why revolving high aspect ratio wings (of helicopters) require less power compared with low aspect ratio wings (of hummingbirds) at low angle of attack and vice versa at high angle of attack.