基于物理模拟的不同射流倾角下击暴流风场特征

利用物理模拟器生成下击暴流风场，研究了射流倾角对风速、气压等下击暴流风场特性的影响。结果表明：下击暴流风场同时具有水平风和竖向风，当存在射流倾角时，下击暴流风场对称性消失，下击暴流背侧竖向风速峰值大于前侧，且背侧竖向风速随倾角的增加而增大，射流倾角达到20°时，背侧竖向风速峰值比无倾角时增加67%;前侧水平风速峰值大于背侧，且前侧水平风速随倾角的增加而增加，射流倾角达到20°时，前侧水平风速最大比无倾角时增加50%,背侧水平风速则快速减小。随射流倾角的增加，出流下方区域正压值增加，其余位置受倾角的影响不大。     

移动效应的下击暴流风场特性分析

稳态下击暴流风场研究已相对成熟,而实际下击暴流由于风暴移动,其风场是非稳态的。为了研究冲击风射流速度、移动速度对下击暴流风场特性的影响,采用冲击射流装置进行了移动下击暴流风场试验,并使用大涡模拟建立了移动喷口的冲击射流三维缩尺和足尺风场进行数值分析。结果表明:试验和模拟吻合较好,移动速度对峰值放大作用比较明显,射流速度对峰值大小影响不大;移动下击暴流风场具有风向转变和明显不对称的特点,移动速度对风暴前方近壁面水平风速具有显著的增大效应,但对风暴后方风速有一定程度的削减;下击暴流发展到稳定状态时的风剖面随高度增加先增大到最大值,然后迅速减小,最大风速出现在风剖面下端;曲线峰值所在位置和下降段所持续的时间与移动速度和射流速度大致满足一定的比例关系。     

下击暴流作用下大跨平屋面的极值风压分析EI北大核心CSCD

在下击暴流风场中,大跨平屋面建筑顶部的来流分离区及尾流区域处风压具有极强的非高斯特性。基于稳态冲击射流作用下的大跨平屋面建筑刚性测压试验结果,使用高阶统计量法研究了典型径向距离处屋面风压高斯与非高斯分区特性,利用TPP法计算测点峰值因子,发现平屋面表面测点极值风压系数与建筑物离下击暴流喷口间距有密切关系,研究结果表明:在下击暴流作用下,大跨平屋面部分区域出现明显的风压非高斯特性,尤其是迎风和背风边缘区域;屋面中心区域和屋面侧边缘区域峰值因子较小,屋面峰值因子取值范围在3.99~9.29,测点峰值因子均明显大于《建筑结构荷载规范》中的取值;在不同径向距离处,极值风压系数均为负值,来流分离区域及尾流区域风压系数绝对值较大;极小值风压系数绝对值随径向距离的增加先增大再减小,在径向距离为1.25 D_(jet)时极小值风压系数绝对值出现最大值。     

移动型下击暴流及其作用下高层建筑风荷载的数值模拟

下击暴流造成了大量的输电线塔、风机等结构的破坏,对其风场及其引起的结构风荷载研究非常迫切。该文基于RANS,利用SST k-ω湍流模型模拟了下击暴流风速特性及其作用下高层建筑的风荷载。对静止型下击暴流及其作用下高层建筑的风荷载进行了三维定常数值模拟,并将模拟结果与风洞试验结果相对比,结果表明:所建立的CFD计算模型能较好地模拟下击暴流及其作用下高层建筑的风荷载。借助于滑移网格技术对移动型下击暴流进行数值模拟,探究了相应的下击暴流风场及其对位于射流口中心移动路径上的高层建筑的风荷载。将该文模拟得到的移动型下击暴流径向风剖面与实测结果以及其他学者模拟结果相比较,吻合度较高,验证了凭借滑移网格技术能逼真地模拟出下击暴流的风场特性及其作用下高层建筑的风荷载。将静止型和移动型下击暴流的风场特性及其对建筑物的风压作用进行详细对比,研究结果表明:射流口的移动增强了运动方向的径向风速,减小了负方向的风速,并增大了建筑物表面的风压系数,这在结构设计中应予以考虑。     

冲击射流与壁面射流风剖面特征比较和影响因素参数化分析

该文分别采用冲击射流模型和壁面射流模型作为下击暴流的风场模型,采用基于雷诺平均法(RANS)的RNG k-ε湍流模型进行数值模拟获得下击暴流的稳态风场。在数值模拟基础上,通过改变模型参数,如冲击射流模型中初始出流直径D_jet、出流高度与出流直径比值(H/D_jet)和出流速度V_jet;壁面射流中初始出流宽度H_jet和出流速度V_jet,分别计算得到多种情况下的下击暴流风剖面,详细分析了这些初始参数对下击暴流风剖面特征的影响。冲击射流与壁面射流风剖面的对比表明二者风速水平分量在径向各位置均吻合良好,都给出了下击暴流水平分量风剖面的主要特征;但二者的风速竖向分量在径向各位置差异较大。总体来说,在结构风工程领域中仅关心风速水平分量时,壁面射流模型也可以作为下击暴流风剖面模拟的模型。通过壁面射流模型把冲击射流的出流区域分离出来,可以在大气边界层风洞中实现大比例尺的下击暴流出流风的模拟。     

下击暴流作用下坡地风场特性研究

下击暴流多发生于山地丘陵地区,而目前对于下击暴流的研究多集中在平地地形的稳态风场。为研究坡地地形对下击暴流风场特性的影响,采用冲击射流物理试验与大涡模拟(LES)方法对平地以及三个不同坡度的坡地风场进行了试验测试与数值模拟。结果表明:大涡模拟捕捉到了风场的瞬态变化特征,环涡结构在首次越过山坡时,在坡顶檐口位置产生下击暴流风场整个生命周期中的最大风速;坡地地形除檐口位置具有显著加速效应外,其他位置未发现风速增大效应;与平地风场相比,檐口位置水平风速与竖向风速都有所增大,且近地面水平风速加速因子M_t达到约1.3。近地面湍流度增大较为明显的区域为起坡位置及坡后位置,坡中及檐口位置加速效应较小,檐口位置湍流度加速因子随坡度的增大而略有增加。     

下击暴流非平稳脉动风速数值模拟

针对大气边界层近地风不同、下击暴流平均风速具有明显时变性及脉动风速具有较强非平稳特征,通过Kaimal非均匀调制函数的建立方法,获得Davenport调制函数、Simiu调制函数、Harris调制函数,为有效实现非平稳脉动风速模拟提供首要条件;考虑自回归AR模型时变性,建立非平稳随机过程TAR时变模型,为实现非平稳脉动风速模拟提供有效方法;考虑下击暴流平均风速时变特征,对下击暴流非平稳脉动风速进行模拟。结果表明,模拟的下击暴流非平稳脉动风速相关性随不同位置间距增大而减弱,振幅随时变平均风速增大而增大,与实际风场特性吻合,表明非均匀调制函数有效;功率谱时变特征明显,与目标时变谱时变特征吻合,且样本统计平均功率谱、相关函数与目标均吻合,表明下击暴流非平稳脉动风速模拟方法有效。     

土木工程下击暴流风速数值模拟的研究

雷暴天气下击暴流之类的高强风对诸如输电塔这样的晶格状结构具有很大的破坏性。因此,建立可靠合理的下击暴流风速模型来分析这些结构在这种极端风荷载作用下的动力响应是很有必要的。通过运用一些时频分析工具可以发现:下击暴流风速表现出明显的非平稳性。而且,下击暴流非平稳风速时程可以分解为随时间变化的平均风速即时变平均风速与具有一定相关性的随机脉动成分。基于Holmes平均风速模型和Vicroy风速竖向分布模型,使用Deo-datis提出的均匀调制非平稳随机场的模拟方法,数值模拟了雷暴天气下击暴流行进路线上某一固定位置处的竖向分布风速场。在随机脉动成分的数值模拟过程中,引入了三次样条函数插值技术,以减少Cholesky分解的次数,进一步提高了数值模拟雷暴天气下击暴流风速的效率。     

强侧风下桥上高速列车倾覆稳定性及最优风障高度的研究

基于计算流体动力学理论,采用数值模拟的方法计算了高速列车通过双线简支箱梁桥时的气动力系数,考虑了轨道超高引起的列车风攻角、列车位于桥梁的横向位置、风障高度以及风偏角等因素的影响。根据列车运行于不同平曲线线路时的受力特点定义了列车倾覆系数,并参考有关标准设定了倾覆系数的容许值。在侧风风速为30 m/s情况下,计算了列车以不同速度通过设置有不同高度风障的桥梁时的倾覆系数,并据此选择了最优风障高度。计算结果表明:迎风侧线路上列车气动力系数比背风侧线路大,风障相对较低时升力系数随列车风攻角增大而增大;对迎风侧轮轨接触轴线和背风侧轮轨接触轴线的倾覆系数随车速和风障高度的变化规律均相反,最优风障高度由对背风侧轴线的倾覆系数决定;当列车处于迎风侧线路上时需设置的风障高度均比处于背风侧线路时高,即迎风侧线路是双线桥梁风障高度设置的控制线路;对于主导风向稳定的弯道,侧风从弯道内侧吹向列车时,最优风障高度随车速的增大而增大,从弯道外侧吹向列车时则与之相反;对于主导风向不稳定的弯道,应取侧风从外侧和内侧吹入时需设置风障的较大者。     

客货共线无砟轨道轮轨力统计特征研究

客货共线无砟轨道,相较于客运专线,货车轴重的增加势必造成列车荷载的增大,而轨道结构直接承受列车荷载的作用,因而有必要对客货共线无砟轨道轮轨力荷载的统计特征做进一步研究。该文以客货共线CRTS I型板式无砟轨道为研究对象,选取遂渝线蔡家车站和渝怀线鱼嘴2号隧道两个测点,应用IMC动态数据采集系统测取过往客、货车垂向轮轨力。运用轮轨系统耦合动力学理论建立车辆-轨道垂向耦合动力学模型,计算不同车速和不同轨道不平顺激励下客、货车轮轨力,结合实测数据,分析客货共线无砟轨道轮轨力的统计特征,得出以下结论:客货共线无砟轨道轮轨力呈近似正态分布,95%以上客车轮轨力分布于45 kN~90 kN,95%以上货车轮轨力分布于100 kN~150 kN,与实测所得数据基本吻合;客货车轮轨力概率密度曲线随车速和不平顺幅值的增大而逐渐变得“矮胖”,轮轨力分布范围随车速增大和线路状况劣化而逐渐增大,且线路状况对轮轨力分布的影响远大于车速;以1.5倍静轮重和轮轨力最大峰值为控制指标,建议客货共线无砟轨道客车车速控制在180 km/h以下,货车车速控制在100 km/h以下。     

下击暴流作用下菱形马鞍面屋盖风压特性

设计制作了菱形马鞍面大跨屋盖结构缩尺模型,通过风洞试验探究了下击暴流作用下菱形马鞍面屋盖表面风压特性.探究了冲击射流装置到模型的径向距离和风向角对屋盖上不同区域平均风压的影响,试验结果表明:最大分区平均风压系数出现在径向距离为1.25Djet(Djet为喷口直径)、风向角为0°的工况;来流方向上屋盖檐口的3个区域平均风...     

大跨度公轨两用悬索桥风-车-桥耦合振动及抗风行车准则研究

将风、车、桥三者作为一个交互作用、协调工作的耦合动力系统,基于风-车-桥系统空间耦合分析模型,以一大跨度公轨两用悬索桥为例,采用自主研发的桥梁结构分析软件BANSYS(Bridge Analysis System)分析了风荷载作用下桥梁和车辆的动力响应,讨论了风速、车速及轨道交通布置方式等因素的影响;同时,基于合理的列车运行安全性和舒适性评价指标,对列车通过该桥时的走行安全性与舒适性进行了分析,得出了该悬索桥的抗风行车准则:当风速小于20m/s时,车速可达设计车速80km/h;当风速介于20m/s和25m/s之间时,车速不能大于60km/h;当风速大于25m/s时,应封闭轨道交通。     

基于虚拟激励法列车脱轨系数概率统计研究

为探讨高速铁路列车脱轨系数安全指标的随机特性,基于虚拟激励法与极值理论,采用多体动力学理论与有限元法建立车桥随机振动模型。采用垂向密贴、横向线性蠕滑轮轨关系建立车-桥耦合系统动力学方程;运用虚拟激励法将轨道不平顺转化为一系列频率点处简谐荷载的叠加,将非平稳问题转化为确定性的时间历程问题,通过分离迭代法求得轮轨力功率谱;基于调制函数,采用谐波叠加法在每一时刻求和得到轮轨力时程样本;通过极值理论探究脱轨系数最大值概率分布函数并求得其最大值。同时讨论了不同挠跨比情况下,轮轨力功率谱的平稳特性。基于该计算模型,以24.6 m混凝土简支梁为研究对象,研究不同车速下脱轨系数极值分布情况。研究结果表明:极值分布能很好的求得不同车速下的脱轨系数极值;速度越大,脱轨系数极值分布的离散型越强,对应的99.73%置信度脱轨系数值越大;置信度99.73%对应极值能较好的控制住时域样本最大值;就所研究的工况而言,桥梁变形对轮轨力功率谱平稳特性的影响很小。     

考虑高架桥和风屏障影响的高速列车龙卷风荷载特性研究

针对高速列车在龙卷风等局地强风作用下的运营安全,开展了高架桥上高速列车在模拟龙卷风作用下气动力识别刚体模型测压实验,研究了不同龙卷风中心作用下列车气动力的空间分布特征,评价了风屏障对列车气动力的影响。结果表明:相比混凝土栏杆,风屏障将减小龙卷风作用下列车的整体阻力、升力和倾覆力矩系数的最不利值,但会增加整体俯仰和横摆力矩系数最不利值。采用风屏障将改变“气流?车?桥”间的相互作用机制,从而改变列车整体风力系数最不利值发生的龙卷风中心位置。风屏障高度对列车整体风力系数各分量的影响规律不相同。     

Contact stress and residual stress in the nose rail of a high manganese steel crossing due to wheel contact loading

Fatigue failure of a high manganese steel crossing is related to its internal crack initiation and growth, which is affected significantly by the magnitude and distribution pattern of contact stress and residual stress in the crossing. Considering the actual service conditions of a crossing and the accuracy requirement for numerical calculation, a whole model of wheel/crossing/ties and a partial model of wheel/crossing are established using elastic‐plastic finite element method. The distributions of contact stress fields and residual stress fields due to wheel contact loading are studied. The effect of train speed on the residual stress in the nose rail is discussed. The contact stress field shows regular contours in the cross‐section of nose rail and decreases remarkably with increasing distance of the wheel‐crossing contact position. The maximum contact stress is located at the contact surface between wheel and crossing. The maximum residual stress is located at a position of 1.5‐2.0 mm below the surface of the nose rail, rather than at the contact surface of wheel and crossing. In a failed high manganese steel crossing, the dense cracks mainly were observed neither at the position of maximum contact stress (the contact surface between the wheel and the crossing), nor at the position of maximum residual stress (1.5‐2.0 mm below the surface of the nose rail), but around the depth of 0.8‐1.0 mm from the worn surface, which is between the position of maximum contact stress and the position of maximum residual stress. It indicates that the combined effects of the maximum contact stress and the maximum residual stress play important roles in fatigue crack initiation in the nose rail. The size of high residual stress region increases with the increase of the train speed. The maximum residual stress in the nose rail increases remarkably with the increase of the train speed.     

沪苏通大桥风-车-桥耦合系统非线性动力响应研究

几何非线性是大跨度桥梁结构的主要非线性影响因素之一,对桥梁结构及桥上列车行车安全性的影响不容忽视。该文以世界首座跨度超1 km的公铁两用斜拉桥——沪苏通长江大桥为工程背景,基于桥址区复杂风场实测,采用谱表示法提取实际风场特征,模拟全桥三维风速场,建立了考虑复杂非线性空间特性的风荷载模型,考虑垂度效应、梁柱效应和大位移效应等几何非线性因素,建立了桥梁非线性计算子模型,采用全过程迭代法计算考虑非线性因素的风-车-桥耦合振动响应,并给出行车安全性分析。结果表明:考虑非线性因素工况下,桥梁与车辆的动力响应均有一定程度的增大,且车辆动力响应的低频成分显著增加;大位移效应对结构响应影响较大,梁柱效应影响较小;忽略非线性因素影响,可能导致响应分析偏小,评估偏不安全;当车速为200 km/h,瞬时风速超过35 m/s,或当瞬时风速为30 m/s,车速超过210 km/h时,车辆轮重减载率指标超出安全阈值,行车安全性受到威胁。沪苏通大桥的非线性风-车-桥耦合振动分析具有重要的科学研究意义,并对保障桥梁结构和列车运行安全具有重要的工程指导作用。     

轮轨油污染黏着特性的研究

运用数值算法研究了轮轨在油污染时的黏着特性。以部分弹流理论为基础借助于多重网格作为数值计算工具建立了二维轮轨在油污染状态下考虑表面粗糙度的轮轨黏着计算模型。研究了在有油污染情况下轮轨间接触压力分布以及列车运行速度和接触压力对轮轨黏着系数的影响。给出了轮轨介质接触时的固体承载及液体动压分布。计算结果表明:随着速度的提高,黏着系数逐渐降低,最后基本上趋于稳定;随着接触压力的增大,黏着系数逐渐增大。     

基于车辆响应的无砟轨道路基不均匀沉降评价指标理论研究

路基不均匀沉降的合理评价对于保障高速铁路运营安全和指导线路养护维修至关重要。传统路基沉降评价多基于沉降幅值单一指标,缺乏对车辆运营速度、路基沉降波长的综合考虑。该文基于建立的精细化多车-无砟轨道-路基耦合动力学模型,分析了路基不均匀沉降下的车辆动力学响应特征以及运营速度、沉降波长及幅值对车辆响应的影响规律,在此基础上提出了沉降时变率指标用于路基不均匀沉降评价。结果表明:沉降时变率能融合车辆运营速度、沉降波长、波幅三者对高速列车动力学响应的共同影响。沉降二阶时变率和轮轨垂向力、轮重减载率安全性指标呈显著的线性映射关系;沉降一阶时变率和车体加速度等舒适性指标呈较为显著的线性映射关系;并提出了轮重减载率、车体加速度与沉降时变率的拟合公式。研究成果可为高铁线路设计和养护维修提供参考。