错列双圆柱的脉动升力特性及其流场机理

受到上游圆柱尾流作用,下游圆柱在小风向角下易发生尾流激振现象,脉动升力与尾流激振联系紧密,但以往针对脉动升力特性的研究较少,其流场作用机理尚未澄清.针对间距比为P/D=1.5~4的错列双圆柱,采用大涡模拟方法,在高亚临界雷诺数下(Re=1.4×10⁵),重点研究小风向角下（β=0°~30°）圆柱的脉动升力和流场结构之间的内在关系,基于流场特征讨论了上、下游圆柱之间的干扰机理.研究结果表明:在小风向角范围内,上、下游圆柱的脉动升力和流场特性变化剧烈,双圆柱会经历尾流干扰、剪切层干扰、邻近干扰、旋涡撞击及涡的相互作用五种干扰流态;在尾流干扰以及剪切层干扰流态下,下游圆柱的脉动升力远小于单圆柱;在邻近干扰流态下,上、下游圆柱相互间干扰较弱,下游圆柱的脉动升力接近于单圆柱;而在旋涡撞击流态和涡的相互作用流态下,下游圆柱的脉动升力则大于单圆柱,上游圆柱的尾流旋涡对下游圆柱的撞击或者与下游圆柱旋涡的相互作用会导致下游圆柱的脉动升力急剧增加.     

展向剪切流作用下斜置圆柱气动特性研究

采用大涡模拟方法,研究斜置圆柱在展向剪切流作用下的气动性能。研究了不同剪切流强度对斜置圆柱的表面风压、Strouhal数、气动力时程及其功率谱、气动力展向相关性等气动性能的影响,并探讨了剪切流对斜圆柱气动性能的作用机理。结果表明:在均匀流作用下,斜置圆柱尾流区会产生强烈的轴向流,卡门涡脱强度大大减弱;展向剪切流对斜置圆柱的表面风压和气动力等气动性能有较大影响;展向剪切流会破坏轴向流在斜置圆柱尾流区的形成,并且当剪切流的剪切系数足够大时,可完全阻止轴向流的出现,从而减弱或消除了抑制卡门涡脱的因素,恢复了斜置圆柱的卡门涡脱强度。     

两种串列方柱气动性能的试验研究

针对两种布置形式（水平布置和对角布置）的串列双方柱，通过同步测压风洞试验，在雷诺数为Re = 8.0×104、间距比为P/B = 1.75 ~ 5.00（其中P为方柱中心间距、B为方柱边长）条件下，得到了两种布置形式串列双方柱的表面风压，重点研究了对角串列双方柱的气动力、风压分布、Strouhal数等气动性能随方柱间距的变化规律，并与水平串列双方柱进行比较。水平串列双方柱的气动力在P/B = 3.00 ~ 3.50时会发生跳跃现象，下游方柱的平均阻力由负值突变为正值，而对角下游方柱平均阻力系数则均为负值。结果表明：当P/B<3.00时，对角串列双方柱的平均和脉动气动力系数、最大平均负压强度和脉动风压系数均大于水平串列双方柱，而当P/B > 3.00时则情况相反；对角串列双方柱的Strouhal数明显小于相同间距下的水平串列双方柱，且在P/B <3.00时对角串列双方柱的升力功率谱出现了多个峰值。     

斜置拉索表面脉动风力特性研究

采用一套可调节拉索模型倾角和风向角的试验装置,通过同步测压风洞试验,测得了三维拉索（考虑了拉索的倾角和风向角）表面的脉动风压分布。风洞试验考虑了风向角和Re数的影响,试验风向角为0～45°,试验 Re数为1.17×105 和2.34×105,两种Re数分别处在亚临界区和临界区内。通过进一步的分析,得到了两种Re数下风压功率谱、脉动风力和风力功率谱随风向角的变化情况。研究表明：随着风向角的增大,斜拉索的Strouhal数逐渐减小;当Re数进入临界区后,拉索的脉动风压分布和脉动风力将发生很大变化     

临界雷诺数下带人工水线斜拉索气动性能研究

通过风洞试验,在临界雷诺数下,研究带上水线拉索模型的气动性能。测得不同风向角下拉索表面风压分布情况,得到作用在拉索模型上的气动力系数,分析临界雷诺数下拉索的气动稳定性。研究表明:基于准定常假定,在临界雷诺数下,拉索发生风雨激振的可能性较亚临界区低;上水线改变了拉索表面的流体分离并出现分离流再附现象,导致拉索气动力随上水线位置的改变而发生剧烈变化。     

南京长江二桥南汊桥斜拉索塔节段足尺模型的研究

斜拉索塔的拉索锚固区是斜拉桥的关键部位,其受力相当复杂,一般的平面分析很难反映实际的应力分布.本文简要介绍了南京长江第二大桥首次采用在箱型截面内布设小半径大吨位的环向U型预应力体系的斜拉索塔节段足尺模型试验研究的主要方案、方法,给出了在预加应力阶段及混凝土开裂前索塔节段足尺模型的试验测试值和有限元空间分析值,结果表明吻合较好.文中还在最后给出了模型结构的开裂荷载和极限荷载,并对设计提出了若干建议.     

高雷诺数下串列圆柱尾流致涡激振动的机理研究

多圆柱之间的气动干扰常导致结构发生尾流激振。为进一步澄清双圆柱之间的气动干扰机理,采用大涡模拟(LES)方法,在高雷诺数下(Re=1.4×105)研究了串列双圆柱(圆心间距为1.5~4倍直径)的表面风压分布、气动力系数和Strouhal数等气动性能与流场流态之间的内在关系,研究了上、下游圆柱气动力之间的相关性,从平均和瞬态流场角度讨论了气动干扰效应的流场作用机制,建立了下游圆柱的激励力模型并对尾流致涡激振动进行了算例分析。研究结果表明:数值模拟得到的气动性能和流场流态与试验结果吻合较好,说明在高雷诺数下大涡模拟方法能准确模拟双圆柱气动干扰现象;随着间距的增大,串列圆柱依次呈现单一钝体、剪切层再附和双涡脱等三种干扰流态;上、下游圆柱气动力之间的相关性会随着流态的不同出现较大波动,双涡脱流态时的升力相关性最强;单一钝体流态时,两个圆柱间隙中的回流会导致下游圆柱受到负阻力的作用;双涡脱流态时,下游圆柱的脉动升力远大于其他两种流态,也明显大于单圆柱,因而下游圆柱发生尾流致涡激振动的可能性最大。     

Smagorinsky 常数对扁平箱梁气动特性大涡模拟的影响研究

作为大涡模拟（LES）的唯一模型参数,经验 Smagorinsky 常数（CS）与特定的流动条件有关。为研究扁平箱梁气动特性 LES 的合理 CS取值,开展了 CS值在 0.032~0.7 范围以及动态亚格子黏性模型的多工况 LES 模拟,通过与风洞试验结果的对比,分析了主梁气动特性随 CS值的变化。研究认为：CS值不同时主梁表面压力和气动力的平均值差别不明显,其结果也与风洞试验吻合良好;但 CS值的变化对主梁表面压力和气动力的均方根（RMS）值影响明显,结果也与风洞试验存在较大差异,CS值增大导致气动力脉动降低甚至无脉动;LES 采用动态亚格子黏性模型无法给出主梁涡脱和表面压力的合理估计。在 0.064≤CS≤0.27 区间,LES 均能给出与风洞试验一致的主梁涡脱单频和 St值估计;从捕捉流动的非定常特性考虑,建议 CS在上述范围内取小值。研究认为,CS增大导致亚格子湍流黏性增大,流动的耗散作用增强,降低了 LES 对非定常湍流特性的捕捉能力,导致模拟的气动力脉动量减小。     

低雷诺数下两类串列圆柱的涡激振动

为了研究上游圆柱的运动状况对下游圆柱涡激振动的影响,针对两类串列双圆柱(上游圆柱固定、下游圆柱可作两自由度振动,上下游圆柱均可作两自由度振动),在低雷诺数下(Re=100),采用数值模拟方法,研究了下游圆柱在不同尾流干扰下的振幅、振动频率、相位差等振动特性随折减速度的变化规律,从能量输入和尾流模态角度探讨了上游圆柱的振动状况对下游圆柱涡激振动的影响规律及其流场机理。研究表明:上游圆柱的运动状况对下游圆柱涡激振动有显著影响;与上游圆柱固定情况相比,上游圆柱振动时下游圆柱存在明显的振动锁定区间;下游圆柱横流向振幅更大且最大振幅发生在更高的折减风速下。振动过程中两类串列圆柱的顺流向间距比明显不同。上游圆柱固定时,顺流向圆柱间距大于上游圆柱振动情况。两类双圆柱的尾流模态也有明显不同,上游圆柱固定、下游圆柱振动时的串列双圆柱为平行涡街模态,而上下游圆柱均能振动时的尾流为"2S"模态。     

双圆柱尾流致涡激振动的质量比效应及其机理

双圆柱尾流激振受多种因素影响,情况复杂,质量比m*(相同体积的圆柱与流体质量的比值)对双圆柱尾流激振的影响规律尚未澄清。采用数值模拟方法,在低雷诺数下(Re=100),研究了三种质量比(m*=2,10,20)对串列双圆柱尾流致涡激振动特性和尾流流场结构的影响规律,分析了下游圆柱的升力与位移的相位差,探讨了涡激升力与能量输入的内在联系。结果表明:质量比对串列圆柱尾流致涡激振动有重要影响。随着质量比的增大,横流向最大振幅减小,并发生在较小折减速度下,振动锁定区域范围变窄;质量比越小,升力与位移之间的相位差对下游圆柱振幅的影响越显著;在较小质量比时尾流出现“2S”、不规则和平行涡街模态,而在较大质量比时只有“2S”和平行涡街模态。