多风扇主动控制风洞类平板断面抖振力识别研究

针对目前一般的大气边界层物理风洞采用被动格栅产生的紊流脉动风场功率谱密度能量分布难以调整以及积分尺度过小的问题,借助于主动控制方法善于改变来流功率谱及积分尺度的特点,利用日本宫崎大学多风扇主动控制风洞调试出多种宽带紊流风场和谐波脉动风场,采用脉动风速和气动力同步采集监控装置,使用测量稳定性好、精度较高的节段模型高频天平测力方法识别类平板模型的抖振力,对影响模型抖振力的主要参数(积分尺度、紊流度、攻角等)进行分析。     

基于动态亚格子模型的方柱绕流大涡模拟

目的 对高雷诺数下的方柱绕流进行数值模拟,得到方柱下流场时间平均结果以及湍流流场的流场特征,用于验证亚格子模型对大涡模拟(LES)计算精确性的影响.方法 基于有限体积法(FVM)的流体计算开源软件OpenFOAM,采用两种不同动态亚格子模型下的大涡模拟方法,模拟高雷诺数(Re =2.2 ×104)下的方柱绕流.结果 通过数值计算得到流场完整的平均和脉动结构,并得到阻力系数、升力系数、斯托拉哈数等重要的气动力参数,经对比与试验实际情况吻合.结论 高雷诺数复杂流场下亚格子应力的封闭形式对大涡模拟的计算结果有重要的影响,采用动态模拟技术一方程模型计算结果优于常规的Smagorinsky模型,在高雷诺数复杂流场下的计算是高效的,为结构抗风的数值研究提供了参考.     

微分求积模拟二维流体中流函数约束的施加方法研究

采用微分求积法数值求解流函数-涡度方程来模拟二维流体时会遇到流函数的超约束问题,即虽然流函数方程为二阶偏微分方程,但在每个固体边界上都存在两个约束条件:一个Dirichlet条件和一个Neumann条件。以二维驱动方腔流动为例,对该问题进行深入分析,进而提出一种新的超约束处理方法,即在边界涡度的计算中考虑Neumann条件,而仅将Dirichlet条件施加于流函数方程。数值结果显示该方法可行,且计算效率较高。同时给出前人提出的单层法和双层法进行比较。试算表明单层法对于网格数的奇偶性很敏感,不适于处理该问题。与双层法对比后发现:该方法计算精度较高,且由于回避了超约束问题而更加方便于使用。     

我国东南沿海台风极值风速预测与区划图构建

中国沿海是全球受台风灾害最严重的区域之一,获取台风极值风速对指导沿海土木工程结构抗风设计、防灾减灾和风险评估至关重要,中国现有抗风设计体系未单独设定台风极值风荷载。文章提出基于地理加权回归的台风模拟方法,主要包括台风路径、强度和风场参数递推模型,基于日本气象局1951～2015年历史台风最佳路径数据,开了西北太平洋地区台风局部路径和全路径随机模拟,结合台风边界层三维风场模型,预测不同工程场地的极值风速,率先完整创建我国沿海区域台风极值风速区划图并讨论台风风灾空间分布特点;面向不同建筑结构设计需求,形成台风风灾曲线和极值风速剖面数据库,为沿海建筑结构抗台风设计提供极值风荷载输入条件,推进我国结构抗风理论体系从传统良态风向台风的跨越。     

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。     

利用HHT方法对非平稳风力的时频分析

非平稳信号的分析方法是信号分析领域中的一个重要问题。本文以风洞试验获得的非平稳风压信号和升力系数信号为研究对象,采用HHT方法对信号进行时频分析。HHT（Hilbert-Huang transform）方法可以获得有意义的瞬时频率,从而给出频率随时间变化的精确表达;信号最终被表示为时频平面上的能量分布,成为Hilbert谱;该方法适用于分析生活中普遍存在的大量频率随时间变化的非线性、非平稳信号,可将复杂的信号直接分离成从高频到低频的若干阶固有模态函数。分析结果虽然没有表现出明显的频谱分布特性,但与以往HHT分析结果提取的固有模态函数不同,如果对本试验获得的非平稳信号提取的固有模态是低频部分的残余信号,忽略其他高频信号,则风压时程和升力系数时程的残余信号曲线就可以分别回归为一个线性函数和一个正弦函数。这也说明,该非平稳信号的主成分仍然是由平稳信号组成的,可以用分析平稳信号的方法进行时程分析。     

湍流强度对桥梁断面气动力特性的影响

桥梁结构处于大气边界层中,由于断面外形复杂、折点较多,其绕流常呈现复杂的流动分离和再附着状态,应评估来流湍流对桥梁断面气动特性的影响。基于节段模型测压风洞试验,获取了均匀流场和3种格栅湍流场下模型表面平均和脉动压力分布,评估了桥梁断面气动力特性的改变,分析了不同风场下断面流动分离再附着的变化。研究发现:湍流显著改变桥梁断面前缘（特别是零度和正攻角时上表面和负攻角时下表面）的分离和再附着特性,进而影响桥梁整体断面的气动力特性;随着湍流强度增加,前缘分离点的平均压力系数的幅值增大,而再附着点向上游移动;湍流强度对分离和再附着的影响程度随着风攻角的增大而变得显著;三分力系数在小风攻角时受湍流强度影响较小,在大风攻角下湍流强度的影响较大,变化的主要原因是断面前缘的压力分布变化。     

基于多维AR模型的风速时程模拟

目的 生成空间多点的顺风向风速时程,比较不同阶AR模型的模拟效果,评价由BIC准则判定的AR模型最优阶数的合理性.方法 根据工程中普遍采用的顺风向脉动风速谱,利用MATLAB软件编制空间多点风速时程的自回归线性模型程序,并嵌入BIC准则以判定多维AR模型的最优阶数,使用不同阶模型对风场进行模拟并比较各阶模型的模拟效果.结果 通过对西堠门大桥风场的模拟发现,BIC准则判定得到的AR模型最优阶数为2阶,同时2阶模型取得了不错的模拟效果;不同阶模型的模拟效果有较大差异,1阶模型离散性较大,6阶、8阶模型模拟精度稍好,4阶模型模拟效果最好.结论 BIC准则判定得到的AR模型最优阶数偏低,但根据其最优阶数进行的模拟也可取得不错的模拟效果;模型阶数对模拟效果有很大影响,阶数过低将导致结果离散性较大,阶数过高并不一定取得更高的模拟精度,选择合理的模型阶数既可取得最优的模拟效果又可节省计算时间.     

Texas Tech University建筑模型龙卷风荷载试验研究

为了评估低矮建筑在龙卷风等局地强风下的风荷载，开展了几何缩尺比为1∶300的Texas Tech University(TTU)模型在物理模拟龙卷风气流下的外表面测压试验，研究不同位置与方位角下结构表面风压系数的均值、脉动值与峰值，以及结构的整体风力系数，并对比了低矮建筑结构龙卷风荷载与边界层风荷载的区别。结果表明：结构龙卷风荷载主要受切向气流和气压降作用影响，其大小随结构与龙卷风中心距离的不同而改变；当结构位于涡核半径时，所承受的局部风压和整体风力均达到最大，最不利值发生在近长边一侧的屋盖角部；结构表面中线上龙卷风荷载与边界层风作用下的荷载变化趋势具有一定相似性，但最不利荷载发生的位置有所不同。     

紊流积分尺度实用识别算法及其数值验证

对比现有的几种紊流积分尺度算法,针对其在某些来流条件下存在的系统偏差,提出了基于泰勒假定修正的紊流积分尺度识别算法。采用谐波合成法数值化地再现多组基于Von-Karman谱的宽频紊流及窄带单频的风速时程序列,利用该算法对紊流积分尺度进行识别,并将识别结果与预期理论值进行比较,提出基于时间尺度修正系数项的实用紊流积分尺度识别算法并进行了验证,得出对于宽带紊流,时间尺度修正系数适合取为2/3,对于窄带紊流,时间尺度修正系数适合取为6。结果表明:本文方法大大提高了紊流积分尺度的计算精度,具有很好的工程应用价值。