坡度及防雪栅对路堤周边流场影响的数值研究

路堤边坡坡度是影响路堤周边流场的重要因素,防雪栅是道路风吹雪灾害中常见的防雪措施,通过改变边坡坡度以及在路堤的迎风侧合理设置防雪栅,有利于改善路堤周边的积雪分布。采用数值模拟方法研究不同边坡坡度的路堤的流场特性,分析路堤积雪分布,在此基础上,在路堤迎风侧设置防雪栅研究不同层数防雪栅对路堤的挡雪效果。结果表明:路堤的绕流场特性与边坡坡度密切相关,气流流过路堤形成的风速减弱区范围与边坡坡度成正比;通过在合理位置设置合理参数的防雪栅,可以改善路堤周边流场并减弱风雪流从而起到阻雪的效果。     

边坡坡度对路堤周围积雪分布影响规律的数值模拟研究

道路风吹雪灾害是雪灾害地区重要的灾害类型,对交通出行等造成很大威胁。该文以二维路堤为研究对象,通过Fluent软件对不同边坡坡度下的路堤进行流场模拟,得到了不同边坡坡度下路堤周围的风速和壁面剪切速度,进而从雪颗粒运动机理上分析边坡坡度对路堤周围积雪分布的影响。结果表明:路堤周围的流场与路堤表面的剪切速度有很好的对应关系;较缓的迎风边坡可减少路堤周围的积雪,在风吹雪灾害频发的地区进行道路建设时建议选取小边坡坡度的路堤;研究结果可为路堤的工程建设提供参考。     

风致路堑积雪演化过程试验与模拟研究EI北大核心CSCD

路堑是交通线路常见的路基断面形式,因断面构造特征较路堤更容易发生风致雪灾害。为了给实际道路断面形式设计和风吹雪灾害防治提供建议和参考,采用风洞试验与数值模拟方法,研究了4种不同开敞形式的路堑在不同风速下风致雪漂移堆积演化过程,分析了风速和路堑开敞形式对积雪分布和演化过程的影响,并基于路面积雪量和积雪深度评估了不同路堑抵御雪灾害能力。结果表明:当上风侧边坡坡度大于下风侧边坡坡度时,路堑路面积雪量最少,路面的积雪最薄;增大风速和增加持续时间会加剧路面积雪,是影响积雪分布的重要因素;改变路堑边坡对减少路面积雪量作用有限,需设置其他防治措施来减轻道路风致雪灾害。     

防雪栅与路基间距对路基积雪分布影响规律的数值模拟研究

防雪栅是目前道路风吹雪灾害地区主要的防护设施,该研究结合数值模拟和现场实测方法,研究防雪栅与路基的布置间距对路基周围积雪分布的影响规律,进而分析积雪堆积机理。结果表明:数值模拟结果与现场实测结果有很好的对应关系,验证了结果的正确性;随着路堤与防雪栅间距的增大,路堤两个坡脚处的风速减小区范围均呈先增大后减小的趋势。路堤表面各部分的剪切速度均呈先增大后减小又增大的趋势,透风率为60%的防雪栅与路堤的最不利组合间距为16.67倍的防雪栅高度;随着路堑与防雪栅间距的增大,路堑内部积雪不易消除,因此防雪栅对路堑的挡雪效果不佳;运用剪切速度能够清晰地判断路基表面的积雪堆积与侵蚀,建议在风吹雪灾害频发地区修建铁路前可先采用该方法对工程表面的积雪堆积与侵蚀进行预判断,可合理确定工程中防雪栅布置的位置。     

坡度对地铁区间隧道火灾烟气流动影响的数值模拟

为探讨坡度对地铁区间隧道火灾烟气流动特性的影响,论文在综合分析国内外地铁区间隧道火灾研究的基础上,采用数值模拟软件FDS分别研究了自然通风条件下无坡度、1％坡度、2％坡度、3％坡度对区间隧道内烟气的流动特点、临界风速的影响.结果表明:坡度对地铁区间隧道火灾烟气的流动及临界风速有一定的影响.上坡隧道的临界风速相对于无坡度隧道的临界风速有所减小,且临界风速随着隧道坡度的增大而减小.下坡隧道的临界风速相对于无坡度隧道的临界风速有所增加,且临界风速随着隧道坡度的增大而增大.     

基于两方程模型的路堤风吹雪数值模拟

道路风吹雪灾害是风吹雪地区道路规划中考虑的重要因素之一,对于风吹雪问题,数值模拟作为其研究的主要手段之一,在近年得到了较快的发展;但由于风吹雪问题的复杂性,数值模拟方法及参数的选取还有待进一步完善。采用欧拉-欧拉方法,利用雪相两方程控制模型,结合实测经验公式确定充分发育来流雪相浓度,将其作为雪相浓度壁面条件进行模拟计算,利用平坦地面风吹雪对模拟方法进行验证,分析了湍流施密特数对路堤风吹雪模拟结果的影响,并对不同风速下路堤风吹雪进行了模拟。结果表明:平坦地面风吹雪模拟与现场实测结果一致,湍流施密特数对路堤周围空间雪相浓度计算结果影响较大,不同来流风速下路堤周围雪相浓度分布规律一致,这为进一步研究道路周围风致积雪重分布及防治提供参考。     

风致积雪重分布的拉格朗日方法与现场实测研究

采用拉格朗日方法,模拟了立方体周围积雪重分布的情况,同时在东北地区利用真实的雪颗粒对立方体周围积雪重分布进行了现场实测。将数值模拟和现场实测结果进行比较,两者在整体趋势上吻合较好。在立方体前方处均发生积雪沉积;在立方体侧边迎风端出现积雪侵蚀;在立方体的背风区,侵蚀量较小。由于该文的数值模拟方法未考虑横风向风速对雪粒的作用,在立方体迎风前方的底部,数值模拟方法的结果与实测有一定的差异。该文还分析了数值模拟中的雪颗粒阈值摩擦速度对积雪沉积侵蚀的影响。     

高路堤及涵洞建造对居住环境流场的影响

高路堤涵洞是道路交通的重要组成部分, 但是高路堤涵洞的建设往往会对周围环境的流场造成一定的影响。本文针对山区修建高路堤时, 研究周围房屋建筑的流场变化, 建筑物周围的风环境是人们关注的一个重要指标。本文用Fluent对山区典型区域进行流场分析, 研究了不同高路堤及其涵洞对流域内空气流速、大气压强以及湍流度的变化情况造成的影响。探讨了路堤高度、与路堤距离以及涵洞宽度等因素与空气流速与大气压强与湍流度改变量之间的关系。主要得出以下结论:路堤越高, 房屋前方空气流速、压强越小, 湍流度先增大后减小。与路堤不同的距离改变时, 对房屋前方的空气流速以及压强影响轻微;在距离为22 m和37 m时, 湍流度变化较大, 其他距离影响较小。涵洞宽度改变时, 对房屋前方的空气流速影响很大, 宽度越大, 空气流速越大;涵洞宽度增大时, 压强先增大后减小;湍流度随着涵洞宽度的增大呈现波动性分布。     

中国风吹雪区划

建筑物周边风致积雪是冬季多雪大风地区最常见的自然灾害之一。由于风吹雪的机理复杂,虽然数值模拟方法近几年取得了丰硕的成果,但方程及参数设置仍存在不足,实测数据库中又仅有在风雪流中单个立方体模型周边积雪的实测对比数据,模拟方法得不到广泛验证,缺乏模型的多样性限制了预测方法的进一步提升和推广。为了揭示不同长宽比对建筑物周边积雪分布的影响,对不同工况下长方体周边积雪分布进行了现场实测,同时用数值模拟方法模拟了不同工况下长方体周边风场,讨论了风场与其积雪分布的关系。结果表明：该模拟方法利用模型周边风速分布能较好地推测出积雪侵蚀堆积范围,对于不同长宽比的建筑,迎风侧积雪分布只与建筑高度有关,长宽比对其影响不大,横风向侵蚀影响范围与建筑长度成正比,且背风侧侵蚀范围受建筑长度影响较大,建筑宽度对其周边积雪分布影响较小。     

大跨度桥梁典型断面颤振机理

该文建立了箱梁表面压力与颤振导数之间的数学关系,探讨了表面压力的分布特性对箱梁颤振导数和颤振临界风速的影响。结合流固松耦合的计算方法,利用动网格技术模拟了箱梁的风致振动。采用分块分析方法研究了箱梁表面压力的局部特性对颤振导数以及系统振动能量的影响。研究结果表明：箱梁迎风侧风嘴附近的分布压力对模型振动的稳定性产生了不利的影响,而模型尾部的压力则有助于提高系统的颤振临界风速。当迎风侧的分布压力向模型尾部移动时,对箱梁颤振稳定性影响较大的颤振导数则会发生较显著的变化,箱梁的颤振临界风速也随之增加,因此断面迎风侧风嘴附近区域的分布压力对颤振导数和系统振动的稳定性影响最大。另外,迎风侧风嘴附近的区域也是振动系统吸收气动能量的主要部位,而箱梁尾部风嘴附近的区域则消耗系统的振动能量。箱梁表面压力与模型振动最大位移之间的相位差对颤振导数有较大影响,当相位差沿断面呈反对称分布,并使气动阻尼始终为负时,则有利于箱梁颤振的稳定性。     

Numerical analysis of wind speed variation under awning boards covering embankment side slopes

To protect the permafrost under the embankment from thawing and to ensure the safety and smoothness of the road, the use of shading boards (awnings) was one of the main measures applied along the side slopes of the Qinghai-Tibet Highway, the Qinghai-Tibet Railway and the Qingkang-Highway embankments. Aside from the shading effect acting against solar irradiation such constructions may also help to channel the natural wind flow and thus contribute to the cooling of the embankment and the underlying ground by enhancing the natural wind flow close to the surface. In this study we present results from numerical finite element simulations of the air flow under two different awning designs, with the aim to find an optimal geometry and awning height to be applied in future engineering work. We compare the air flow profiles across and along the awning headroom and investigate the influence of embankment slope inclination on the flow under the awning.     

建筑物风沙流场与荷载的风洞试验研究

通过风洞试验研究了同一风速下不同落沙量时的风沙流场特性,包括风速、湍流度和沙浓度的分布规律,基于流场分析的结果在该风沙环境下开展了风洞高频动态天平测力试验,探究了风沙流场中建筑物迎风面所受到的风压力和沙粒冲击力规律,并采用沿高度方向等分迎风面的方法对风沙荷载沿建筑物高度方向的变化规律进行了探究。研究结果表明：风沙流场下的沙浓度梯度分布与落沙量及高度有关。沙颗粒对风速有一定的削弱作用,而对湍流度有一定的增强作用,且沙浓度越大该削弱作用和增强作用越明显。风沙流场下建筑物迎风面所受到的风压力和沙粒冲击力之和随着高度和沙浓度的增大而增大;其中风压力随着高度的增大而增大,而随着沙浓度的增大而减小,沙粒冲击力随着高度的增加而减小,而随着沙浓度的增大而增大。     

附属物对高层建筑局部风压的影响规律研究

探究了表面水平隔板对高层建筑局部风压的影响。对4种具有不同形式表附属物的高层建筑进行了刚性模型测压试验,并与无附属物的高层建筑测压结果进行对比。通过各立面上的平均风压与脉动风压系数以及极值风压系数的对比分析,结果表明:表面附属物对迎风面的正风压系数影响很小,但能够大幅削减侧风面上的负风压系数,尤其是负极值风压系数;且这种削减效果随附属物水平间距的减小而增强,建筑侧风面迎风向上部角区的极值风压最大削减幅度可达37%。侧风面脉动风压概率密度分布及非高斯特性研究表明:表面附属物能够减小较大负压的概率密度函数的偏度与峰度,从而削弱其非高斯特性,这种作用随附属物水平间距的减小而增强,表明附属物能够有效抑制来流在侧风面的分离。     

风速和持续时间对立方体周边风致积雪演化影响研究

建筑物周边风致积雪是冬季多雪大风地区最常见的自然灾害之一.由于风吹雪的机理复杂,虽然数值模拟方法近几年取得了丰硕的成果,但是仍缺乏在稳定风雪条件下的广泛验证,限制了其预测方法的进一步提升和推广.为了揭示风速和持续时间对立方体周边积雪演化过程的影响,该文在西北严寒地区的稳定吹雪条件下,对不同风速下立方体模型周边不同时刻的...     

箱梁颤振的数值模拟及气动能量分析

通过风洞试验测试了箱梁的颤振性能,根据流固弱耦合的计算策略并结合动网格技术模拟了箱梁的颤振过程。针对固体模型在流场中的运动受网格尺寸限制且易造成网格变形过大导致计算失败的问题提出了动网格弹簧系数分层设置的解决办法。给出了气流输入到振动模型的气动能量计算公式和模型表面区域气动能量比的定义,并从能量平衡的观点给出了颤振稳定判据。通过对振动模型气动能量特性的研究发现箱梁迎风侧风嘴是气动能量的主要输入部位,并且在一个完整的振动周期内气流输入到振动系统的能量不断增加,从而造成箱梁振动稳定性的丧失。将数值模拟获得的振动断面周围的流场采用了相位平均的方法进行了处理,分析了箱梁颤振状态下尾部旋涡的演化规律。应用本征正交分解技术(POD)分析了箱梁表面压力的空间分布特征。研究结果表明箱梁颤振过程中表面压力的主要组成部分向模型迎风侧的风嘴漂移。     

极区集成式光伏供电装置结构设计与分析

太阳能独立供电是解决南极野外长周期观测活动供电问题的重要途径之一。针对极区特定环境,设计了一种基于集装箱的可移动光伏供电装置。首先,构建了在结构集成化约束条件下光伏组件斜面上太阳辐射量计算模型,确定了光伏组件最优安装倾角;其次,利用CFD （computational fluid dynamics,流体动力学）方法分析了在最优安装倾角、不同风向角时光伏组件的风载荷,并确定了光伏组件的典型风载荷工况;最后,通过有限元方法分析了在典型工况下光伏支架的力学性能。结果表明,对于集成式双排光伏组件,上、下排光伏组件的最优安装倾角分别为29°、39°。光伏组件存在3种典型工况：当风向角为20°时,2排光伏组件均受到下压作用;当风向角为120°时,一排光伏组件受下压作用,另一排受上抬作用;当风向角为140°时,2排光伏组件均受到上抬作用。在3种典型工况下,光伏支架的最大应力为103.93 MPa,安全系数达2.98,满足强度要求;2排光伏支架铰接处的变形较大,最大值为4.33 mm;支架变形分布受风向影响较大,其中来风侧变形量达3.7 mm,另一侧变形量小于1 mm。研究结果可以为解决极区野外长周期独立观测活动的电能供给问题提供一定的参考。     

移动下击暴流作用下高层建筑风荷载特性研究

为研究移动下击暴流作用下高层建筑的风荷载特性,采用可移动的冲击射流装置对高层建筑模型进行了测压试验,并通过计算流体力学方法进行数值模拟,分析了风暴移动过程中,风场中不同位置的高层建筑模型表面风压分布特性及风荷载作用机理。结果表明:风暴的移动会使风暴前缘风速加强,而使后缘风速减弱,从而使建筑表面的整体风压出现相应变化。当建筑位于风暴移动中心线上时,气流分离形成的漩涡主要出现在顶面迎风侧前沿及侧面迎风侧上角部区域,这些区域负压相对较大;建筑顶面在风暴经过时会产生较大正压。当建筑位于风暴移动中心线外时,高层建筑的来流风风向会随风暴的移动而不断发生变化;当建筑位于风暴前缘时,与来流风夹角较小的侧面会由于气流在钝体边缘的分离作用而出现较大的负压区域;当建筑位于风暴后缘时,建筑顶面角部区域会由于锥形涡的产生而出现较大负压。