上游切角倒角小间距比串列方柱大涡模拟研究EI北大核心CSCD

串列双方柱在小间距比情况下会存在一定的遮挡效应,而上游方柱角部形状改变对其遮挡效应的影响有待以进一步明晰。以间距比(方柱中心距与边长的比值)为2.0的串列双方柱为对象,分别对标准方柱、上游方柱切角和倒角处理(角部变化率10%)3种工况,进行了非定常绕流大涡模拟研究。数值模拟中采用均匀平滑流场,不考虑来流紊流,以来流平均风速和方柱边长定义的雷诺数为22 000。通过串列标准方柱大涡模拟结果与文献试验结果的对比,验证了该方法及参数设置的有效性;详细对比分析了方柱的平均、脉动气动力系数和风压系数分布等,对上下游方柱周边测点的脉动风速谱进行了对比分析,还结合方柱周边的时均和瞬态流场进行了机理分析。结果表明,上游方柱切角、倒角改变了流动分离点,剪切流扩散角变小,分离涡更贴近壁面,影响了下游方柱的流动再附,减弱了方柱平均与脉动风荷载,其中上游方柱切角处理更为显著地降低了流向平均风荷载,而倒角处理则表现为减弱横风向脉动风荷载。     

上游切角对串列双方柱气动性能影响研究

串列双方柱气动干扰效应与方柱本身的绕流特征有很大的关系,方柱角部局部外形变化将对串列双方柱的气动干扰效应产生明显的影响,相关的研究仍较少。采用基于雷诺平均SST k-ω湍流模型的二维非定常绕流数值模拟方法,研究了上游方柱无、有切角(切角率10%)对串列双方柱气动性能的影响,通过间距比为2.0时无切角工况的数值模拟结果与文献试验结果的对比,验证了模拟方法及参数设置的有效性;根据升、阻力系数的对比分析,确定了上游无、有切角时串列双方柱的气动力突变临界间距比分别为4.6和4.1;对两临界间距比情况的无、有切角串列双方柱,分别进行了基于空间平均的三维非定常绕流大涡模拟,从风压分布角度详细分析了上游方柱切角处理对串列双方柱气动性能的影响,从方柱周围的时均和瞬态流场角度进行了机理分析。上游方柱切角后,在剪切层发生分离再附,尾流变窄,旋涡脱落更趋复杂,引起流场流态的变化,风压分布受到影响,方柱升、阻力系数降低,临界间距缩短。     

上游切角倒角小间距比串列方柱大涡模拟研究

串列双方柱在小间距比情况下会存在一定的遮挡效应,而上游方柱角部形状改变对其遮挡效应的影响有待以进一步明晰.以间距比(方柱中心距与边长的比值)为2.0的串列双方柱为对象,分别对标准方柱、上游方柱切角和倒角处理(角部变化率10％)3种工况,进行了非定常绕流大涡模拟研究.数值模拟中采用均匀平滑流场,不考虑来流紊流,以来流平均...     

流线型闭口箱梁抑流板抑制涡振机理研究

涡激振动是大跨度桥梁在低风速时易发的自限幅风致振动现象,设置栏杆扶手抑流板为典型涡振抑制措施。以某典型闭口箱梁断面为研究对象,进行了大尺度节段模型测振、测压风洞试验和CFD数值模拟,结合涡振响应、表面风压时频特性和流场特征,对比阐述了栏杆扶手抑流板抑振机理。原始断面在+3°初始攻角下出现明显竖向涡振现象,且振幅超过规范允许值。设置栏杆扶手抑流板后,涡振消失。原始断面涡振主要由气流分别在边防撞栏和检修轨道处诱导并在上下表面中部区域分别形成的主导涡引起,即‘双旋涡模式’引起的周期性气动力是涡振发生的内在机理。设置栏杆扶手抑流板主要是改变了断面上表面区域流场分布,气流受抑流板干扰,在其后产生连续的旋涡脱落,改变了下方气流移动路径,下方气流近乎水平通过边防撞栏区域,避免了边防撞栏横栏角部的流动分离,抑制了主导原始断面涡振的上表面主导涡,完全破坏了‘双旋涡模式’,极大降低了局部气动力与涡激力之间同步相关性及表面压力脉动;同时表面气动力脉动频率随机离散化,模型表面各区域气动力对涡激力的贡献均明显下降,无法激发整体结构涡振效应,故涡振消失。     

倒角化处理对于矩形高层建筑风荷载特性的影响机理研究

通过风洞测压试验,对比不同风向下、不同倒角半径的矩形高层建筑表面风压分布、整体风力及斯托罗哈数St;采用PIV试验,给出建筑的近尾流流动特性,并从流场作用角度,揭示倒角化处理对于矩形高层建筑风荷载特性的影响机理。研究表明:临界风向下,在建筑一侧分离的剪切层发生流动再附,形成分离泡;此时,建筑的阻力达谷值,升力和St达最大值。相比而言,倒角化矩形高层建筑的临界风向小于无气动措施的工况。St主要受到横风向投影宽度和尾流涡对间距的影响,在一定的风向范围内,当倒角半径达一定数值,St将有所增大。在建筑的整体阻力方面,倒角化处理将使得建筑尾流涡对尺寸减小;涡对横向流速增大,涡量掺混运动加剧,旋涡强度减弱。在此作用下,建筑整体阻力降低。在建筑的整体升力方面,采用倒角化处理后,旋涡脱落的不规则性和随机性增大,脱落强度减弱,这促使建筑整体升力减小;但倒角化处理对于升力的减小效应并非见于所有风向。     

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。     

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。     

缠绕螺旋线斜拉索气动性能的数值模拟

为研究螺旋线对斜拉索气动性能的影响,采用Fluent软件的LES模块对光拉索和缠绕螺旋线拉索进行数值模拟。首先,建立了光拉索和缠绕螺旋线拉索的数值计算模型,并在拉索轴向布置9个截面的风压和风速监测点;然后,采用Fluent软件的大涡模拟模块进行了数值计算;最后,在数值模拟数据的基础上,研究了螺旋线对拉索平均阻力系数、脉动升力系数、旋涡脱落频率、风压和风速的轴向相关性、绕流流场等的影响。研究结果表明:在风雨激振发生的雷诺数范围内,缠绕螺旋线能减小拉索的平均阻力系数;破坏规则的旋涡脱落,减小脉动升力系数,降低气动力在拉索轴向方向的相关性。     

风力机叶片气动噪声风洞试验及数值计算

风力机叶片在运行时会产生明显的气动噪声。采用声学风洞开展NACA0012翼型气动噪声试验,获得不同风速下的气动噪声特征。建立基于大涡模拟的数值计算模型,进行升阻力系数对比验证和网格无关性分析。根据流场模拟结果和FW-H方程计算攻角为5°时风速10、15、20 m/s的叶片声压级,计算结果和声学风洞实测的声压级频谱整体趋势较吻合。进一步地,通过数值模拟对比研究不同叶片尺寸对流场和气动噪声的影响。根据不同风速下非定常流场的涡量云图,叶片流动分离点随风速增加而后移,旋涡尺度逐渐变小;同风速下,大尺寸叶片的分离涡更大一些,且涡核间距较大。根据数值模拟得到的不同尺寸叶片的声压级频谱图,叶片尺寸增大导致各频率声压级均有不同程度的提升,且频谱图中的声压级峰值向更低频移动。研究成果对于叶片气动噪声分析和声环境评估具有借鉴意义。     

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。     

直径30cm圆柱的气动力参数和绕流特性研究

为研究光滑圆柱的气动力系数和绕流特性,在均匀流中进行不同风速下的测压风洞试验,试验获得了阻力系数、升力系数、表面风压分布、风压相关性系数、斯托罗哈数等随雷诺数的变化特征,并将试验结果与以往结果进行比较。研究表明:升力系数的脉动值大于阻力系数的脉动值,说明涡脱造成的横风向激励比顺风向紊流激励剧烈;雷诺数位于临界区域时,圆柱表面风压分布呈现出对称-不对称-对称的变化过程,反映了由层流分离转化为湍流分离的全过程;在雷诺数为352000时呈现一侧为层流分离、另一侧为湍流分离的临界流态,风压呈现出左右不对称的单边泡形式;获得层流分离和湍流分离时的表面风压相关性分布特征,层流分离时圆柱同一侧的风压测点均呈较强的正相关,而湍流分离时在分离点前的区域相关性较强,分离点之后的区域相关性较弱;层流分离的升力系数谱有显著的峰值,表明尾流是规则的漩涡脱落,而湍流分离的升力系数谱没有明显峰值,表明尾流是随机的漩涡脱落。     

风洞模型棱角制作误差对扁平箱梁气动力和涡脱特性的影响

桥梁节段模型试验研究的顾虑之一,是制作扁平箱梁节段模型时各个棱角制作误差,比如棱角圆化对其气动力和涡脱特性的影响,但至今未见相关报道。该研究采用雷诺时均Navier-Stokes(RANS)方程和SST k-ω湍流模型对大带东桥主跨扁平钢箱梁开展了计算流体动力学模拟(CFD)。在节段模型制作误差可能导致的棱角圆化半径范围内,对比了加劲梁绕流形态、平均气动力系数和漩涡脱落S t数。研究表明:扁平箱梁棱角小半径圆化时半径的增大使得局部流动的分离强度减小,但分离点位置不再固定;模型棱角圆化对扁平箱梁平均气动力和漩涡脱落S t数的影响可忽略不计;前缘棱角圆化后加劲梁气动特性的Re效应不明显。研究认为,可不考虑加劲梁风洞试验模型棱角小半径圆化对主梁气动特性的影响,因而CFD模拟时加劲梁风嘴前缘棱角可作小半径圆化处理,以降低网格数量、提高网格质量和减小CFD的计算量。     

强台风下带挑檐双坡低矮房屋风荷载特性大涡模拟方法适用性研究

该文基于相关现场实测和风洞试验结果,对强台风下带挑檐低矮双坡房屋气动荷载特性进行了大涡模拟(Large-eddy simulation, LES)研究。研究了台风脉动风场人工合成方法、近壁区网格划分策略及壁面边界条件等模拟参数对带挑檐双坡低矮房屋风荷载特性影响,定量分析利用大涡模拟预测强台风下低矮房屋屋面风压特性的可靠性,并基于大涡模拟全流场信息分析了低矮房屋周边钝体绕流瞬态特征。研究结果表明:基于CDRFG(Consistent discretizing random flow generation) 人工合成湍流方法可以准确模拟具有高湍流度特性的台风风场,并通过先验的网格划分策略可以实现来流湍流自保持性。大涡模拟能够得到与现场实测及风洞试验较一致的平均和脉动风压系数,且极值风压系数在30%误差范围的可靠度达85%以上。迎风挑檐会导致屋面前缘流动分离提前发生,但对迎风前缘屋面风压分布规律影响较小。挑檐下缘形成的分离泡产生较大脉动吸力,挑檐局部净风压系数未显著增大。该文有助于进一步提升强台风下低矮房屋风荷载模拟的有效性,更加深入的掌握低矮房屋的风致破坏机理,为低矮房屋的抗风设计及抗风性能优化提供重要参考。     

箱型吊杆的风致振动特性

该文通过风洞试验研究了箱型吊杆的风振特性,并进一步分析了紊流对吊杆气动性能的影响。箱型吊杆会发生涡振与驰振失稳,高宽比对涡振特性存在较显著影响,对改善驰振性能作用不大。紊流对箱型吊杆涡振起振风速及锁定区间有较大影响,但紊流的作用并不总是有利的。相应的数值模拟显示,紊流是通过改变结构的St数与涡脱力的大小来影响结构的涡振特性。     

基于大涡模拟的大气边界层湍流强度对低矮房屋风荷载特性影响研究

对德州理工大学(Texas tech university,TTU)低矮房屋标准模型,以已有现场实测以及缩尺模型风洞实验数据为验证对比,基于大涡模拟(Large-eddy simulation,LES)方法研究了大气边界层湍流强度对低矮房屋风荷载特征的影响机理。采用CDRFG (Consistent discretizing random flow generation) 人工合成湍流方法生成大气边界层湍流,研究了来流湍流度对低矮建筑表面的平均、脉动以及极小值风压分布以及风压非高斯特性的影响,并利用LES能提供非常场流动全流域信息的优势,结合瞬态湍流场结构对大气边界层湍流对低矮房屋风荷载特征的影响机理进行了阐释。结果表明:LES数值模拟得到的平均、脉动及极小值风压系数与实验以及实测结果一致,平均风压结果包络在实测误差范围以内,极小值风压系数最大误差小于10%,脉动风压系数最大误差小于20%且误差区域较小。在来流湍流度增大的过程中,低矮房屋屋面平均风压系数变化较小,脉动风压系数呈显著的线性增加;极小值风压系数变化规律相对复杂,呈现出非线性减小的趋势,风压系数极小值可达?5.0;屋面涡脱强度逐渐被抑制,锥形涡迹线与屋面迎风前缘的夹角由14.4°下降至8.7°。屋面风压非高斯特性主要与屋面形成的涡旋结构相关,表现出典型的右偏软化非高斯过程,且随着来流湍流度的增加风压非高斯特性逐渐减弱。从流场的角度来看,湍流度的增加抑制屋面迎风前缘柱状涡以及锥形涡的形成,加快流动分离的再附,减少分离泡尺度,同时提高了屋盖周围的湍流高频能量成分,从而使脉动风压增加,极小值风压减小以及风压非高斯特性减弱。该研究阐明了大气边界层湍流对低矮房屋风荷载特性的影响机理,有助于进一步理解低矮房屋风致破坏机理,并且为低矮房屋的抗风设计及抗风性能优化提供重要参考。     

Numerical Study on the Suppression of the Oscillating Wake of a Square Cylinder by a Traveling Wave Wall

Traveling waves generated on the side surfaces of a square cylinder are employed to suppress the oscillating wake for improving the flow behavior around a square cylinder; this method is termed the traveling wave wall (TWW) method. This study aimed to evaluate the influence of the key parameters of TWW on the control of aerodynamic forces and the oscillating wake of the flow around a square cylinder. Unsteady numerical analyses at a low Reynolds number (Re) of 100 were performed using a two-dimensional CFD simulation. First, the grid independence and time step independence tests of the simulation were conducted to verify the rationality of the solving parameter settings, and the validation of flow around the fixed square cylinder at Re =100 was carried out. Subsequently, the lift and drag coefficients and the vortex shedding modes under different combinations of three TWW control parameters, including wave velocity, wave amplitude, and wavenumber, were analyzed in detail. The results show that TWW can remarkably reduce the mean value of drag coefficient and the RMS value of the lift coefficient by more than 12% compared to the method involving a standard square cylinder. Two peaks occur in the lift coefficient spectrum, with the low frequency corresponding to the vortex shedding frequency in the wake of the flow around the square cylinder and the high frequency corresponding to the traveling wave frequency. The vorticity contours show that the alternating vortices in the wake of the square cylinder are not completely suppressed under the selected control parameters.