非稳态雷暴冲击风场的瞬态数值模拟

冲击射流是雷暴冲击风场研究中最常用的模拟方法。大部分物理试验和数值模拟都是假定射流速度入口风速不随时间变化,而实际雷暴冲击风的下沉气流速度都是随时间连续变化的。在雷暴冲击风的全生命周期内一般会经历逐渐增大到最大值后再逐渐减小的过程。对于重要的工程结构抗风设计而言,得到雷暴冲击风全生命周期的风速时程信息十分有必要。基于冲击射流三维足尺模型模拟雷暴冲击风风场,在入口处引入一个更符合雷暴冲击风实际演化过程的衰减函数,采用大涡模拟数值分析获得了雷暴冲击风的非稳态风场,并得到其随时间衰减的瞬态演化过程。结果表明,该模拟方法可以较好地再现雷暴冲击风场的非稳态过程,为进一步讨论非稳态雷暴冲击风场中的结构风荷载特性奠定了基础。     

基于北京市区实测数据的雷暴风风场时空统计特性研究

雷暴风引发的结构破坏、财产损失和人员伤害屡有发生,其风场特性的认识和研究是结构抗雷暴风设计的基础。该文基于北京市区325 m高气象塔实测数据识别的70个雷暴风事件,采用经典雷暴风模型对其平均风及脉动风时空特性等进行了统计分析,研究结果表明：雷暴风频发于夏季,其峰值风速主要出现在北京时间的下午及傍晚时分且较易发生于西北方向;在峰值风速发生时段,平均风速剖面均值呈现轻微的鼻形特征;雷暴风湍流强度和阵风因子剖面与大尺度稳态强风特性存在较大差异,且雷暴风统计结果均大于大尺度稳态强风的对应值;北京市结构抗雷暴风设计中可考虑应用Von Karman谱计算雷暴风荷载。该研究结果可为雷暴风风场统一模型的建立和结构抗雷暴风设计提供参考。     

雷暴风激励下简支梁式屋盖结构的风振响应参数化分析EI北大核心CSCD

基于时域分析方法对简支梁式屋盖结构在雷暴冲击风作用下的风振响应进行参数化研究。利用混合随机模型对雷暴冲击风强风荷载进行数值模拟,其中平均风采用Wood竖直风剖面方程与Holmes经验模型模拟,脉动风采用基于Kaimal目标谱的自回归AR模型模拟,谱分析结果表明雷暴风模拟结果具有较好的精度;分析了结构主要参数和雷暴风参数对结构风振响应的影响,结果表明:结构刚度、跨度、最大风速半径及风暴移动速度对结构的风振响应影响较大。针对雷暴风中平均风和脉动风响应均随时间变化的特性,采用基于包络概念的整体风振系数计算方法,分别研究了不同参数下的整体位移风振系数和整体荷载风振系数,结果表明,采用结构整体位移风振系数进行雷暴风等效静风荷载分析具有更高的精度。     

雷暴风激励下简支梁式屋盖结构的风振响应参数化分析

基于时域分析方法对简支梁式屋盖结构在雷暴冲击风作用下的风振响应进行参数化研究。利用混合随机模型对雷暴冲击风强风荷载进行数值模拟,其中平均风采用Wood竖直风剖面方程与Holmes经验模型模拟,脉动风采用基于Kaimal目标谱的自回归AR模型模拟,谱分析结果表明雷暴风模拟结果具有较好的精度;分析了结构主要参数和雷暴风参数对结构风振响应的影响,结果表明:结构刚度、跨度、最大风速半径及风暴移动速度对结构的风振响应影响较大。针对雷暴风中平均风和脉动风响应均随时间变化的特性,采用基于包络概念的整体风振系数计算方法,分别研究了不同参数下的整体位移风振系数和整体荷载风振系数,结果表明,采用结构整体位移风振系数进行雷暴风等效静风荷载分析具有更高的精度。     

稳态冲击风作用下拱形屋面风压分布试验研究

为研究雷暴冲击风对拱形屋面的作用,基于相似准则进行了拱形屋面模型制作和雷暴风风场物理模拟,并完成了相应的冲击风风洞试验。通过改变矢跨比、高跨比及跨度,进行屋面风压的参数敏感性研究。通过改变屋面中心位置,研究竖向风场的作用。研究表明:屋面位于冲击风极值水平风速附近时,垂直于屋脊方向风压分布与矢跨比密切相关,屋面越靠近冲击风中心则升力越小;当屋面位于冲击风中心时,整个屋面均出现较大的正风压。     

高层建筑风致振动研究的瞬态风压积分法

提出在风洞试验中通过刚性模型表面瞬态风压的测量和压力积分,研究高层建筑脉动风荷载及动态响应的方法。为提高采集速度改进了系统源程序,设计了一个复杂体型的高层建筑模型,并按高斯求积节点布置测压点,风洞试验中对风剖面、湍流积分尺度及湍流谱作了模拟。检查了数据采集通道间隔对于脉动风压互功率谱的影响,并对模型表面分布的脉动风压性质及结构风致动态响应作了讨论,说明了本文方法的有效性。     

下击暴流作用下超大型冷却塔风场驱动机理与风荷载极值模型EI北大核心CSCD

风荷载是超大型冷却塔结构设计的控制荷载,现行规范风压分布模型均针对良态风气候,缺乏下击暴流等特异风作用下的风场作用机理与风荷载分布模型。首先,采用冲击射流模型和大涡模拟(large eddy simulation,LES)技术模拟下击暴流三维非定常风场,分析了涡环运动、风速变化等风场特性;然后,以内蒙金山电厂228m世界最高冷却塔为例,揭示了处于风场不同径向位置处超大型冷却塔流场特性、风压系数瞬态分布,以及升/阻力系数分布特征;最后,与规范良态风作用下的考虑极值风效应的包络风压进行对比分析。研究表明:下击暴流发生过程中会产生一系列径向移动、反向旋转的气流涡环,各径向位置处风速随之呈现波动变化趋势;涡环撞击塔筒在迎风区外表面和背风区内表面形成高压区,在塔筒内部和背风面尾流区形成漩涡;塔筒内、外表面时程风压系数脉动趋势明显,底部区域受涡环影响震荡显著;冷却塔升力系数基本为0,层平均阻力系数自塔顶沿塔高方向逐渐增大,在塔底达到最大值;涡环对冷却塔的冲击作用极有可能引起瞬时极值风荷载超出规范良态风限值,进而易引起结构的破坏。     

雷暴冲击风作用下高层建筑风压频域特性

为研究雷暴冲击风作用下高层建筑风压的频域特性,采用冲击射流装置模拟雷暴冲击风,对矩形高层建筑模型进行测压试验。根据试验数据,对模型表面的脉动风压系数功率谱、水平和竖向相关系数、水平及竖向相干函数进行了详细分析,讨论了模型所在径向位置对脉动风压频域特性的影响。结果表明:各径向位置处模型迎风面的脉动风压功率谱与来流脉动风速谱基本一致;侧面与背风面脉动风压的能量主要集中在旋涡脱落频率处;风压相关性随测点间距离的增大而减小;迎风面风压的水平和竖向相干性均较强,脉动风压同步性较好;侧面测点风压水平相干性在折减频率小于0.2时较为显著,竖向相干性在整个频率范围内相对较好;背风面测点风压的水平和竖向相干性在折减频率小于0.1时较好,随着折减频率增大,相干性迅速减弱;迎、背风面中心测点风压在折减频率0.06附近存在较强的水平相干性,相位角相差180°左右,脉动风压呈现相反的相位特征。     

大跨度空间结构抗风分析的数值风洞方法

数值风洞方法可为复杂形体结构的风压分布确定和结构风振系数选取等提供非试验性的依据。基于计算流体动力学理论,以空间结构为对象,研究数值风洞技术。数值模拟了不同空间结构形体表面及其周围的风场,计算了结构风载体型系数,并与风洞模型实验成果比较,验证数值风洞计算结果的正确性。研究了因其他结构物存在引起的结构风场和结构体型系数变化,探讨了用数值风洞模拟技术鉴别风洞模型试验可能存在的误差及其原因。基于结构表面等压线划分结构受风区域,并以面积加权平均计算得到区域体型系数。还分析了结构多风向角下的结构风载体型系数。     

井冈山机场航站楼屋盖表面风压的数值模拟及试验研究

采用数值模拟方法对井冈山机场航站楼屋盖结构在近地风作用下的表面风压进行了计算,并在边界层风洞中对该屋盖的表面风压进行了模型试验测定。数值模拟基于稳态的Reynolds时均Navier-Stokes方程,运用了标准k?ε湍流封闭模型。将计算得到的风压系数值与风洞试验值作了比较,结果表明数值模拟较好地反映了大跨度屋盖表面风压的分布情况,由其得到的风压系数与风洞试验数据有较好的吻合。     

隧道近区爆破振动动应变测试及其应用

隧道爆破振动动应变测试可以直接反映岩体或支护结构的应力状况,明确爆破冲击对隧道围岩及支护结构的扰动情况,对隧道近区爆破有重要意义。以京张高铁八达岭长城站项目为依托,通过对测试系统的减振保护和连接加固来改进现场爆破动应变测试环境,较准确地测出现场隧道初期支护的爆破振动动应变,给出隧道爆破动应变在隧道迎爆侧及背爆侧、隧道环向及纵向的分布规律。结合爆破振速监测,研究爆破动应变与振速的相关性,提出一种在建隧道结构允许振动速度标准的确定方法,该方法基于现场实测得到爆破动应变与振速的相关性及隧道结构允许动应变来计算确定。研究表明:隧道初期支护现场爆破振动动应变测试是可行和可靠的;隧道初期支护迎爆侧的动应变比背爆侧大,沿隧道环向的动应变比沿隧道纵向大,隧道交叉口区域的纵向动应变显著增大;爆破振动速度与动应变存在较好的正线性相关性,即动应变越大,振动速度越高;该方法能确定在建隧道结构的允许振动速度,并为在建隧道的爆破振动保护提供参考。     

高速列车振动荷载作用下电缆隧道结构动力响应分析

城市中地下管线铺设较为复杂,城市轨道或者城际高速铁路会修建在地下管线上方。以京津城际轨道交通工程为例,研究高速车辆振动荷载对铺设地下管线的隧道结构产生的动力影响。运用耦合动力学,建立了车辆-轨道耦合系统振动分析模型,计算高速列车通过时车辆-轨道耦合系统的动力响应。结合有限元理论,建立桩板-土体-隧道一体化纵横垂向空间耦合动力仿真模型。将车辆-轨道耦合系统振动分析模型得到的荷载谱,作为外部激励作用在动力仿真模型上,对电缆隧道的动力响应进行研究。计算结果表明,京津城际铁路运营后高速列车振动荷载的动力作用不会对桩板结构下的电缆隧道产生显著的不利影响。     

爆炸冲击荷载下相邻巷道裂隙扩展机理模拟试验

为探究邻近巷道裂纹缺陷受爆炸荷载作用的扩展机理,采用透射式动态焦散线实验系统进行模拟实验。结果表明,对迎爆侧隐性裂纹,当裂纹与巷道左壁相对距离10 mm时,裂纹右尖端扩展因巷道的存在使预制裂纹导向作用更显著,引导爆生主裂纹与预制裂纹左尖端贯穿,衍射后作用于右尖端反射拉伸引起;对背爆侧隐性裂纹,当裂纹与巷道右壁相对距离4 mm时,裂纹扩展源于薄弱的巷道临空面将绕射的应力波能传递并导向裂纹缺陷,裂纹受拉扩展贯穿。巷道存在会增加其围岩裂纹缺陷处动应力集中,在爆炸应力波作用下会诱发裂纹扩展。     

多跨覆冰导线脱冰振动模型风洞试验研究

覆冰导线脱冰可能造成金具、导线和杆塔等构件受力破坏,也可能会引起导线闪络、烧断等电力事故。设计了1∶50的三跨覆冰导线的缩尺模型,采用熔断集中荷载的方法模拟导线脱冰,共七种工况研究三跨导线中脱冰量、脱冰跨位置、覆冰厚度和风速等参数不同时,导线的冰跳高度、导线张力和绝缘子轴力变化规律。结果表明:边跨脱冰将引起比中间跨脱冰更大的竖向振动,跳跃高度增大了近7%,导线张力也有明显增大;在风荷载作用时,导线脱冰振动会受气动阻尼影响,跳跃高度和振动周期都有所减小,导线张力和悬垂绝缘子的轴力随着风荷载增大而增大。     

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。     

气动扰流对飞机T型尾翼跨音速颤振影响的试验研究

跨音速颤振试验通常在稳定的理想流场中进行,不考虑实际非稳定流场的气动扰流对颤振特性的影响。在飞机T型尾翼跨音速颤振试验中,通过设置一种气动扰流装置对风洞流场实施干扰以研究气动扰流对飞机T型尾翼跨音速颤振特性的影响。试验结果表明,气动扰流可以将飞机T型尾翼的颤振耦合模态从平尾弯扭耦合型改变为垂尾弯扭耦合型;可显著降低飞机T型尾翼的颤振动压,翼面外气动扰流较翼面内气动扰流对飞机T尾颤振特性的影响作用大。其原因在于施加的气动扰流所诱导产生的跨音速激波作用在垂尾翼面上改变了垂尾的非定常气动力,引起气动刚度和气动阻尼发生改变,由于平尾的气动阻尼相对较大,可以预计,一旦气动扰流引起垂尾的气动阻尼迅速减小到其临界颤振阻尼,则会引起垂尾弯扭耦合颤振型先于平尾弯扭耦合颤振型发生,从而表现出T尾颤振动压的降低。在颤振模型风洞试验中,当风洞试验结果与期望不一致时,需要研究气动扰流的影响。     

双幅桥面桥梁主梁断面的气动选型

与常见的单幅桥面桥梁相比,双幅桥面桥梁主梁断面的气动选型更为严格,必须同时保证上下游两主梁断面都具有良好的气动性能。以某在建的双幅桥面桥梁为背景,通过一系列节段模型风洞试验,从主梁断面基本形状和检修车轨道的位置及高度两个方面进行了主梁断面的气动方案比选,对双幅桥面桥梁主梁断面的气动选型进行了初步研究。     

错列斜拉索尾流驰振及其抑振措施研究

以实际工程中的斜拉桥错列斜拉索为工程背景,设计了一套斜拉索风洞试验装置,对非平行的双排斜拉索进行了气弹模型风洞试验,研究了风攻角和风偏角对拉索振动的影响。试验观察到下游拉索发生明显的尾流驰振,尾流驰振的振幅及轨迹受风攻角与风偏角的影响显著。当风攻角为5°、风偏角为10°时下游拉索最容易发生大幅尾流驰振,因此将此组合工况定为最不利工况。针对此最不利工况施加了三种抑振措施,分别为刚性杆连接、弹性杆连接和增加阻尼,试验结果表明加刚性连接杆或弹性连接杆成功抑制尾流驰振,而当阻尼比小于0.68%时,增加阻尼对尾流驰振的抑振效果不明显。     

大型冷却塔双塔干扰的风洞试验研究

采用风洞试验方法研究双塔情况下冷却塔的风致干扰问题,通过增加模型表面粗糙度的方法以补偿模型试验的雷诺数效应,应用POD方法进行风压点的插值和加密,计算单双塔的阻力系数、升力系数和底部剪力系数,并分析干扰系数随塔间距、风向角的变化规律。研究表明,单塔情况下,平均阻力系数较大,平均升力系数为零;阻力系数和升力系数的标准差数据相当。双塔情况下,阻力系数的平均值和极大值对应的干扰系数几乎相同;对于升力系数极大值的干扰系数,大部分数据大于1,最大的数据达1.75。     

盘形滚刀垂向振动特性分析与试验

盘形滚刀的垂向振动对于全断面隧道掘进机的贯入度和破岩效率有一定的影响,为了研究影响滚刀垂向振动的因素,首先建立盘形滚刀垂向三自由度振动模型,得到盘形滚刀刀圈与刀体、圆锥滚子轴承和刀轴的等效质量和刚度,利用MATLAB软件对该振动模型进行仿真,得到滚刀各部分的振动位移,并通过试验得到滚刀各部分振动位移与仿真的结果趋势一致。结果表明:滚刀的刀圈加刀体的最大振动位移量为2.8×10^-4 m,轴承最大振动位移为2.1×10^-4 m,当滚刀的轴承刚度增大3倍时,各部分最大振动位移减少约50%,增大刀圈刀体刚度时,各部分最大振动位移减少约12%,盘形滚刀减振需要增加轴承和刀圈刀体的刚度。研究结果为盘形滚刀的振动测量提供了一种有效方法,对滚刀的设计具有重要的指导意义。