基于MRT-LBM大涡模拟的桥梁气动参数数值仿真

为有效模拟桥梁结构的高雷诺数绕流及拓展格子玻尔兹曼方法（Lattice Boltzmann Method,LBM）在桥梁抗风中的应用,将动态Smagorinsky亚格子涡黏性模型嵌入到多松弛时间格式的LBM中。在LBM中,亚格子涡黏性通过网格滤波和检验滤波两次滤波求得,网格滤波以LBM的格子网格为滤波尺度由LBM的局部非平衡矩直接完成,检验滤波在更大尺度上采用有限差分求解。利用亚格子涡黏性修正LBM的运动黏性,构造了一种可以模拟钝体高雷诺数绕流的LBM大涡模拟方法—MRT-LBM-DSM。采用MRT-LBM-DSM结合LBM的移动边界技术对苏通大桥主梁断面的静力三分力系数和气动导数进行了仿真计算。数值模拟结果证明MRT-LBM-DSM可以准确预测湍流流动,可以用于桥梁主梁断面的高雷诺数绕流仿真和计算主梁断面的气动参数。     

基于LBM的槽道流直接数值模拟

采用格子波尔兹曼方法(Lattice Boltzmann Method,LBM),进行了槽道流动的直接数值模拟.与经典的KMM结果比较了边界层速度型、均方根速度、雷诺应力分布以及槽道流中心区的能谱,结果表明LBM具有足够的精度模拟边界层的发展以及壁面存在对流动的影响.文中的研究表明,LBM有望用于风洞洞壁干扰的数值模拟修正.     

翼型超低雷诺数气动特性研究

采用多块格子玻尔兹曼方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)研究超低雷诺数下翼型的气动特性。在超低雷诺数下,由于粘性作用十分显著,流动呈现明显的非定常特性,引起前后缘层流分离与再附以及涡脱落现象。结果表明粘性作用改变了翼型的有效攻角与有效弯度,对翼型的气动性能有重要影响。翼型厚度增加明显降低了升阻比,翼型几何弯度的增加可以补偿粘性作用引起的有效弯度的减小,雷诺数的减小会减小翼型的升阻比。     

基于动态Smagorinsky-MRT-LBM的圆柱绕流湍流研究

采用多松弛格子玻尔兹曼与大涡模拟的动态Smagorinsky亚格子涡粘模型相结合的方法对圆柱绕流湍流进行模拟,研究300至10 000不同雷诺数下的单圆柱绕流湍流涡的周期性变化。研究结果表明:计算所得的斯考特数值和阻力系数值与文献中实验结果以及有限元仿真结果基本一致,说明该方法对于不同雷诺数的湍流模拟是合理的。     

利用高精度浸没边界-格子Boltzmann流固耦合格式模拟2维刚体自由沉降运动

自由刚体的流固耦合问题是计算流体动力学领域的热点问题,也是实际工程应用中的常见问题。为了推广最新提出的基于迭代力项的浸没边界-格子Boltzmann(immersed boundary-lattice Boltzmann, IB-LB)耦合格式使之能够计算自由刚体的流固耦合问题,首先在原控制方程中添加自由刚体的运动方程组,然后利用IB-LB耦合格式离散并数值求解该数学模型。以两小球在水箱中的自由沉降运动为例,比较了本方法与其他流固耦合算法的计算结果。最后模拟了富有挑战性的矩形平板在水箱中飘动的过程,捕捉到了与实验数据相吻合的刚体运动轨迹和流态结构,通过对比本法和现有同类算法的单步平均耗时与平板平均速度,证明了推广后算法在计算复杂流固耦合问题上有较高的计算效率和精度。     

桥梁节段模型颤振导数识别的MITD时域优化

基于R.H.Scanlan提出的自由振动法求解桥梁颤振导数实验量很大,且在提取交叉导数的过程中,一方面要求模型的竖向运动和扭转运动在所有的风速下都具有相同的频率比和阻尼比是很难达到的,另一方面非耦合导数的识别误差将带到耦合导数中。基于Modified Ibrahim Time-domain Method（MITD）时域的改进方法,应用变尺度优化算法进行提取桥梁断面的全部颤振导数。研究结果表明,应用此方法具有解决非线性参数辨识问题的可行性。     

基于LBM-LES模拟的离合器摩擦副流致运动效应

为了研究离合器摩擦副流致运动效应,将大涡模拟(LES)的壁面自适应局部涡粘模型引入到介观模型中的二维单相自由面格子Boltzmann方法(LBM)中,建立了压力润滑条件下的润滑油与摩擦元件LBM-LES流固耦合数值模拟体系。通过设定不同润滑油喷口与摩擦元件的相对位置,不同的喷油流量以及不同的油温,模拟了摩擦元件在与润滑油相互作用下的轴向运动过程,得到了不同喷油口位置、喷油流量和油温下的摩擦元件轴向运动规律,并根据数值模拟结果提出了一种槽式喷油口,有效抑制了摩擦元件的流致运动效应,为湿式多片离合器性能改进提供了理论依据。     

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.     

基于格子Boltzmann的混合过程建模与流致振动特性

为了探究静态混合过程中的内流冲击与流致振动特性,提出结合大涡模拟(LES)方法的介观多速度分量格子Boltzmann流固耦合模型.针对静态混合过程伴随强剪切、回流反冲、壁面冲击等特点,以静态混合器为研究对象,对静态混合过程建模,并提出流场-结构场弱耦合求解策略.通过此方法研究静态混合器不同位置位移形变、不同入口速度和不同静态混合器叶片夹角对管壁振动响应的影响.结果表明,叶片作用可以将流体轴向速度转换为切向和径向速度；在入口流速相对较大时,内部流场对静态混合器的振动频率及振幅的影响较为明显；改变混合叶片夹角,会影响流场剪切引流作用,对其纵向位移和轴向位移影响显著,且主要影响低频段.     

Re=3 900圆柱绕流的三维大涡模拟

为研究亚临界雷诺数范围内圆柱绕流流场特性及三维大涡模拟方法的适用性,基于C++语言及有限体积法开发了三维非结构化网格的大涡模拟计算程序.采用新的高稳定性高精度二阶离散格式,及Smagorinsky亚格子模型对Re=3 900均匀来流条件下的圆柱绕流问题进行数值模拟,并统计获得了平均流场参数及湍流流场的详细结构特性.结果表明:采用本文的网格、计算步长和高稳定性二阶离散精度大涡模拟方法计算所得的湍流场一阶统计特性和二阶统计特性与实验值吻合很好.验证了大涡模拟程序在模拟亚临界雷诺数下圆柱绕流流场平均值及脉动值的合理性.     

流线型箱梁气动外形的数值优化

为改善基于风洞试验的桥梁断面气动外形优化方法所固有的人力物力耗费、搜索范围有限等缺点,提出了一套基于数值计算和数学策略的主梁气动外形优化方法。选取断面下腹板倾角和梁高作为设计变量,以计算流体力学(CFD)模拟和颤振时域法作为数值计算手段替代风洞试验,将试验设计、蚁群混合遗传算法与Kriging代理模型作为协同数学策略替代试错法,探索优化了苏通长江大桥流线型箱梁断面颤振性能最佳的参数匹配方案。结果显示,设计域内最优断面颤振临界风速比原型断面提高8%,下腹板倾角相比梁高对颤振性能影响更大,且存在交互作用。主梁断面气动外形数值优化方法能够较好地取代风洞试验进行外形寻优,研究对以后大跨度桥梁断面选型具有借鉴意义。     

深切峡谷底斜拉桥颤振稳定性能研究

以峡谷底斜拉桥——迫龙沟大桥为工程背景,结合地形试验结果和大桥具体位置确定了桥位处的设计风参数;分别检验了小风攻角和大风攻角下颤振稳定性能,阐明了颤振临界风速随风攻角改变的变化规律;分析了颤振导数和系统阻尼的变化特征,获得了不同结构状态下主梁断面颤振驱动机理。结果表明:峡谷底桥梁的设计基准高度可参照跨中位置确定,颤振检验风速可按不同风攻角区间分别确定;颤振临界风速和颤振检验风速随风攻角的增大均呈降低趋势,但由于下降速率不同有可能出现小风攻角下颤振不失稳而大风攻角下颤振失稳的现象;不同风攻角状态下或施加气动措施前后,颤振导数和系统阻尼与折减风速的变化特征相似,表明颤振驱动机理和颤振形态均保持不变。     

桥梁颤振临界风速的概率密度演化计算

针对桥梁结构自身特性以及外部环境的随机性(如刚度、质量、阻尼比、气动导数等因素)所造成的桥梁的颤振临界风速不确定,难以衡量桥梁颤振稳定性问题. 将概率密度演化方法与桥梁颤振多模态耦合分析方法相结合,以江阴长江大桥作为实例,通过考虑桥梁结构自身的不确定性及气动导数的不确定性,给出不同模态阻尼比及频率的概率密度演化过程. 研究表明:结构模态阻尼比及频率在低风速情况下的概率密度分布可近似认为服从正态或对数正态分布,高风速下的概率密度则无法用单一的概率分布来描述,概率分布会出现双峰甚至多峰的情况;与按确定性方法到的颤振临界风速相比,按概率密度演化方法得到的颤振临界风速较小.     

基于定常吸气方式的大跨桥梁风致颤振抑制方法

以改善桥梁断面空气动力特性,提高大跨桥梁风致颤振稳定性为目的,提出了基于绕流控制原理的定常吸气方法。以我国虎门大桥为研究对象,采用基于计算流体动力学的数值方法模拟来流风与桥梁断面定常吸气共同作用下的桥梁断面绕流风场。采用Scanlan颤振分析方法分析了该桥梁在定常吸气作用下的颤振稳定性。计算结果表明,吸气作用使主流更加贴近壁面,降低了模型扭转运动下的气动扭矩,定常吸气提高了大跨桥梁的风致颤振稳定性。     

桥梁风工程2019年度研究进展

桥梁风工程是以大跨度桥梁抗风稳定性、风致振动及其控制为主要研究目的,为桥梁抗风设计提供理论基础、方法及手段的技术学科。近年来,大跨度和超大跨度桥梁的迅猛发展促进了桥梁风工程分析理论、试验方法和风振控制技术不断进步,取得了一系列新成果。围绕大跨度桥梁抗风设计中的主要问题,介绍和评述了2019年以来桥梁风工程在桥位风特性现场实测、大跨桥梁非线性颤振特性及计算理论、桥梁抖振计算理论、桥梁涡激振动计算理论及控制技术等方面的主要研究进展。     

桥梁风工程2020年度研究进展

随着土耳其恰纳卡莱大桥、中国张皋过江通道以及西堠门公铁两用大桥等超大跨度桥梁的建造,桥梁风工程研究面临新的挑战。继2019年研究进展后,聚焦桥梁颤振、桥梁涡激振动和桥梁抖振等桥梁抗风设计关键问题,通过对风工程领域主流学术期刊论文的梳理,介绍和评述了2020年以来相关领域主要研究进展。     

基于HHT的磨床磨削颤振特征量提取方法

针对数控磨床磨削加工过程中的颤振现象,提出一种基于希尔伯特黄变换的磨削颤振特征量提取方法。采用经验模式分解,将信号分解成具有不同特征时间尺度的固有模态函数分量,筛选合适的分量,提取其颤振特征量实时方差和瞬时能量,并将其作为判断磨削发生颤振的依据。模拟仿真结果表明：基于希尔伯特一黄变换提取的磨削颤振特征量,可以作为颤振发生的判断依据。     

不同风障形式下桥梁断面行车风环境及颤振性能

为研究不同形式风障下的桥面风环境和结构颤振性能,以主跨为918 m的单箱悬索桥为对象,首先结合CFD数值模拟,比较3种风障下风速剖面及侧风折减系数的变化规律,进一步选取带椭圆形风障的主梁断面和无风障的原始断面开展节段模型颤振和测力风洞试验,分别对比研究风障对颤振临界风速和静力三分力系数的影响,最后借助二维三自由度方法分析设置风障前后的颤振发散驱动的变化.结果表明:设置风障能有效地降低行车高度内的平均风速,改善桥面风环境;在对比方案中,矩形断面的侧风折减效果最佳,而椭圆形风障对于侧风的折减效果可接受,且阻力系数小于其他形式;设置椭圆形风障后断面的阻力系数较原始断面提高明显,颤振临界风速小幅度的提高,断面颤振发散机理发生显著变化.     

大跨度桥梁全耦合颤抖风振响应分析

本文基于Ｓｃａｎｌａｎ的颤抖风振分析理论，建立了桥梁断面质心与形心不重合时大跨度桥梁横弯、竖弯、扭转全耦合的颤抖风振基本方法，采用复合高斯－拉盖尔方法进行数值积分求得响应值，并以金门大桥为算例，探讨了横向风振响应值的大小及偏心距对响应的影响，得出了一些有益的结论和建议．     

大沽河航道桥抗风性能试验研究

采用双梁法力学计算模型对大沽河航道桥的成桥状态及施工状态进行了动力特性分析，依托全桥气弹模型风洞试验，对此独塔自锚式分离双箱梁悬索桥进行了成桥状态和施工状态的颤振及抖振试验，可测定颤振临界风速及抖振响应，据此分析评估该桥的抗风性能。结果表明，该桥县有较好的抗风稳定性，并对同类型桥梁的设计有一定指导作用。