临界雷诺数区光滑圆柱振动与气动力研究

临界雷诺数区气动力特性是影响细长圆柱结构大幅振动的重要因素之一。该文通过刚性模型测压风洞试验,对临界雷诺数区光滑圆柱动态气动力分布特性及对临界区圆柱发生大幅振动的原因进行了分析。研究结果表明:圆柱在临界雷诺数区会发生大幅振动,当振动发生时,圆柱沿展向的气动力状态有一定的差异,这种气动力状态的差异说明气动力的非定常特性是引起大幅振动的主要原因。     

临界雷诺数下带人工水线斜拉索气动性能研究

通过风洞试验,在临界雷诺数下,研究带上水线拉索模型的气动性能。测得不同风向角下拉索表面风压分布情况,得到作用在拉索模型上的气动力系数,分析临界雷诺数下拉索的气动稳定性。研究表明:基于准定常假定,在临界雷诺数下,拉索发生风雨激振的可能性较亚临界区低;上水线改变了拉索表面的流体分离并出现分离流再附现象,导致拉索气动力随上水线位置的改变而发生剧烈变化。     

闭口单箱颤振的流场机理

应用粒子图像测试技术(PIV)测试了闭口单箱颤振过程中尾部风嘴附近的旋涡变化过程,采用相位平均的方法研究模型周期性振动与旋涡规律性演化之间的关系。当风速低于颤振临界风速时,模型尾部风嘴附近下侧的旋涡控制结构运动状态,结构振动幅度较小;当风速接近颤振临界风速时,尾部风嘴上侧的旋涡尺度明显增大并达到与下侧旋涡相匹配的程度时,结构振幅明显增加,尾部风嘴处上下侧旋涡的交替作用主导了结构的振动。结合计算流体动力学(CFD)的数值计算方法获得颤振时刻模型表面的压力场。通过对模型表面进行合理分区,并利用分块分析的思想研究了颤振过程中气流能量输入特点。分析结果表明振动中的模型通过迎风端风嘴从气流中吸收了大量的能量。在颤振临界风速下,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,造成单箱的颤振多为结构稳定性的突然性丧失。     

几种典型车辆在斜拉桥桥面行使的临界风速研究

研究强侧风作用下三种典型汽车在斜拉桥桥面行驶时的临界风速和车速。分析汽车运动方程的随动坐标特性和桥梁的侧向抖振对汽车相对桥面侧偏的影响,得到侧偏位移及速率的计算式,在以往基础上,研究了考虑车辆侧偏和驾驶员行为的风-车-桥空间耦合振动系统,完善了仿真分析程序的功能。以某斜拉桥为实例,分析三种典型车辆在桥面行使的临界风速。分析结果表明：采用控制重心还是前轮侧滑的驾驶员模型不显著影响桥面汽车临界风速的大小;不同类型汽车的事故原因可能不同,对于箱式货车,侧滑事故起控制作用,对于桑塔纳和一汽佳宝,车速高时,侧倾事故起控制作用,低车速时,侧滑事故起控制作用。     

流线闭口箱梁涡振气动力的雷诺数效应研究

涡激振动是大跨度桥梁在低风速易发的自限幅风致振动现象。针对典型流线闭口箱梁断面,分别进行了1∶70和1∶20主梁节段模型同步测振、测压风洞试验,对应以梁高为特征尺寸雷诺数范围分别为6.08×10~3～2.28×10~4和1.06×10~4～1.40×10~5,研究了雷诺数效应对箱梁涡振响应及表面气动力时频特性的影响。+3°初始攻角下,主梁断面存在明显涡振现象。与小比尺模型相比,大比尺模型竖向涡振发生风速低,振幅大,且出现了小比尺模型未观测到的扭转涡振现象。分别选取典型风速结点,进行表面气动力时频特性分析表明:不同雷诺数条件下,表面平均风压系数、压力系数根方差及分布气动力与涡激力相位差空间分布均有所不同,表现出显著的雷诺数效应;高雷诺数时,上表面下游、中上游和下表面区域气动力对涡激力贡献较大,其中上表面下游区域气动力对涡激力起增强作用,其它区域气动力对涡激力起抑制作用;低雷诺数时,上表面中上游区域气动力对涡激力几乎无贡献,上表面下游区域气动力对涡激力的贡献与高雷诺数时相近,下表面区域和迎风面斜腹板区域气动力对涡激力抑制作用远小于高雷诺数时。特别是下表面与下游风嘴转角附近区域气动力对涡激力抑制作用远大于高雷诺数时,可推断这正是低雷诺数时涡振幅值远小于高雷诺数时的主要原因。     

斜拉索雷诺数效应与风致振动的试验研究

干索驰振是近年来发现的斜拉索振动类型,由于振幅大、破坏严重,是设计中需要重点考虑的问题之一。通过三种不同粗糙程度的斜拉索模型测力风洞试验,得到了模型气动阻力和气动升力随雷诺数变化的曲线;通过测振风洞试验,得到了模型振动振幅随雷诺数变化的曲线。分析表明：在雷诺数临界区域,模型周围的流场不对称且不稳定,模型产生平均气动升力,不稳定的升力导致模型平衡位置的变动,同时引起模型发生大幅振动。随着斜拉索表面粗糙度的增大,临界雷诺数变小。对于表面光滑的斜拉索,由于临界雷诺数对应的风速很大,所以实桥发生这种振动的可能性较小。但是斜拉索在诸如风吹日晒、漂浮物黏着等环境下逐渐变得粗糙,导致临界雷诺数减小,使得在相对小的风速下斜拉索发生临界雷诺数区域的大幅振动成为可能。这是实桥斜拉索发生干索驰振的可能机理之一     

斜拉索风雨振非平稳风场特性分析

基于小波多尺度分析,提取风雨振实测风速、风向的时变平均值,并建立非平稳风速模型。采用非平稳风速模型,分析了洞庭湖大桥2003年4月初风雨振时实测风速紊流强度、积分尺度、脉动风谱和概率密度等重要风场特性,并将结果与传统的平稳风速模型和基于EMD的非平稳风速模型进行比较,进一步验证采用基于小波分析的非平稳风速模型的合理性。同时,根据Davenport相干系数公式,计算了桥塔和桥面风速记录顺风向脉动风分量的相关性。     

机械振动信号的听觉谱表达及其特性研究

人类听觉系统具有非凡的信号分析、处理和识别能力,因此,建立人类听觉系统的数学模型并将其应用于各种动态信号分析场合具有一定的可行性。引入听觉模型ZCPA(模型输出为听觉谱),通过对各种实测信号的分析,检验了听觉谱对平稳、非平稳和带有瞬时突变成分的振动信号的描述效果,揭示了听觉谱表达振动信号时的基本特性,并阐述了其内在机理。各种分析检验结果表明,听觉谱可以用很少的点数大体描述信号的频率结构,尤其是对于中高频区间的微弱信号具有很好的描述效果,并且在表征信号中的瞬时突变方面具有明显优势。     

凹痕对斜拉桥斜拉索气动性能影响研究

斜拉索具有长细比大、柔度大、阻尼小等特点,其风荷载和风致振动研究具有重要工程意义。通过测力和测振风洞试验,对具有特定形状、尺寸凹痕的斜拉桥斜拉索气动力和风致振动性能进行了研究,分析了风攻角和雷诺数对具有凹痕斜拉索平均阻力系数和平均升力系数的影响规律,研究了风攻角和雷诺数对具有凹痕斜拉索临界区振动特征值(振幅和平衡位置)的影响规律,结果表明:风攻角对具有凹痕斜拉索的气动力系数随雷诺数变化曲线影响明显,30°和60°风攻角下,临界雷诺数减小,临界区宽度增加;在试验雷诺数范围内,具有凹痕斜拉索在不同风攻角下最大振幅差别较大,60°风攻角时最大,30°风攻角时最小,而平衡位置偏移最大值在各个风攻角下基本相同。     

风荷载作用下大型柔性储液结构动态响应仿真方法研究

风荷载作用下柔性储液结构的动态响应属于典型的非线性流固耦合问题。采用多物质ALE有限元法,建立了大型柔性储液结构的有限元模型,数值模拟风荷载作用下柔性储液结构的动态响应,比较了不同风速对柔性结构的影响。仿真结果表明：风速越大,结构的最大主应力、质心偏移量也越大,当风速达到一定时,结构将会沿地面产生滑动。仿真结果为风荷载作用下柔性储液结构的抗风性研究提供参考依据。     

斜拉索风雨振气动抑振措施的参数优化

本文通过风洞试验,研究了斜拉索空间位置、降雨量、风速等对斜拉索风雨振的影响,选定了振动最大时的参数,研究了作为气动抑振措施的螺旋线直径和缠绕间距两个参数对抑振效果的影响,并研究了附加不同参数螺旋线时斜拉索的气动阻力系数随雷诺数的变化规律,发现针对本研究选定的直径155mm的斜拉索,斜拉索的水平角35°、竖向角25°、较小的降雨强度（10mm/h）、特定的风速范围（无量纲风速60~100）下发生的振动最为激烈;在选定螺旋线间距的情况下,随着螺旋线直径的增大,其抑振效果趋于显著;在选定螺旋线直径的情况下,随着螺旋线间距的减小,其抑振效果趋于显著;附加螺旋线斜拉索的气动阻力系数随螺旋线直径的增大或螺旋线缠绕间距的减小而增大。在超临界雷诺数区域,附加螺旋线时的阻力系数均大于无螺旋线时的阻力系数。提出了优化的螺旋线设计原则。     

水线-雷诺数效应-斜拉索振动关系的试验研究

通过对不同位置粘贴有水线的斜拉索模型进行测力和测振风洞试验,分析了不同雷诺数下的阻力系数、升力系数和振幅等参数,研究了水线影响雷诺数效应及通过影响雷诺数效应导致振动的机理,研究结果表明:水线能影响力系数随雷诺数的变化规律,力系数的大小和变化规律与振动有着十分密切的关系;在较低的水线位置,随着雷诺数的上升,伴随着阻力系数的减小,升力系数大幅增大,发生类似临界雷诺数的效应,力系数随水线位置的变化规律导致驰振系数为负,在这种情况下发生大幅振动,用临界雷诺数效应和驰振均可解释;在较高的雷诺数下,伴随着阻力系数的减小,升力系数大幅变化,每个水线位置都发生了不同程度的振动,该振动的机理可能与临界雷诺数效应导致的振动机理类似。     

覆冰导线动态气动力特性模拟与分析

为研究覆冰导线舞动时气动力的特性,从弱耦合角度出发,基于流体动力学仿真软件Fluent二次开发,利用用户自定义函数对导线的舞动轨迹进行编程并结合动网格技术实现流固耦合。计算了新月形覆冰导线在横向振动下的气动力系数,并与静态模拟结果和试验结果进行比较;分析了舞动幅值、频率和扭转振动对动态气动力的影响。结果表明：相同风速下,动态气动力系数大于静态值,二者具有相同的变化规律;阻力、升力系数随舞动幅值增大显著增加,特别是升力系数成倍增加;振动频率增加,也使动态气动力系数增大,但频率对动态气动力的影响小于幅值的影响;扭转振动对动态气动力有一定的影响。工程中采用静态气动力系数预测大档距舞动引起的断线的临界风速和塔承受的荷载,其结果不安全,应考虑动态气动力系数对舞动的影响。     

输电塔气动力系数和气动导纳风洞试验研究

输电塔结构的非定常抖振力与来流风速之间存在复杂的非线性关系,基于风洞试验得到的某1 000 k V格构式直线输电塔弹性模型的基底力以及参考高度处同步采集的风速时程,采用线性和高斯两种近似假定计算了非定常气动力系数并与试验值进行了比较;提出了包含结构气动阻尼效应在内的总气动导纳的概念,通过基底脉动力谱和来流脉动风速谱的比值对总气动导纳函数进行识别,并用基于频域相干函数对导纳函数的线性部分进行了估计。结果发现,风偏角线性近似所计算静气动力系数的偏差较高斯近似小;由于气动抖振力非定常性质明显,不考虑总气动导纳函数将高估输电塔模型的抖振响应;脉动风力与脉动风速间有较强的非线性关系,用线性导纳函数计算的抖振力谱将低估脉动风分量的影响。     

矩形平面双曲抛物面薄膜屋盖的动力失稳临界风速

由于薄膜结构质量轻、刚度小、自振频率低,对风的作用非常敏感,一般认为在风荷载作用下会产生较大的位移和加速度反应,并可能引起局部流场的变化甚至诱发气弹失稳,所以应在考虑风与结构的耦合作用基础上分析结构的风振反应。失稳临界风速的确定是其主要内容之一。研究了均匀的理想势流作用下小垂度矩形双曲抛物面薄膜屋盖的失稳临界风速。首先建立薄膜屋盖的平衡方程,然后应用流体力学中的势流理论确定作用于薄膜表面上的气动力,从而建立起风与薄膜结构的耦合作用方程,并利用Bubnov-Galerkin方法将用带有积分的微分方程表示的耦合作用方程转化为一组常系数二阶微分方程,根据Routh-Hurwitz稳定性准则确定薄膜的失稳临界风速。由临界风速公式可以看出,临界风速与膜材参数、薄膜屋盖本身的几何尺寸和形状及两个方向上的预张力有关。     

杨树叶风振实验研究

通过研究杨树叶及其模型在不同风速下的风振变形情况,发现基于风速和叶片长度的雷诺数是单一叶片振动变形的重要气动参数.实验主要采用摄像机记录树叶变形振动过程和粒子图像测速仪测量叶片尾流流场的方法进行.实验过程中,随着风速由小变大,真实树叶依次经过了静态变形,大幅低频振荡,叶片翻卷并重归静态,由静态变为大幅高频振动等不同状态.实验表明,随着风速的增大,人造树叶经历了与真实树叶相似的状态变化过程,但各个状态的临界雷诺数与真实树叶有所不同.     

串列双塔柱风荷载及涡振性能研究

为研究双柱式桥塔的抗风性能,以实际桥塔为工程背景,采用CFD数值模拟方法分析了两串列带圆角方柱的非定常绕流。在验证分析方法可靠性的基础上,研究了风速、风向角和间距比对截面气动力系数的影响,并进一步研究了各塔柱及桥塔整体的涡振性能,对比了由于上游、下游塔柱侧力大小及变化趋势不同而造成桥塔扭矩增大的效应。研究结果表明:间距比的不同将显著改变串列塔柱气动特性,其临界值约为3,此时两柱阻力系数之和最小,侧力系数均方根值接近零。     

Aerodynamic forces and flow structures of an airfoil in some unsteady motions at small Reynolds number

Summary The aerodynamic forces and flow structures of a NACA 0012 airfoil in some unsteady motions at small Reynolds number (Re=100) are studied by numerically solving the Navier-Stokes equations. These motions include airfoil acceleration and deceleration from one translational speed to another and rapidly pitching up in constant freestream (equivalent to pitching up during translational motion at constant speed). It is shown that at small Reynolds number (Re=100), when the airfoil is performing fast acceleration or deceleration from one speed to another, a large aerodynamic force can be generated during and for a time period after the acceleration or deceleration; a large aerodynamic force can also be generated when the airfoil is performing a fast pitching motion in a constant freestream. In these fast unsteady motions, an airfoil in low Re flow can produce a large aerodynamic force as effective as in large Re flow, or the effect of unsteady motion dominates the Reynolds number effect. During the fast unsteady motion of the airfoil, new layers of strong vorticity are formed near the upper and lower surfaces of the airfoil under the previously existing thick vorticity layers, and it is the generation and motion of the new vorticity layers that is mainly responsible for the generation of the large aerodynamic force; the large-scale structure and movement of the newly produced vorticity layers are similar to that of high Re flow.     

高速铁路路堤-路堑过渡段复杂风场和列车气动效应风洞试验研究

中国地形地貌复杂多变,线路交替必不可少,为了探究高速铁路路堤-路堑过渡区域的列车气动效应和复杂风场,该文建立了大比例试验模型,采用风洞试验的方法对线路上方不同位置处的风速剖面和线路不同位置处的车辆气动力进行了测试。试验结果表明:路堤-路堑过渡段对气流的影响范围在轨道上方250 mm以内;线路交界处上方较低区域的风剖面由路堑主导,较高区域受路堤主导;风速变化对列车沿线移动的气动力变化趋势影响不大;在过渡区域,线路交界处附近对行车安全最不利,且路堤侧更为不利;受雷诺数效应的影响,气动力系数整体上随风速的增大而减小。