桥梁气动导数的格子Boltzmann大涡模拟仿真

为将格子Boltzmann方法(Lattice Boltzmann Method, LBM)用于桥梁气动导数的识别,该文将壁面自适应局部(Wall-Adapting Local Eddy, WALE)涡黏性模型引入到多松弛时间格式(Multiple Relaxation Time,MRT)的LBM中,构造了一种能够有效模拟桥梁结构高雷诺数绕流的LBM大涡模拟方法—MRT-LBM-WALE。采用MRT-LBM-WALE和动边界技术驱动主梁断面在流场中做正弦竖向或扭转振动,在虚拟风洞中实现了强迫振动法识别气动导数的LBM仿真。利用方柱非定常绕流问题验证MRT-LBM-WALE的可靠性后,对理想平板和Great Belt东桥的气动导数进行了计算。研究证明MRT-LBM-WALE能够得到近壁面上真实的亚格子涡黏性,可以准确地预测湍流流动的发展。同时,研究表明气动导数的MRT-LBM-WALE仿真值与理论解或试验值吻合较好。     

亚格子尺度湍流特性研究

采用大涡模拟方法模拟了雷诺数Re_H=18,400的后台阶湍流流动,研究了亚格子尺度湍流动能和湍流耗散的特性。给出了后台阶湍流流动的流场结构以及亚格子湍动能和亚格子湍耗散的空间分布结果,比较了大涡模拟预报湍流粘性以及等效计算粘性。研究表明,亚格子尺度湍动能和亚格子湍耗散随着流动在空间的发展而呈现减弱趋势,回流区内亚格子湍动能和耗散较弱;在台阶截面(y/H=1处)亚格子湍动能和耗散最大。亚格子湍动能小于脉动动能统计量,亚格子粘性小于等效湍流模型粘性预报结果。     

基于iDDES的双三角翼大迎角非定常涡破裂特征分析EI北大核心CSCD

采用基于两方程k-ω-SST模型的i DDES方法对80°/65?双三角翼涡破裂流动进行了数值模拟,获得了迎角?=30??40?范围内,涡破裂在双三角翼主翼面上方发生时的气动力、表面压力、空间涡结构、湍动能等流动信息,在与风洞实验充分比对的基础上,详细分析了涡破裂发生时的涡破裂形态,表面压力均方根值分布,非定常气动力、表面压力脉动等流动特征,对涡破裂与气动力频谱、表面压力/压力脉动、空间速度、湍动能分布之间的相互关系进行了阐述,并分析了以这些流动信息为判据得到的涡破裂位置之间的相关性。     

单体1:1:6方形截面建筑绕流的大涡模拟

基于Fluent 6软件平台,采用大涡模拟(LES)方法对一宽高比为1:1:6的高层建筑缩尺模型表面的平均和脉动风压进行了数值模拟,并与相应风洞试验结果进行了比较和分析,然后,研究了不同来流湍流度对结构表面风压分布的影响.结果表明:(1)对于类似研究的00风向角下的方形截面建筑来说,结构迎风面风压直接受来流湍流的影响;侧面由于存在流动分离,其风压主要受分离产生的特征湍流的影响,受来流湍流度的影响较小;而背风面处于复杂的尾流区,其表面风压受到的影响因素比较复杂.(2)在风压系数的统计特性和自谱上,LES结果与风洞试验结果均能够基本保持一致,LES方法能够较准确预测结构表面的平均和脉动风压分布.     

2018年全国自然灾害基本情况分析

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。     

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。     

基于iDDES的双三角翼大迎角非定常涡破裂特征分析

采用基于两方程k-ω-SST模型的iDDES方法对80°/65°双三角翼涡破裂流动进行了数值模拟,获得了迎角α=30°~40°范围内,涡破裂在双三角翼主翼面上方发生时的气动力、表面压力、空间涡结构、湍动能等流动信息,在与风洞实验充分比对的基础上,详细分析了涡破裂发生时的涡破裂形态,表面压力均方根值分布,非定常气动力、表面压力脉动等流动特征,对涡破裂与气动力频谱、表面压力/压力脉动、空间速度、湍动能分布之间的相互关系进行了阐述,并分析了以这些流动信息为判据得到的涡破裂位置之间的相关性。     

外附网架对高层建筑主体结构风荷载的影响

基于刚性模型的高频天平测力风洞试验,对一外附网架的超高层建筑的基底弯矩和扭矩特性进行了分析,详细讨论了复杂的周边建筑环境和外附网架对近似椭圆形截面目标建筑的整体气动力特性的影响。研究结果表明,复杂周边建筑对目标建筑的气动力均值的影响主要表现为遮挡效应,但在一定条件下可能放大目标建筑所受到的脉动气动力;建筑两侧面绕流区的外附网架所受切向气动力使建筑顺风向气动力均值及脉动值增大,增大的程度与阻挡气流绕流的外附网架面积大小相关;外附网架对建筑表面粗糙度的改变使建筑两侧气流的旋涡脱落强度削弱,导致横风向脉动气动力减小,但对横风向脉动气动力均值没有影响;周期性旋涡脱落引起的外附网架上的脉动风力将部分抵消主体结构上的涡激力脉动导致的结构气动扭矩脉动值,对气动扭矩均值没有明显影响。这些结论为高层建筑的设计提供了参考。     

矩形断面主梁涡激振动气动力展向相关性试验研究

桥梁主梁结构涡激振动具有三维特性,主梁涡激力沿展向并不完全同步。在均匀流场条件下针对宽高比为5的矩形断面主梁分别进行了振动状态和静止状态风洞试验,对其气动力、尾流风速、表面压力展向相关性等进行研究。结果表明:振动状态矩形断面主梁气动力展向相关系数比静止状态大,涡振锁定区内升力系数相关系数最大值位于锁定区间上升段而非振幅最大处。振动状态矩形断面主梁尾流区顺风向及竖向脉动风速展向相关系数小于其气动力展向相关系数;静止状态矩形断面主梁尾流区顺风向脉动风速和竖向脉动风速展向相关系数沿展向距离呈指数衰减,且不同风速下对应的衰减曲线比较接近。     

气动措施抑制桥梁涡振机理研究

通过表面测压方法研究了桥梁主梁基本断面、添加抑流板或导流板后断面的涡激共振特性;基于三种断面不同风速各测点压力时程,综合对比分析脉动压力系数均值、标准差、功率谱及局部与总体气动力相关性对涡振的影响,揭示了扭转涡振及气动措施抑振的机理。研究发现:扭转涡振的根本原因是上表面上游的分离使得中游和下游区域压力脉动非常强烈,各测点脉动压力具有相同卓越频率,且与总体气动力具有良好的相关性;抑流板改善了上表面流场分布,有效抑制了涡振;而导流板对上表面流场基本无影响,未能抑制涡振。     

湍流度对斜拉索雷诺数效应影响的试验研究

大跨度斜拉桥斜拉索为典型的风敏感结构,并且处在复杂的湍流环境中,来流湍流度对斜拉索的气动性能影响十分显著。对斜拉索模型在不同湍流度下进行风洞试验,测得斜拉索的表面压力,对比分析同一湍流度下斜拉索气动力系数随雷诺数的变化规律,以及同一雷诺数斜拉索气动力系数随湍流度的变化规律。结果表明:湍流度使得雷诺数效应提前,湍流度越大,气动参数的雷诺数效应提前的越多;湍流度增加,迎风侧脉动风压系数也会增大;雷诺数越小,不同湍流度下斜拉索的压力系数值相差越大,而在大雷诺数下,其值越接近。     

横风下移动列车非定常气动力计算

为研究横风对移动列车非定常气动力的影响,该文介绍了两种获得移动列车脉动风速时程的模拟方法;基于准定常理论和气动权函数方法,推导了能同时考虑三个方向的湍流脉动和不同横风风向角效应的移动列车非定常气动力计算公式;通过数值算例,研究了不同参数对计算结果的影响。研究结果表明:通过气动权函数方法得到的非定常气动力会出现滤波和时间滞后效应;当考虑更多方向的湍流分量时,会获得更大的力脉动;横风风向角和侧向湍流分量会分别影响非定常力的均值和变异系数。     

稳定板对带式输送机边主梁斜拉桥涡振性能影响机理的研究

为研究稳定板对桥面安装带式输送机的边主梁斜拉桥涡振(vortex inducedvibration, VIV)性能影响的机理,通过节段模型测压试验获取边主梁表面压力时程,综合对比分析不同稳定板工况下断面脉动压力系数均值、标准差、功率谱、局部与总体气动力的相关性,并揭示下稳定板对边主梁桥的抑振机理。研究发现：该类型主梁竖弯涡激共振发生的原因为上表面前部分离与再附区域强烈的压力脉动,下表面前部气动力与总体气动力的强相关性及后部具有明显相关性的强烈的压力脉动;梁底布置一道稳定板能显著降低断面压力脉动,布置两道稳定板断面压力脉动进一步降低,从而大幅抑制涡振;梁底布置三道稳定板促进了气流在下游风嘴处的再附,断面压力脉动被大幅削弱,局部气动力与总体气动力相关性被显著破坏,从而有效抑制涡振。     

高压喷嘴空化初生的大涡模拟

考虑瞬时压力脉动对空化初生的影响,采用动态亚格子应力模型对某高压柴油喷嘴内部瞬时流动进行大涡模拟。计算结果表明：喷孔入口分离形成的局部低压区内时均湍流脉动压力可达时均静压的2倍,两相流场时均空泡位置及形态与实验结果十分吻合,并与基于时均静压及湍流脉动压力预测的空化初生区域基本一致。分离剪切层失稳形成柱状涡并激发了转捩过程,在分离转捩区域柱状涡发生扭曲变形并产生强烈的瞬时压力脉动,从而导致了空化。喷孔入口倒角处理使得分离减弱,对分离转捩过程和空化初生具有抑制作用。     

湍流入口条件下建筑非定常风场的大涡模拟

考虑湍流入口条件对绕德州理工大学标准模型的三维非定常风场进行了数值模拟;比较了稳态入口边界条件下时均风速剖面形状对建筑表面压力分布的影响;分别采用旋涡法、谱合成法和预前模拟法生成湍流入口风速脉动;并将相应的大涡模拟结果与实测数据和风洞试验数据进行了对比分析。结果表明:时均风速剖面形状对时均流场的影响几乎可以忽略,但对瞬态流场的计算有很大影响,工程应用中建议根据当地实测数据修正风速剖面公式;采用由预前模拟法生成的湍流作为入口边界条件进行大涡模拟得到的建筑表面风压非定常特性与实际情况最为吻合;通过高精度插值算法,预生成的入口湍流时程数据能在位于相同地貌下不同建筑绕流的大涡模拟中反复使用,在一定程度上弥补了预前模拟耗时的缺陷。     

基于URANS与DDES方法的空腔近场噪声数值研究

采用基于SST(Shear-Stress Transport)湍流模式的URANS(Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes)和DDES(Delayed Detached Eddy Simulation)方法开展了马赫数0.85的三维空腔非定常流动数值计算。计算结果表明:两种方法得到的空腔底部静压、脉动压力声压级和功率谱均与实验及参考文献结果具有良好的一致性;DDES在模拟流动失稳、小尺度结构等流动细节方面更具优势,对高频压力脉动的捕捉也要优于URANS。通过对时均流场的分析,确定了模拟的空腔流动类型为过渡式流动,同时发现空腔内存在的复杂三维涡结构,并分析了这些涡结构对空腔流场特性的影响。     

栏杆对典型桥梁断面涡激振动的影响研究

为了研究栏杆对典型桥梁断面涡激振动的影响,通过风洞试验分别研究了有无栏杆桥梁断面的涡激振动响应。裸梁断面风洞试验没有发生涡激振动,上下表面的脉动压力对涡激振动的贡献很小。栏杆断面风洞试验则发生了明显的竖向涡激振动现象,上下表面中下游脉动压力对涡激振动贡献较大。栏杆使得上表面的来流分离更彻底,改变了上表面的压力系数均值,但不能改变下表面的压力系数均值,栏杆不仅能够改变上表面的压力脉动情况,同时也显著增大下表面的压力脉动幅值。     

混流式水轮机小开度下导水机构内湍流特性和叶道涡结构研究

为准确捕捉小开度流动的瞬态湍流特性,充分了解流场结构,采用滑移网格技术以及基于Vreman亚格子模型的全局动态大涡模拟方法,不仅得到混流式水轮机全流道内速度、压力以及涡量的分布,同时捕捉到了活动导叶周围独特的流动形式和叶道涡的时空演化。计算结果表明：当高转速、小开度工况时,流道内流体的圆周速度占有绝对优势,加强了导叶后尾迹涡的相互影响,致使流道中发生更为剧烈和复杂的漩涡、脱流等各种水力不稳定现象。从蜗壳到转轮室的压力脉动均以低频为主,主要的频率能量成分基本相同,说明小开度低频异常振动与压力波的传递有关。叶道涡是致使叶片疲劳破坏的主要因素。     

矩形钢箱梁铁路斜拉桥涡振性能及气动控制措施研究

某大跨度矩形钢箱梁铁路斜拉桥存在常遇风速下的涡激振动(VIV)。为了抑制涡激振动,采用1∶50节段模型风洞试验,研究了不同气动措施对主梁涡振制振的作用,包括减小栏杆透风率、增设裙板、导流板以及三角形风嘴。试验结果表明,除三角形风嘴能够适当降低主梁的竖弯涡振外,其他气动措施抑制涡振的作用不明显。在此基础上,提出了带平台的三角形下行风嘴的制振措施。试验结果表明,该措施能够有效抑制涡振,继而通过1∶25大比例尺节段模型风洞试验对该措施的有效性进行了验证。采用计算流体动力学(CFD)的方法,对该气动措施的制振机理进行了研究。试验结果表明,带平台的三角形下行风嘴能够同时降低主梁上、下表面的旋涡尺寸,并有效减小主梁受到的非定常气动力,从而达到抑制主梁涡振的效果。该研究成果可为大跨度铁路斜拉桥钢箱梁的涡振制振设计提供参考。     

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。