圆柱和带圆弧圆柱绕流的二维数值模拟

文章采用计算流体动力学软件Fluent中的SST k-ω湍流模型在雷诺数为6.8×10~4的条件下对圆柱和带圆弧圆柱的绕流情况进行二维数值模拟。首先计算了圆柱的阻力力系数与斯托罗哈数并与参考文献进行对比,以保证网格划分与边界条件的正确性。之后对不同角度下的带圆弧圆柱进行了数值计算,得到了绕流流线图、升力系数、阻力系数、斯托罗哈数、驰振力系数,并与圆柱的计算结果进行比较。研究结果表明:在不同角度下,带圆弧圆柱的模拟结果与圆柱相比差异明显;带圆弧圆柱的驰振力系数存在小于零的区域,有发生驰振的可能性。     

全风向角下二维切角方形桥塔气动措施数值模拟

采用SST K-ω湍流模型,对二维切角方形桥塔气动措施进行了全风向角下的CFD数值模拟研究,雷诺数为5×10~4。分析了添加气动措施对桥塔气动力系数、横风向气动力频谱、斯托罗哈数的影响,并与试验结果进行了对比,二者吻合较好。研究结果表明,风向角α≤25°,升力系数呈下降趋势,添加翼板会显著增大桥塔升力系数;α25°,升力系数呈上升趋势,添加气动措施对桥塔升力系数没有影响。添加气动措施后桥塔阻力系数会增大,最小阻力系数出现在5°～10°风向角范围内。不同风向角下的模型涡脱方式不同,包含的涡脱频率也不同,漩涡脱落不一定是单纯的正弦现象。添加气动措施会减小模型St数,最大St数出现在5°～15°风向角之间。     

开洞低矮房屋屋面平均内外风压数值模拟

为研究开洞低矮房屋在台风环境下的破坏机理,基于ANSYS软件采用SST k-ω湍流模型对低矮房屋封闭、单一洞口的屋面风压分布及变化规律进行数值模拟研究,与全尺模型实测及风洞试验结果对比表明:数值模拟结果与实测及风洞试验结果基本吻合,验证了采用SSTk-ω湍流模型研究低矮房屋表面风压的可靠性;湍流度对平均内风压系数的影响随开洞位置不同而不同,屋顶开洞时,随着湍流度的增大,平均内风压系数的绝对值变小,屋面平均净风压系数增大;屋沿开洞时,随着湍流度的增大,平均内风压系数的绝对值增大,但平均净风压系数的变化不大;风向角对整体屋面平均内风压系数的影响显著,尤其是在开洞边缘区和迎风角部区域。     

超临界CO2在水平螺旋凹槽管中传热和压降特性的数值研究

采用RNG K-ε模型对超临界CO₂在水平螺旋凹槽管和光管管内的冷却换热特性进行了数值模拟，并对速度场、温度场及涡量进行了对比分析，证明了螺旋凹槽管比光管具有更好的换热性能。探究了在不同入口雷诺数、入口压力及有无浮升力条件下，螺旋凹槽管整体换热性能的变化。结果显示：螺旋凹槽管的换热系数随着入口雷诺数的增大而增大，而在不同入口压力下，换热系数与比热容的变化趋势一致；在不同入口压力和入口雷诺数条件下，螺旋凹槽管的换热系数都在拟临界温度附近达到最大值；有浮升力可以增强换热强度，且主要表现在拟临界温度附近，随着雷诺数增大，重力引起的浮升力效应更明显；压降随着入口压力和入口雷诺数的增大而增大，随温度单调降低，随着超临界CO₂温度的升高，低温状态下压降急剧降低，在拟临界温度后开始缓慢变化。     

高层建筑标准模型脉动风荷载阻塞效应试验研究

在均匀低湍流度风场和均匀高湍流度风场中对阻塞比分别为1.7%、3.1%、4.5%、6.3%、8.6%和10.9%的高层建筑标准模型进行了多点同步测压试验,研究了不同风场下阻塞效应对高层建筑标准模型层脉动风力系数和基底脉动力矩系数的影响。结果表明:在均匀低湍流度风场中,当模型阻塞比不大于4.5%时,阻塞效应对高层建筑标准模型层脉动风力系数和基底脉动力矩系数的影响很小;当模型阻塞比大于4.5%时,随着阻塞比的增大,层脉动风力系数和基底脉动力矩系数均明显增大,横风向最为显著。在均匀高湍流度风场中,湍流度的增加增大了层脉动风力系数和基底脉动力矩系数,抑制了阻塞效应对层脉动阻力系数和顺风向基底脉动弯矩系数的影响,削弱了阻塞效应对层脉动升力、扭矩系数和横风向基底脉动弯矩系数、扭转向基底脉动扭矩系数的影响。基于试验结果,提出了高层建筑标准模型层脉动风力系数和基底脉动力矩系数的阻塞效应修正公式,可为相关试验结果的修正提供参考。     

基于CFD的高速铁路混凝土箱梁气动特性研究

我国高速铁路正在迅速发展,其抗风性能是安全性的影响因素。为研究高速铁路混凝土箱梁的气动特性,文章以我国铁道部门通用的标准跨度为32 m、时速为250 km/h的无砟轨道简支箱梁作为研究对象,采用CFD数值模拟的方法计算了主梁在不同风攻角来流作用下的三分力系数,并计算斯托罗哈数来评价主梁的涡振性能。研究结果表明:随着风攻角的增大,升力系数逐渐增大,阻力系数先减小再增大,力矩系数始终在0左右徘徊。主梁的斯托罗哈数不受风速影响。     

不同风向角下方柱气动特性的风洞试验研究

基于刚性模型测压风洞试验,分析了0～45°范围内不同风向角下方柱的气动特性,得到了方柱的平均风压分布、脉动风压分布、平均气动力、脉动气动力、旋涡脱落特性和驰振稳定性随风向角的变化规律.结果 表明:方柱的平均阻力系数和平均升力系数随着风向角的增大均先减小后增大,最后趋于平稳,在15°风向角附近取得最小值;方柱的脉动阻力系数基本不随风向角的变化而变化,脉动升力系数在风向角由5°增大到10°时急剧减小;方柱的斯托罗哈数随着风向角的增大呈小幅波动,在5°和15°风向角附近分别取得极小值和极大值;0～ 10°为方柱的驰振不稳定风向角范围.     

不同倒角半径方柱绕流数值模拟研究

为探究不同倒角半径下方柱绕流的特点和流场特性,文章基于CFD软件对单方柱和倒角半径为0.15D、0.25D和0.35D的方柱绕流进行了三维数值模拟。研究表明,方柱加倒角后,阻力系数会减小,升力系数先减小后增大但始终小于方柱的升力系数;随着倒角半径的增大,方柱的斯托罗哈数也逐渐增大,旋涡脱落频率加快;带倒角的方柱会出现胞体结构,呈现明显的三维特性,旋涡脱落的相关性较弱;方柱具有固定的分离点,而带倒角的方柱分离点不固定且相对方柱更加复杂。     

良态风作用下索膜结构风压特性现场实测研究

采用超声风速仪和风压传感器对良态风下的上海世博会世博轴索膜结构的风场及风压进行现场实测,对结构所处风场特性及膜结构表面风压特性进行研究。研究结果表明:三方向脉动风速均基本符合高斯分布;湍流度及阵风因子与平均风速基本符合对数型函数关系,随着平均风速的增大而减小;湍流积分尺度随平均风速的增大而增大;实测风速谱低频段和中频段实测谱与Simiu谱较为接近;风压概率密度分布有一定的非高斯性;与顺风向脉动风速功率谱相比,各测点脉动风压低频段功率谱密度相近,中频、高频段功率谱密度有一定差别;随着平均风速的增大,风压系数的离散性逐渐减小,风速较小时风压系数偏大;得到352.4°风向角下风压系数与体型系数。     

钢桁拱肋三分力系数及涡振性能风洞试验研究

以国内某大跨度公路钢桁拱桥为研究背景,对钢桁拱肋静力风荷载及涡振性能进行了研究。通过节段模型风洞试验,测试了该桥1/4跨、1/2跨处拱肋截面三分力系数及其涡振性能,研究了三分力系数沿拱肋高度的变化规律;基于试验结果,推导了阻力系数沿拱肋高度变化的经验公式,计算了1/4跨、1/2跨处拱肋截面的斯托罗哈数。结果表明:钢桁拱肋的三分力系数受风攻角影响较小,其中升力系数、升力矩系数基本不随高度变化,阻力系数沿高度的变化规律可近似使用指数函数描述;钢桁拱肋的涡振性能良好,不同风攻角下的斯托罗哈数均较小、涡振发生风速较高,涡振性能受阻尼比的影响较大。     

某高校主楼屋顶权杖结构抗风性能研究

为保障某高校主楼屋顶权杖结构的抗风安全性,对其进行了刚性模型风洞测力试验研究。分析了升、阻力系数及升、阻力矩系数随风速及风向角的变化规律。结果表明,升力系数均值在0附近,升力系数均方根均在0.1附近,而0°风向角下,阻力系数均值的变化范围为1.25~1.41,阻力矩系数均值在0.8附近;90°风向角下,阻力系数均值的变化范围为0.98~1.15,阻力矩系数均值在0.6附近。通过贴砂纸来改变表面粗糙度,探讨了表面粗糙度对横风向振动的影响,发现漩涡脱落频率和斯托罗哈数随着表面粗糙度的增加而减小,说明表面粗糙度会影响漩涡脱落规律,改变漩涡脱落频率,但是升力系数均方根随风速变化较小,未出现突然增大的现象,即未出现涡激共振。此外还研究了缠绕金属线对结构气动特性的影响,发现缠绕金属线对漩涡脱落频率、斯托罗哈数和升力系数均方根的影响不大,说明缠绕金属线没有改善结构气动性能。     

开阔地貌台风风场现场实测与风洞试验应用研究

基于100m高测风塔上风速仪的现场实测数据,获得了开阔地貌台风风场的平均风速剖面与湍流度剖面模型。在大气边界层风洞中准确模拟了台风风场和《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2001)规定的B类风场,并通过一个大跨刚性模型测压试验,详细分析与对比了两类风场条件下大跨屋面风荷载分布规律特征。研究结果表明:在开阔场地条件下,台风近地边界层平均风速沿高度分布符合对数律,亦满足指数律,风剖面幂指数介于规范规定的A类风场与B类风场之间,平均湍流度比B类风场规定值大1倍;台风风场作用下,开阔地貌大跨结构屋面风荷载受湍流度的影响远高于受平均风速剖面的影响,体型系数随湍流度的增大而增大,屋面风荷载亦随之增大。     

均匀风场中矩形高层建筑脉动风力阻塞效应试验研究

基于同步测压技术,对阻塞度为4.1%、6.1%、8.4%和10.1%的矩形单体高层建筑模型在均匀风场中分别进行了阻塞效应试验研究。对比了各模型层脉动风力随高度的变化、层风力功率谱密度、相关性和相干性。研究结果表明:随着阻塞度的增大,层脉动阻力和升力系数均增大,升力系数增幅更为显著;层阻力功率谱在2倍斯托罗哈数处出现谱峰;层升力功率谱峰值更加突出,且斯托罗哈数有所增大;层升力的竖向相关性和相干性以及层阻力的竖向相干性均增强;而在建筑1/2高度以上的层阻力竖向相关性降低。     

流线型桥梁断面雷诺数效应

针对以往雷诺数效应的研究都是在低雷诺数下进行的,并且许多学者对桥梁断面雷诺数效应的研究仍然停留在0°风攻角;本文针对桥梁断面雷诺数效应研究的不足做了如下研究:(1)在高雷诺数下对流线型桥梁断面三分力系数的雷诺数效应进行了研究;(2)针对阻塞效应对模型表面压力系数影响比较大的问题,结合某大桥节段模型风洞试验,采用修正公式对不同风攻角模型上、下表面的压力系数进行了修正,得到流线型桥梁断面压力系数的雷诺数效应。研究表明:阻塞效应对表面压力系数的影响比较大;同一雷诺数下,模型表面最小压力系数随着风攻角的增大而减小;相同风攻角下,在2×105Re1×105时,模型表面最小压力系数随着雷诺数的增大而减小。     

华东地区近地台风不同时距特性研究

基于2011年两次不同强度台风“米雷”和“梅花”影响下上海浦东国际机场附近沿海地区40m高测风塔获得的近地风实测数据,分析了不同时距下湍流度、阵风因子、峰值因子以及湍流积分尺度等风参数特性。研究表明：湍流度均值随时距的增大而减小且与Durst的研究结果一致,风速较小的“米雷”湍流度均值比风速较大的“梅花”的大;阵风因子均值在10m以上实测结果与美国规范ASCE/SEI 7-10曲线接近,而10 m高度处的实测值偏大;峰值因子均值随时距增大而减小,但受实测高度和风速变化的影响较小;台风“米雷”峰值因子均值在时距大于100 s后略大于“梅花”,但总体上与Durst的研究结果一致。在各时距下台风“米雷”纵向、横向和竖向湍流积分尺度均值比“梅花”的大,两次台风的纵向湍流尺度在10 m高度处1 min~1 h时距的变化范围分别为27~267 m和27~205 m,当时距足够大时横向积分尺度会大于纵向值。     

考虑雷诺数效应的斜拉索气动力试验研究

由于大跨度斜拉桥斜拉索的风荷载在全桥风荷载中占很大比重,因此准确掌握斜拉索的风荷载对大桥的设计工作是十分重要的。通过风洞试验,测试斜拉索的阻力和升力,得到力系数随雷诺数的变化规律,证实在临界雷诺数区域有平均升力的产生,其最大升力系数远大于此雷诺数时对应的阻力系数,忽略升力的存在可能导致斜拉索风荷载的计算结果偏小;将阻力系数和升力系数合成为合力系数,并与规范值比较,发现只有当雷诺数超过一定数值之后,规范的算法才是安全的,雷诺数小于此值尤其是在临界雷诺数区域,合力系数比规范值超出较大。针对苏通长江公路大桥和南京长江第二大桥,利用试验结果和规范值,对斜拉索的风荷载分别进行计算分析,发现利用本文方法计算的合力并不随风速的增大单调增长,而是在一定的风速时取得极大值;利用静阵风风速计算风荷载,按桥规计算的结果在某些情况下偏小,建议规范适当考虑气动升力对斜拉索风荷载的贡献。     

台风“浣熊”影响下近地风特性及低矮房屋屋面风压实测研究

基于上海浦东国际机场附近的同济大学实测基地获取的2014年台风"浣熊"影响下的近地风速时程和低矮双坡屋面风压同步实测数据,研究了台风影响下的近地风特性和低矮房屋屋面风压特性。10m高度处实测风速结果表明:纵向的湍流度随平均风速的增大呈减小的趋势,而横向和竖向的湍流度随平均风速的变化趋势不明显。坡角为10°的足尺低矮房屋在"浣熊"影响下,由于屋脊对斜风向来流的气动分离作用,在背风屋面右侧靠近屋脊的位置出现了明显的漩涡脱落,而斜风向下山墙和屋脊的共同作用也导致了第二个旋涡的产生;旋涡处的脉动风压系数峰值随着风向角度的增加呈逐渐增大的趋势,并且也随纵向湍流度的增大而增大。     

北京郊外近地面风场特性实测研究

基于北京延庆县某一近地风剖面观测点,观测获得了近地面冬季季风剖面实测数据,研究了近地风剖面的平均风速和风向角、湍流度、阵风因子、相干函数、湍流积分尺度和功率谱密度等风场特性参数,并与现行欧洲、美国、日本等相关国家规范进行了对比分析。研究结果表明：实测风速沿高度的变化规律除3.5m高度外,12.5m高度范围内实测结果与各国规范值基本符合;随着高度的增加,湍流度和阵风因子呈逐渐减小的趋势;实测湍流度结果与欧洲、美国、日本等相关规范湍流度取值较为接近,而与GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》差异较大;10m高度范围内顺风向、横风向湍流积分尺度随着高度增加而增大,随着平均风速增大而增大,实测湍流积分尺度结果与国外规范值存在一定差异;随着测点间距增大,竖向相关性的衰减系数明显增大,且实测衰减系数结果与Davenport建议的衰减系数有明显差异;10m高度范围内各高度处的实测功率谱密度曲线基本一致,与已有经验谱有一定差异,但与Devenport谱接近。     

理想条件下建筑屋顶热效应对污染物扩散特性的影响

基于realizable K-ε湍流模型,采用CFD模拟研究了背风建筑屋顶不同强度热效应产生的自然对流作用对建筑周围流场、温度场及屋顶烟囱排放污染物扩散的影响。研究中采用理查德森数Ri(0～1.15)表示背风建筑屋顶受太阳辐射产生的热浮升力与来流惯性力的相互作用强弱,并通过风洞试验对构建的数值模型进行了验证。结果表明:数值模型计算结果在湍流施密特数Sc_t=0.1时与风洞试验实测结果吻合最好;当Ri0.78时,随Ri增大,迎风建筑A的背风区流动结构变化显著,街道峡谷背风面及行人呼吸高度面污染物浓度显著降低,降幅分别可达58%和70%;Ri≥0.78时,热浮升力占据主导,迎风建筑背风区流动结构及污染物的分布基本不再发生变化,而且由于热浮升力明显的抬升作用,使得街道峡谷内污染物浓度水平较低。     

近地边界层台风观测及湍流特征参数分析

通过近海岸测风塔获取了台风达维(0518)、珍珠(0601)、派比安(0606)登陆过程中10m高度三维脉动风速数据,对近地10m高度平均风特性和湍流特性进行了分析和研究。基于台风观测结果,分析了不同来流方向和地貌状况下,风剖面指数值、摩擦速度、湍流度和阵风因子等湍流参数及其相关性。分析结果表明: 摩擦速度与平均风速呈正相关,摩擦速度随平均风速增大而增大;风剖面指数值随平均风速增大而减小;各方向湍流度随平均风速增大而减小;阵风因子与湍流度呈线性关系。通过拟合实测湍流参数相关性,提出了10m标准高度台风湍流度、阵风因子的计算式,可为台风多发区域低矮房屋的抗风设计提供参考.