薄平板复气动导纳函数的试验与数值模拟研究

提出了一种分离频率识别复气动导纳的方法.首先推导了分离的单一频率下能够有效识别6个复气动导纳的理论公式;然后通过一种主动格栅产生顺风向和竖向的正余弦脉动分量,采用双天平水平测力装置测量模型上的抖振力;最后通过分析脉动风和抖振力的时程曲线,得到薄平板的6个复气动导纳函数,并与数值模拟结果相比较.结果显示:气动导纳的试验值均小于数值模拟结果;Sears函数不能作为桥梁断面阻力导纳函数的近似值;复气动导纳相位的试验值与数值模拟结果基本接近.     

三主桁断面车-桥气动特性的风洞试验研究EI北大核心CSCD

为研究三主桁断面车-桥组合系统的气动特性。以某大跨度斜拉桥为工程背景,采用节段模型风洞试验,通过开发的车-桥气动力同步测试装置对车-桥组合状态下各自的气动力进行测试,研究了线路位置、双车交会间距、风攻角等因素对车-桥系统气动特性的影响,分析紊流来流对车-桥气动特性的影响,并讨论列车气动导纳的特征。结果表明:由于绕流剪切层的影响,靠近迎风侧车辆阻力系数大于其他线路,线路2上列车的升力系数最大;双车交会时,背风侧车辆的阻力系数和升力系数随交会间距的增大而增大;受桁架自身绕流的影响,紊流来流对列车气动力功率谱影响较小;阻力和升力的气动导纳随折减频率呈现先增后减的趋势。     

气动干扰对平行双幅断面气动导纳影响研究

针对平行双幅桥梁存在的气动干扰现象,采用节段模型测力风洞方法研究气动干扰效应对双幅断面气动导纳影响。结果表明,由于气动干扰作用,双幅断面气动导纳与单幅断面气动导纳存在一定差别,尤其阻力气动导纳;相同外形断面产生的气动干扰效应相似,不同外形断面产生的气动干扰效应不同;由于下游断面对上游断面气动干扰影响较弱,不同间距引起的气动干扰对上游断面气动导纳影响无明显规律;随间距的增大气动干扰对下游断面气动导纳影响逐渐减弱,间距足够大时,此影响可忽略不计。     

横风作用下移动点湍流脉动特性风洞试验研究EI北大核心CSCD

为了研究移动点历经的湍流脉动风特性,设计了一套能够实现测量探针以均匀速度在流场中移动的试验系统,测量了不同风速-车速比(风速与移动点速度的比值)下的湍流脉动特性,提出了半椭圆湍流积分尺度模型,分析了与静止点观测结果相比的湍流脉动风速谱及能谱的变化。研究结果表明,移动点测得的湍流脉动特性与静止点测量结果存在明显的不同。对于某一固定来流风速,随着移动点速度的增加,纵向湍流积分尺度减小,相比Balzer及Cooper积分尺度模型,半椭圆模型的描述更加准确。基于半椭圆模型的脉动速度谱具有较高的精度,移动点历经的湍流谱能量因运动而重新分布,并表现出明显的Doppler效应。随着观测点移动速度的增加,脉动速度谱整体向更高的频率偏移,高频区域中的谱值增大,低频区域中的谱值减小,且能量向更高的波数区传递。     

基于风洞试验和数值模拟的双矩形断面涡振气动干扰研究

采用节段模型风洞试验和CFD数值模拟对宽高比为5∶1的双幅矩形断面涡振气动干扰进行了研究。分析了不同水平间距对双矩形断面竖弯和扭转涡振响应的影响。在水平间距比为1.2时进行了动态压力测试,并分别对竖弯和扭转涡振风速下的脉动风压场进行POD分析。结果表明双矩形断面间存在显著的气动干扰,且一般而言下游断面的涡振响应大于上游断面。前两阶本征模态与双矩形断面涡振相关联,由前两阶本征模态可重构脉动风压场。CFD数值模拟的结果表明双矩形断面的涡振符合“撞击剪切层失稳机制”,且一个周期内上游断面下风向以及下游断面上风向区域的流动变化较为显著。CFD模拟与POD分析的结果相符合,两者相结合可用于分析双矩形断面的涡振现象。     

宽厚比为2:1的圆角矩形断面气动特性的雷诺数效应试验研究

矩形断面在实际工程中应用广泛,对其角部进行圆角化处理可有效减小风荷载并改善风致振动性能,然而圆角矩形断面的气动特性存在明显的雷诺数效应。为研究宽厚比为2:1的圆角矩形断面气动特性的雷诺数效应,减小在这类断面结构的风荷载和风致振动分析中因雷诺数原因引起的误差,对5种不同圆角率(0.1、0.2、0.3、0.4和0.5)的刚性模型进行了测压风洞试验,试验雷诺数范围为0.8×10⁵～3.6×10⁵。通过风洞试验得到并分析了不同圆角率矩形断面的平均阻力系数、平均风压系数和斯特罗哈数随雷诺数的变化规律,并与标准矩形断面进行对比。研究结果表明：不同于标准矩形断面,5种圆角矩形断面的气动特性均表现了一定的雷诺数效应,这种雷诺数效应随圆角率的增大先增强后减弱,当圆角率为0.2时最强,其在雷诺数为2.8×10⁵时发生了明显跳跃;不同圆角矩形断面的平均阻力系数均随雷诺数的增加而减小。与其它位置相比,圆角矩形断面侧面和圆角位置处的风压系数受雷诺数影响更明显,其中圆角位置处最为显著。圆角矩形断面的斯特罗哈数在圆角率为0.1时基本稳定在0.22左右...     

矩形断面抖振力展向相关性的试验研究

为了研究紊流作用下钝体的非定常气动力(抖振力),以矩形断面为例,通过测压试验研究不同紊流积分尺度下的非定常气动力的分布特性,并结合理论分析方法研究了现有导纳识别方法的缺陷,进而提出基于三维统计理论的两波数三维导纳初步识别方法。结果表明:对于矩形这类钝体断面,其在紊流下的抖振力特性与流线型箱梁(桥梁主梁)接近,即抖振力的相关性高于脉动风速的相关性,且与紊流积分尺度成正比。另外,理论分析结果与实测数据间存在较大的差异,进一步表明传统的二维导纳函数无法反映真实的非定常气动力展向分布情况,而两波数的三维导纳则可揭示展向不同尺度漩涡都对抖振力的贡献。     

风屏障对平层公铁桥上列车气动特性影响的风洞试验研究EI北大核心CSCD

基于列车测压试验,以平层公铁桥梁和CRH2列车为背景,分析了风屏障对平层公铁桥上列车表面风压分布的影响,研究了有无风屏障时列车表面压力以及气动力的跨向相关性的变化规律。研究结果表明:设置风屏障后,列车迎风面与背风面、顶面和底面风压差随风屏障透风率的减小而减小,使得列车总体侧力和升力减小,风屏障透风率为20%时,列车表面脉动压力分布较均匀,有利于桥上列车运行时的安全与舒适。风屏障的防风效果不会随着风屏障高度的增加一直变好,透风率为40%时,风屏障存在一个最优高度3.5 m。风屏障透风率对列车迎风面以及顶面圆弧过渡段表面风压的影响明显大于高度。设置风屏障后,列车底面和背风面测点压力跨向相关性更好,风屏障的挡风效应增强了这两部分展向流场的一致性,使流体的脱落点更一致。随着跨向间距的增大,气动力的相关性越来越差,风屏障对气动力的跨向相关性较无风屏障时弱,设置风屏障时跨向间距超过5倍列车高,气动力完全不相关。     

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。     

旋转圆柱气动特性的雷诺数效应研究EI北大核心CSCD

流体流过旋转圆柱形成的不对称流场会在圆柱上产生侧向流致力(升力),这种流致力在航海和风能利用方面有很广的应用前景,旋转圆柱气动力特性的研究对这些应用有重要的意义。通过测量旋转圆柱体在不同转速和风速下的气动力和尾流场,讨论了不同雷诺数范围旋转圆柱的气动特性。结果表明雷诺数是影响旋转圆柱气动力的重要因素:亚临界区旋转圆柱的侧向力主要体现为马格努斯效应,升力指向切向速度与风速相同一侧,随着转速比的增大而增大;在临界区,圆柱的转动会诱发流体在切向速度与风速相反一侧形成再附现象,形成指向该侧的升力,随着转速的提高,升力不会发生明显变化。此外,雷诺数效应会受到转速的影响:随着转速提高,发生阻力损失的雷诺数会变小,出现再附现象的雷诺数范围变大。     

突风作用下圆柱结构气动特性的试验研究

突风(平均风速随时间快速变化)作用在结构或构件上时,结构的气动力和振动状态与平稳风作用下的结果有何不同,是值得研究的问题。在风洞实验室,利用电压控制的方法,实现了具有一定风速加速度的突升和突降的风速变化过程,测试了圆柱结构在突变风速平稳风速作用下的气动力和振动状态,试验结果表明：当突升风速作用在模型上时,采用瞬时风速和气动力算得的力系数和在平稳风速下的结果一致;当突降风速作用在模型上时,采用瞬时风速和气动力算得的力系数虽然在大小上和在平稳风速下的结果一致,但是其对应的临界雷诺数范围比平稳风速对应的临界雷诺数范围,整体向小的方向上偏移了一定的量值。当不涉及到临界雷诺数时,本文的突变风速不会激发模型的大幅振动;当风速升至或降至临界雷诺数区域时,模型将发生稳定的大幅振动;当风速经过临界雷诺数时,在临界雷诺数对应的风速下发生大幅振动,随着风速的升高或降低使得对应的雷诺数离开临界区域时,振动逐渐消失     

The cylinder in the wind tunnel,revisited

Analytical comparative solutions are often needed to assess the accuracy of proposed elements or proposed iterative schemes for potential flow numerical calculations. Traditionally, the flow over a circular cylinder, placed in a wind tunnel, has served for such a test and the results compared to what is thought to be an exact solution. We point out here that there is no exact solution for the flow over a circular cylinder in a wind tunnel, for practical values of wind tunnel height to cylinder radius, but that an exact solution can only be found for the flow over an oval cylinder. We derive that exact solution and provide numerical comparisons, using triangular elements, with both the stream function and the velocity potential for the incompressible case. In addition, numerical results for compressible flows up to critical Mach number are presented.     

非高斯脉动风压的模拟研究

对于风荷载数值模拟,大多数研究都是假定风荷载为平稳高斯随机过程。然而,在分离流作用的一些局部重要区域,例如建筑物屋盖边缘、屋面转角等,风荷载表现出强烈的非高斯特性。为了能够有效地模拟非高斯脉动风压,本文提出一种模拟非高斯脉动风压的框架。首先,根据风速与风压间的关系,严格推导出脉动风压功率谱密度函数。然后,基于导出的功率谱密度函数、Johnson转换系统和数字滤波理论,提出一种能够快速而有效的生成指定偏度、峰度和功率谱非高斯脉动风压的方法。最后,通过一个一维单变量非高斯脉动风压的模拟算例对该方法的可行性和正确性进行验证。数值结果表明：模拟生成的单样本非高斯脉动风压的统计参数例如偏度和峰度与目标偏度和峰度非常吻合,而且模拟功率谱与目标功率谱两者也吻合得很好。     

结构风振分析中的脉动风荷载频率补偿方法

以风洞试验相似理论和随机振动理论为基础,提出了风振分析中的脉动风荷载频率补偿问题,即根据已有的测点风压数据重构脉动风荷载的高频部分,其目的是解决由于缩尺比导致的试验采样频率转化为原型荷载频率后所存在的高频截断问题。对脉动风荷载频率补偿的必要性进行了探讨,指出被截断的高频信号可能导致结构风振响应分析结果失真;结合脉动风荷载能谱理论和本征正交分解(POD)技术提出了一种实用的频率补偿方法;结合一风洞试验分析了考虑频率补偿与否对单层网壳结构风振响应分析结果的影响,验证了方法的有效性。     

非平稳脉动风速的数值模拟

非平稳脉动风速的数值模拟关键因素是要获得时变功率谱.根据进化谱理论,时变功率谱可以通过某个确定性调制函数对现有平稳功率谱(例如kaimal谱、Davenport谱或Simiu谱)进行调制而获得.但是,目前并没有值得认可的功率谱调制函数,以至于非平稳脉动风速的模拟很少被关注.为了获得合理的调制函数来实现非平稳脉动风速的模拟,首先,将某一段时间 [0,T]内的非平稳脉动风速离散成n=T/Δt段足够短时间Δt内可以近似为平稳脉动风速的时间序列;其次,当Δt→0时,通过组合n段平稳脉动风速的功率谱来获得时变功率谱;最后,通过将获得的时变功率谱等于进化谱而推导出相应的调制函数,并运用谐波合成法模拟了三个空间点的非平稳脉动风速.     

基于演化相位谱的脉动风速模拟

基于理性分析,提出了一种演化相位谱模型,并由此发展了脉动风速模拟方法。根据湍流中不同频率涡旋的特征速度,提出了相位演化速度这一概念;进而,说明具体的风速时程可由所有初始相位为零的涡旋经过时间 演化而来。通过对实测脉动风速 值的识别和统计,给出了 的概率分布。据此,可以得到演化相位谱的样本,结合Fourier幅值谱,应用逆Fourier变换便可进行脉动风速模拟。本文所建立的演化相位谱模型是对Fourier相位谱的一种理性描述,可用于各种结构抗风计算及可靠度分析的风荷载模拟当中。     

独立矩形截面超高层建筑的顺风向气动阻尼风洞试验研究

通过37个超高层建筑气动弹性模型的风洞试验,利用随机减量法从模型的风致加速度响应中识别了气动阻尼,并通过与前人相关研究成果及基于准定常理论的计算结果的比较验证了识别结果的正确性。在此基础上,研究了独立矩形截面超高层建筑顺风向气动阻尼的变化规律,考察了质量密度比、广义刚度、结构阻尼比、高宽比、宽厚比及风场类型对建筑结构气动阻尼比的影响。研究结果表明：超高层建筑顺风向气动阻尼比随折减风速变化的曲线近似一条单调增加的直线;结构阻尼比、质量密度比、宽厚比、折减风速、高宽比是影响顺风气动阻尼的比较重要的参数;广义刚度、风场类型相对影响较小。基于这些研究数据,拟合了超高层建筑顺风向气动阻尼比的经验公式,供工程设计人员参考。