上游切角倒角小间距比串列方柱大涡模拟研究

串列双方柱在小间距比情况下会存在一定的遮挡效应,而上游方柱角部形状改变对其遮挡效应的影响有待以进一步明晰.以间距比(方柱中心距与边长的比值)为2.0的串列双方柱为对象,分别对标准方柱、上游方柱切角和倒角处理(角部变化率10％)3种工况,进行了非定常绕流大涡模拟研究.数值模拟中采用均匀平滑流场,不考虑来流紊流,以来流平均...     

倒角切角对方柱气动性能影响的大涡模拟研究

倒角和切角措施对方柱的气动力及流场影响很大,常作为方柱流动控制的手段,采用大涡模拟方法,以雷诺数22000的方柱为研究对象,考虑了角部措施(角部变化率10%)的影响,对均匀流场下标准方柱、倒角和切角方柱周围流场及气动性能进行了模拟研究。通过将标准方柱大涡模拟结果与相关文献的试验和数值模拟结果对比,验证了该方法及参数取值的有效性;研究分析了倒角和切角措施对方柱风压分布和气动力的影响,并着重从时均流场和瞬态流场角度分析了角部处理措施对方柱气动性能的影响机理。结果表明,倒角和切角措施对方柱表面风压分布和气动力均有一定影响,其中对方柱表面流动分离区的风压系数影响更为显著。采用角部处理措施后,方柱前缘角区的流动分离受到影响,分离剪切层扩散角更小,侧面的分离涡更贴近壁面,从而在方柱侧面形成再附,尾流变窄,旋涡脱落频率成分更为复杂,使得方柱的平均阻力系数更小,气动力脉动强度更弱,旋涡脱落频率更高、强度更弱。     

上游切角对串列双方柱气动性能影响研究

串列双方柱气动干扰效应与方柱本身的绕流特征有很大的关系,方柱角部局部外形变化将对串列双方柱的气动干扰效应产生明显的影响,相关的研究仍较少.采用基于雷诺平均SST k-ω湍流模型的二维非定常绕流数值模拟方法,研究了上游方柱无、有切角(切角率10％)对串列双方柱气动性能的影响,通过间距比为2.0时无切角工况的数值模拟结果与...     

刚性联结串列双圆柱尾流致涡激振动研究EI北大核心CSCD

为了研究刚性联结对串列双圆柱尾流致涡激振动的减振效果及其流场作用机理,以圆心间距为4D(D为圆柱直径)的无联结及刚性联结串列双圆柱为研究对象,在雷诺数Re=150时,采用数值模拟方法研究了刚性联结对圆柱振幅、振动轨迹和锁振区域的影响规律,分析了振动响应和气动力之间的内在联系,探讨了两类圆柱振动差异背后的流场机理。研究表明:刚性联结对串列双圆柱的尾流致涡激振动有一定的减振作用,提高了发生涡激振动的起振风速,减小了发生涡激振动的折减速度范围,降低了下游圆柱的振幅,但上游圆柱振幅略有增加。发生尾流致涡激振动时,无联结串列双圆柱和刚性联结串列双圆柱的的流固耦合机制不同,两者的尾流模态有很大差异。     

小间距比下串列双圆柱涡激振动数值模拟研究:振动响应和流体力EI北大核心CSCD

对小间距比(L*=1. 1～1. 5)下串列双圆柱涡激振动进行了数值模拟研究,其中Re=100,折合流速为U_r=3～30,质量比为m*=2. 0。为保证圆柱之间的距离不变,两圆柱均仅作横向振动。根据圆柱响应的不同将间距比范围内的涡激振动分为三种:(1)间距比L*≤1. 1时,响应存在于较大的折合流速(U_r=4～28)范围内;(2)间距比L*=1. 2～1. 3时,在大折合流速时,类似于高雷诺数时的尾流弛振出现;(3)间距比L*≥1. 5时,响应随折合流速增加并达到最大值,之后随折合流速缓慢减小,并最终稳定在较大的幅值上。对应不同的响应类型,上游和下游圆柱的流体力也呈现不同的变化;由于受到上游圆柱的屏蔽,下游圆柱的阻力均值要明显小于上游圆柱;在出现尾流弛振的区域,两圆柱的升力均方根随折合流速增加;此外,某些折合流速下圆柱之间的非稳定耦合作用也被反映出来。     

不同排列小间距双方柱涡激振动数值模拟研究

为研究不同排列下小间距双方柱涡激振动特性及其振动机理,在雷诺数为100时,对间距比为2、质量比为3的串列、错列和并列排列双方柱涡激振动进行数值模拟研究,分析了双柱在折合流速U_r=1～30下的响应振幅及频率特性,并得到振动柱体的升阻力系数,以了解其气动力系数的变化情况,探讨了不同排列下双柱尾流结构的变化情况。结果表明：串列及错列排列中,下游柱涡激振动振幅远大于单柱,上游柱振动受到抑制(θ=60°的双方柱排列情况除外)。并列排列中,双柱振动曲线几乎一致,其涡激振动振幅比单柱稍大。各排列双柱均发生尾流驰振现象,使其在U_r超出共振区时仍保持较高的振幅。不同排列的双柱阻力系数C_D(θ=30°的双柱排列下游柱除外)均在共振区内突增,在共振区外保持不变。在共振区内,双柱C_Lrms随U_r的变化情况与A^*的大小有关;在其余U_r范围内,双柱C_Lrms基本不变。串列双柱存在3种尾流模式,θ=30°双柱排列的尾流模式与串列双柱相似,但在...     

大攻角下分离双钢箱梁间距对涡振特性的影响EI北大核心CSCD

以某座分离双钢箱梁桥为背景,开展了一系列的节段模型风洞试验。首先分析了-5°^+5°间8个不同风攻角下单箱梁的涡振特性,然后详细研究了+5°风攻角下分离双箱梁在16个不同间距(双箱梁的净间距D与单箱梁宽B之比D/B的变化范围为0.025~4.0)时的涡振特性,并将结果与单箱梁的结果进行了对比。研究发现,间距对上游箱梁和下游箱梁涡振特性的影响均可大致分为4个区间。     

顶部方形开洞对超高层建筑风荷载影响的大涡模拟研究

顶部开洞是一种有效的超高层建筑气动优化措施,开洞形式和洞口位置对建筑整体风荷载的影响机理还有待进一步研究。采用基于空间平均的大涡模拟方法,考虑来流与洞口方向一致,研究了顶部无开洞(标准方柱)、敞开式和封闭式方形开洞,对湍流边界层风场内方形截面超高层建筑风荷载的影响。将封闭式方形开洞模型风压系数的大涡模拟与风洞试验结果对比,验证了该数值模拟方法及参数设置的正确性;对比分析了上述无、有顶部开洞及开洞形式的方柱表面平均和脉动风压分布特征,着重从流场角度分析了洞口形式对风荷载的影响机理。结果表明:顶部开洞影响了流动分离点位置、剪切流扩散角度及流动再附现象,洞口的狭管效应使得该处风速急剧增大,其中封闭式开洞更为显著,洞口内加速的气流扰乱了大尺度的涡流,导致涡的能量更加分散,从而减弱了结构表面风压;在顶部洞口边缘处,因流动分离而出现了较大风压值,其中敞开式洞口的背风面存在较为明显的边缘效应;封闭式开洞对减弱洞口局部风压的效果优于敞开式。     

基于大涡模拟的大气边界层湍流强度对低矮房屋风荷载特性影响研究

对德州理工大学(Texas tech university,TTU)低矮房屋标准模型,以已有现场实测以及缩尺模型风洞实验数据为验证对比,基于大涡模拟(Large-eddy simulation,LES)方法研究了大气边界层湍流强度对低矮房屋风荷载特征的影响机理。采用CDRFG (Consistent discretizing random flow generation) 人工合成湍流方法生成大气边界层湍流,研究了来流湍流度对低矮建筑表面的平均、脉动以及极小值风压分布以及风压非高斯特性的影响,并利用LES能提供非常场流动全流域信息的优势,结合瞬态湍流场结构对大气边界层湍流对低矮房屋风荷载特征的影响机理进行了阐释。结果表明:LES数值模拟得到的平均、脉动及极小值风压系数与实验以及实测结果一致,平均风压结果包络在实测误差范围以内,极小值风压系数最大误差小于10%,脉动风压系数最大误差小于20%且误差区域较小。在来流湍流度增大的过程中,低矮房屋屋面平均风压系数变化较小,脉动风压系数呈显著的线性增加;极小值风压系数变化规律相对复杂,呈现出非线性减小的趋势,风压系数极小值可达?5.0;屋面涡脱强度逐渐被抑制,锥形涡迹线与屋面迎风前缘的夹角由14.4°下降至8.7°。屋面风压非高斯特性主要与屋面形成的涡旋结构相关,表现出典型的右偏软化非高斯过程,且随着来流湍流度的增加风压非高斯特性逐渐减弱。从流场的角度来看,湍流度的增加抑制屋面迎风前缘柱状涡以及锥形涡的形成,加快流动分离的再附,减少分离泡尺度,同时提高了屋盖周围的湍流高频能量成分,从而使脉动风压增加,极小值风压减小以及风压非高斯特性减弱。该研究阐明了大气边界层湍流对低矮房屋风荷载特性的影响机理,有助于进一步理解低矮房屋风致破坏机理,并且为低矮房屋的抗风设计及抗风性能优化提供重要参考。     

圆柱高Re数绕流特性的大涡模拟研究

采用大涡模拟方法研究了圆柱在Re=4.1×104下的绕流场,预测了圆柱表面的脉动压力平均值和RMS值,得到了与试验报道接近的阻力系数平均值和升力脉动RMS值,以及涡脱St数,表明了大涡模拟的有效性。揭示了圆柱涡脱的空间不同步和涡脱频率随时间的变化特征,以及涡脱能量的有限频率带宽分布;分析了圆柱表面θ=90°和θ=270°点脉动压力时程的统计特性,表明脉动压力的能量均集中在圆柱的漩涡脱落频率上。提出了基于θ=90°和θ=270°点脉动压力时程的互相关系数和RMS值,合理估算圆柱截面脉动升力RMS值的公式;基于圆柱表面脉动压力时程的相干性分析,揭示了圆柱升力和阻力产生的流动机理。     

高雷诺数下错列双圆柱气动干扰的机理研究EI北大核心CSCD

为了进一步澄清小间距错列双圆柱的气动干扰机理,该文采用大涡模拟方法,在高雷诺数下(Re=1.4×105),研究了间距为2倍圆柱直径的错列双圆柱的气动性能和流场特性随风攻角的变化规律,分析了两个圆柱气动力系数相关性,探讨了下游圆柱气动力与流场结构的内在联系,对下游圆柱平均升力的流场机理提出了新的解释。研究表明,大涡模拟得到的结果与风洞试验值吻合良好;下游圆柱的气动性能、流场结构和两个圆柱气动力相关性均会随风攻角发生剧烈变化;风攻角在0°~10°时,下游圆柱受平均负阻力作用,其原因分别为两圆柱间的回流区和间隙流;风攻角在10°附近时,下游圆柱受很大平均升力作用,风压停滞点偏移、两圆柱间高速间隙流、下游圆柱间隙侧剪切层的提前分离和再附是平均升力出现的三个因素。     

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。     

大跨索承桥梁流线型钢箱梁抖振响应流固耦合数值模拟EI北大核心CSCD

大跨索承桥梁抖振性能评估是桥梁抗风安全设计的重要环节。但当前抖振分析理论在揭示抖振基本物理成因时的“描述性”强于“解释性”,且风洞试验难以重现抖振过程中的流固耦合细节。对此,以苏通大桥标准主梁节段为研究对象,在Fluent软件中开展了模型抖振响应数值模拟,并将抖振响应数值解与理论解进行对比。结果表明,对高湍流度风场而言,模型风振以湍流引起的强迫振动为主,考虑流固耦合效应的抖振响应理论解与数值解的RMS较为接近,模型上、下方涡核发展交替进行,特征湍流对模型抖振响应的影响较小。     

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。     

扁平钢箱梁风屏障防风效果的数值模拟研究EI北大核心CSCD

为研究扁平钢箱梁风屏障的防风效果,在验证数值模型准确性的基础上,针对扁平钢箱梁上分离障条直线型风屏障,研究了风屏障对桥面风场分布的影响,采用神经网络模型建立了风屏障风速折系数的代理模型,考查了风屏障高度与透风率的影响,给出了风速折减系数随风屏障高度和透风率变化的等值线曲线。结果表明:当风屏障高度增加到一定程度后,再增加高度对风屏障防风效果的提高有限;风速折减系数随风屏障透风率的增加,在迎风侧车道和背风侧车道位置处呈现不同的形态;在风屏障透风率大于20%,高度小于3.5 m的情况下,上游车道的风速折减系数大于下游。风屏障风速折减系数神经网络模型可用于预测和评估风屏障的防风效果,研究结果为风屏障参数的选择提供参考。     

凹槽结构对冲击射流流场和声场特性的影响研究EI北大核心CSCD

采用数值模拟和试验研究相结合的方法探究了开槽斜板对射流冲击噪声及壁面横向射流尾迹的影响,并分析了其降噪机理。试验方面,采用PIV技术和远场传声器弧阵列在半消声室内测量了冲击射流流场和声场特性,数值模拟则采用分离涡模拟方法(detached-eddy simulation,DES)和FW-H声学比拟法相结合的混合方法,数值结果与流场/声场试验测量结果吻合较好。研究发现:冲击斜板的存在增加了冲击射流流场上游方向的声辐射;所有压比下,斜板表面凹槽结构都能够明显抑制横向流动,但只在NPR>2.5时,开槽斜板才能较好的抑制冲击射流噪声;开槽斜板主要是降低2500 Hz附近的纯音幅值,对3500~4500 Hz内的多个纯音基本不产生影响,因为凹槽结构会耗散掉冲击射流滞止区内的旋涡对,但不会影响射流剪切层涡脱落频率(3750 Hz)及该频率附近的纯音;开槽斜板对横向流动的抑制效果高达46%,且不同槽宽、槽深的开槽斜板均能够有效控制冲击射流横向流动尾迹。     

能量等效大跨屋盖结构三分量多目标等效静力风荷载EI北大核心CSCD

针对大跨屋盖结构风效应静力等效分析中需要考虑多响应目标问题,与脉动风振响应背景分量、共振分量及其二者耦合项分量(简称三分量)相对应,提出一种大跨屋盖结构三分量多目标等效静力风荷载分层分析法。首先,基于能量等效,考虑结构所有节点响应,分别推导了三分量多目标等效静力风荷载表达式;其次,根据三分量响应能量对脉动风振总响应能量的贡献程度,定义三分量能量贡献系数,据此系数实现大跨屋盖结构三分量响应层次划分,并针对不同层次结构,制定了相应的总等效静力风荷载组合求解方法;最后,以北京奥林匹克公园网球中心赛场屋盖结构为例,对其三分量响应层次划分,根据划分结果,组合得到结构总等效静力风荷载。同时对总等效静力风荷载作用下的结构静力响应与频域分析所得目标响应进行对比,发现二者吻合较好,能够满足实际工程要求,说明所提方法有效且具有工程应用价值。     

Π型钢-混叠合梁斜拉桥涡振性能及整流罩制振措施研究EI北大核心CSCD

大跨度Π型钢-混叠合梁斜拉桥存在常遇风速下的涡激振动(vortex-induced vibration,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,包括下稳定板、导流板、裙板、整流罩等措施。试验结果表明,只有整流罩与下中央稳定板的组合气动措施能在不同风攻角和0.66%的阻尼条件下,将主梁的竖弯与扭转涡振振幅同时降低75%以上。在此基础上,通过提高整流罩竖板高度优化了该制振措施,继而开展的1∶20节段模型风洞试验的结果表明,优化后的措施能够完全消除Π型叠合梁在不同风攻角和0.5%小阻尼比下的涡激振动。最后,数值计算的结果表明,优化后的整流罩组合措施能够同时降低主梁上、下表面旋涡脱落尺寸,并显著减小主梁受到的周期性涡激力,从而达到抑制主梁涡振的效果。研究成果可为Π型钢-混叠合梁斜拉桥的涡振制振措施设计提供参考。     

梁侧导流板对π型叠合梁断面涡振性能影响及抑振机理研究EI北大核心CSCD

具有开口形式的π型断面是一种易发生涡激振动(vortex-induced vibrations,VIVs)的钝体断面。为了准确把握某主跨520 m的π型叠合梁斜拉桥的涡振性能,开展了1∶25大尺度节段模型风洞试验,比较了在边主梁侧面布置不同的导流板(即梁侧导流板)对主梁涡振性能的影响。试验结果表明,原设计断面在-3°和-5°风攻角下存在显著的竖向涡振现象。当设置宽度为1.5 m、水平倾角为35°的梁侧导流板后,主梁在不同风攻角下均未发生涡振。通过对主梁绕流场数值模拟初步探讨了主梁发生竖向涡振的原因及导流板的抑振机理。模拟结果表明,导流板能够减小主梁底部区域旋涡的尺寸,使主梁上、下表面周期性压力差和气动力显著减小,从而削弱了诱发主梁涡振的条件,起到了抑制主梁竖向涡振的作用。该研究结果可为π型叠合梁断面的涡振抑振措施设计提供参考。