桥梁气动力CFD模拟中湍流模型的应用现状

近年来,计算流体动力学(CFD)在桥梁风工程中得到了越来越多的尝试与应用。CFD的应用不仅仅是顺应了计算机硬件浮点运算速度的快速发展,而且在处理复杂问题、时间及经济成本方面与风洞试验相比具有巨大的优越性。但是,这一优越性是建立在CFD求解结果具有实用精度的假设前提下的。该文综述了桥梁气动力CFD数值模拟中湍流问题的起源、各类湍流模型的本质特征及其适用范围与局限性。在此基础上,广泛调研了CFD在国内外桥梁气动力数值模拟中的应用,分别按静气动力与气弹两大类问题统计分析了目前CFD模拟与风洞试验结果之间的差距。结果表明,对于静气动力问题,CFD模拟的误差普遍在10%~40%之间;对于气弹问题,CFD模拟的误差普遍介于20%~300%。这一现实表明,以目前的水平,CFD尚无法独立于风洞试验而对桥梁气弹问题给出可靠的评估。要充分发挥计算流体动力学的优势,则必须结合湍流理论,加强各种湍流模型在各类桥梁气动问题中的应用基础研究。     

飞行员人体参数与人椅组合重心的回归分析研究

为确定火箭弹射座椅动力稳定调节方法设计所应依据的人体参数,对292例飞行员的人体参数及人椅系统组合重心数据进行了回归分析研究,综合确定了以体重和身高作为调节依据参数,并求出了该参数与人椅系统组合重心的回归方程。研究结果已用于火箭弹射座椅动力稳定调节方法的设计研究中。     

指数脉冲强迫激励CFD模型运动的气动参数识别法

计算流体动力学（CFD）模拟是获得桥梁断面颤振导数的主要方法之一。提出了一种基于CFD计算气动力，建立气动模型并经模型仿真快速识别颤振导数的新方法。该方法采用具有连续频谱分布且位移光滑的指数脉冲序列为CFD模型运动的输入，通过数值模拟得到作用在模型上的气动力。利用已知的输入和气动力建立起反映系统气动力特征的离散时间气动模型。然后利用该模型仿真系统在简谐位移输入的气动力响应，再基于该输入和模型仿真输出识别颤振导数。该方法在竖弯和扭转方向各自仅需一次CFD模拟，无需重复进行CFD计算，能显著减小CFD计算颤振导数的工作量。进行了薄平板颤振导数的识别，研究结果与Theodorsen平板理论解、薄平板风洞试验值的一致性，证明了研究方法的可靠性和有效性。     

基于CFD和风洞试验的钢桁梁悬索桥颤振稳定性分析#br#

为探究复杂山区超大跨钢桁梁悬索桥颤振稳定性，分别通过CFD数值模拟计算和风洞试验测试其颤振临界风速。首先基于山区某悬索桥场地特征计算其风参数，并结合ANSYS计算其关键振型及频率。其次基于CFD数值模拟，采用气动导数和流固耦合两种计算模式探究悬索桥主梁原始断面和气动优化后的颤振临界风速。最后对悬索桥主梁断面进行风洞试验，并将计算结果与CFD计算结果做对比分析。研究表明：桥位基本风速U10＝28.0 m/s，设计基准风速Ud＝37.20 m/s；CFD计算时，风攻角为0°、+3°与+5°时，原始断面颤振临界风速小于颤振检验风速，气动优化(设置上中央稳定板)后的断面颤振临界风速明显高于颤振检验风速；风洞试验结果表明主梁原断面在+3°风攻角颤振临界风速小于颤振检验风速；气动优化后，各风攻角下主桥结构颤振临界风速均大于该桥颤振检验风速，颤振稳定性满足规范要求。     

基于CFD和风洞试验的钢桁梁悬索桥颤振稳定性分析#br#

为探究复杂山区超大跨钢桁梁悬索桥颤振稳定性，分别通过CFD数值模拟计算和风洞试验测试其颤振临界风速。首先基于山区某悬索桥场地特征计算其风参数，并结合ANSYS计算其关键振型及频率。其次基于CFD数值模拟，采用气动导数和流固耦合两种计算模式探究悬索桥主梁原始断面和气动优化后的颤振临界风速。最后对悬索桥主梁断面进行风洞试验，并将计算结果与CFD计算结果做对比分析。研究表明：桥位基本风速U10＝28.0 m/s，设计基准风速Ud＝37.20 m/s；CFD计算时，风攻角为0°、+3°与+5°时，原始断面颤振临界风速小于颤振检验风速，气动优化(设置上中央稳定板)后的断面颤振临界风速明显高于颤振检验风速；风洞试验结果表明主梁原断面在+3°风攻角颤振临界风速小于颤振检验风速；气动优化后，各风攻角下主桥结构颤振临界风速均大于该桥颤振检验风速，颤振稳定性满足规范要求。     

大跨度公铁两用双层钢桁桥涡激振动控制研究

桥梁的涡激振动主要受到主梁断面的气动外形、结构动力特性与来流特性的影响,而大跨桥梁是典型的风致敏感结构,所以在大跨度桥梁的设计中应当引起重视。以某大跨度公铁两用双层板桁组合桁架桥为背景,在XNJD-1回流串联风洞中进行了风洞试验,研究了该主梁的涡激振动现象。通过计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)数值模拟分析了其主梁断面的涡激振动机理,并且将展向周期摄动法应用于钢桁梁的涡激振动控制,采取了一系列气动控制措施来抑制主梁的涡激振动,其中L型分流板与波浪形风嘴完全抑制了主梁的涡激振动。还通过风洞试验研究了波浪形风嘴的几何参数对抑振效果的影响,试验结果表明,波浪形风嘴的抑振效果对幅值变化比较敏感,增大幅值可以有效抑制主梁的涡激振动。     

基于双向流固耦合的机载导弹分离动力学研究

导弹与载机之间的安全与稳定分离过程对导弹飞行稳定性和载机安全具有非常重要作用。为了研究大长径比机载导弹弹射分离过程中与载机之间的相互干扰以及导弹在分离过程中相对于载机的运动轨迹,该文分别使用刚体六自由度（6DOF）方法和计算流体力学/计算结构动力学（CFD/CSD）双向流固耦合方法对典型空空导弹发射分离过程进行了数值模拟,刚体6DOF方法基于对流体力学控制方程与外弹道6DOF运动方程的耦合求解,而CFD/CSD双向流固耦合方法基于对流体力学控制方程与结构运动方程的耦合求解。两种方法得到了导弹分离时的整个气动流场及其变化特性,揭示了不同时刻导弹气动系数随时间的变化曲线和导弹弹道参数,比较与分析了两种计算结果的异同,并对导弹结构弹性变形对其分离运动的影响进行了讨论。     

基于气动新模型的大跨度桥梁频域抖振分析

提出采用准定常气动刚度与基于试验的非定常气动阻尼进行气动修正的大跨度桥梁抖振计算新模型。桥梁节段模型风洞试验表明,气动新模型能相对更准确地描述桥梁结构的气动刚度与气动阻尼特性。以东海大桥的风致抖振响应为例,对气动新模型与传统Scanlan颤抖振模型的分析结果进行了对比研究。计算结果与风洞试验表明,气动新模型具有良好的计算精度与明确的物理意义。     

桥梁断面颤振导数的CFD全带宽识别法

由于需要在不同折算风速下重复进行大量试验或CFD(Computational Fluid Dynamics)模拟,现有风洞试验和CFD方法识别桥梁断面颤振导数耗时且效率低。提出一种基于CFD离散时间气动模型,快速识别感兴趣折算风速带宽内任意折算风速下桥梁断面颤振导数的全带宽识别法。该法基于任意拉格朗-欧拉描述的有限体积法和多层网格技术,首先计算作用在桥梁断面上的非定常气动力,CFD模拟时强迫桥梁断面以单自由度竖弯或扭转方式振动,位移模式为定义在感兴趣的频率范围内的指数脉冲时间序列。然后利用得到的气动力和该指数脉冲输入,通过系统识别建立起反映桥梁断面气动力系统特性的离散时间气动模型。随后利用该气动模型仿真桥梁断面在简谐位移激励下的气动力响应,并由该模型的输入和响应通过系统识别得到桥梁断面的颤振导数。该法在竖弯和扭转方向各仅需一次CFD模拟,就可构造离散时间气动模型,使得颤振导数识别的计算量显著降低。开展了三汊矶大桥加劲梁断面颤振导数识别和颤振临界风速计算,研究结果与风洞试验的一致性,证明了方法的可靠性和高效性。     

基于3211多阶跃激励CFD模型的颤振导数识别研究

提出一种通过计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)建立离散时间气动模型并识别颤振导数的方法,该方法通过强迫模型按一种3211多阶跃方式运动,由CFD数值模拟得到作用在模型上的气动力.由于3211多阶跃包含了丰富的频率成份,能激励起气动力系统在这一连续频域范围内的广泛响应,因而可基于3211输入-气动力输出得到定义在某一频率范围的离散时间气动模型.该气动模型能对对应不同折算风速的简谐位移输入快速仿真得到气动力输出,通过这些输入-输出就可快速识别任意折算下的颤振导数,无需对不同折算风速重复进行CFD计算.应用本文方法识别了薄平板的颤振导数,并与薄平板风洞试验结果进行了比较,颤振导数的一致性证明了本文方法的有效性.     

新型无接触热阻空调换热器性能研究

将不同形状的波纹翅片与无接触热阻技术结合研制了波纹型无接触热阻换热器,并利用CFD仿真软件进行对比分析尖角波纹翅片和圆角波纹翅片空气侧换热性能及阻力特性,寻找较好的翅片形状。按照仿真结果生产无接触热阻尖角波纹翅片空调换热器实验样件,进行实验测试,实验结果表明:翅片表面换热系数仿真结果与实验结果较为一致,整体误差在10%以内,仿真结果能基本反映翅片表面的实际换热情况。引入强化传热指标,通过仿真结果计算可知,在不同风速下强化传热指标DEC均大于1,说明尖角波纹翅片的传热效果优于圆角波纹翅片。     

高速飞机总静压探头的气动设计、仿真和测试

阐述了高速飞机总静压探头的气动设计、CFD仿真、风洞测试、飞行校测。通过旋成体理论实现总静压探头补偿型面在设计阶段的快速调整,通过商用CFD软件得出静压误差的仿真。设计的总静压探头气动性能需要通过风洞测试的验证,并最终通过飞行校测验证其是否满足使用要求。     

拱形屋盖结构不平衡雪荷载的模拟研究

该文利用基于有限面元(Finite Area Element,FAE)方法对拱形屋面的不均匀积雪荷载进行了研究。首先设计制作了缩尺比为1∶100、矢跨比为0.125的拱形屋面风洞试验模型,通过风洞试验测得屋面平均风速大小,结合CFD数值模拟确定平均风速方向,再基于FAE方法利用风速-雪通量经验公式计算得到屋面的积雪分布系数;并分析了不同风速和不同风向角对屋面积雪分布系数及不平衡雪荷载的影响。其次,对基于FAE方法计算得到的积雪分布系数、基于两相流的CFD数值模拟结果以及我国现行《建筑结构荷载规范》GB 50009-2012的结果进行了比较。最后,总结了屋面雪荷载分布规律,给出了针对这类大跨结构雪荷载设计的一些建议。     

桥面典型车辆气动特性及车辆间挡风效应的数值模拟研究

强风不仅是大跨度桥梁设计的控制性因素,同时也会影响到桥上车辆运行的安全,车辆气动特性是研究车辆行驶安全性的前提。基于计算流体动力学（CFD）仿真平台,模拟计算了汽车工业研究协会（MIRA）小车和重型卡车典型车辆在横风作用下的气动特性,分析研究了典型车辆分别位于桥面上不同车道位置时车辆气动力系数随风偏角的变化情况;进一步模拟计算了重型卡车与小车之间的挡风效应,研究了车辆间相对位置对车辆挡风效应的影响。计算结果表明:不同车型以及不同的桥梁车道位置对车辆气动力均有不同程度的影响;重型卡车对MIRA小车有明显的挡风效应,MIRA小车气动力随着车辆间相对位置变化显著,重型卡车气动力也有一定改变。     

某摩天大楼室外平台行人风环境数值研究

由于风洞阻塞率的限制和室外平台上测点的布置要求,某千米级摩天大楼的风环境试验只能采用节段模型,因此如何将试验数据用于实际大楼室外平台的行人风环境评估是一个需要解决的关键问题。为解决这一问题,该文在对CFD数值模拟方法的可行性进行验证的基础上,采用该方法研究了摩天大楼整体模型与节段模型的行人风环境特性,比较了不同挡风板措施的影响;利用统计学中的四分位法确定了整体模型的最不利风环境平台为平台4;最后,将整体模型平台4与节段模型平台2的CFD结果进行比较,确定了由节段模型向整体模型转换的风速调整系数,从而建立了由节段模型风环境试验数据向实际大楼行人高度风速转换的纽带,为后续的行人“风舒适性”与“风安全性”评估奠定基础。     

不同参数影响下球面网壳表面风压系数分布规律研究

大跨度球面网壳在其风工程分析中包含了风的分离、再附着等最复杂部分,曲面表面风压系数的分布变得异常复杂。针对风压系数分布问题利用FLUENT 和计算流体力学(CFD)技术,在选用SST k-w 湍流物理模型的基础上,改变球面网壳矢跨比、球面网壳高度、风速、风向攻角及球面网壳半径等不同参数,计算分析了球面网壳表面风压系数的变化规律。为快速准确的得出网壳表面风压系数,提出了风压系数分布的二维几何平面拟合方法并得出拟合公式。最后将公式应用到已有的风洞实验结果,得到其风压分布趋势和实验结果基本相符。     

Diesel oil pool fire characteristic under natural ventilation conditions in tunnels with roof openings

In order to research the fire characteristic under natural ventilation conditions in tunnels with roof openings, full-scale experiment of tunnel fire is designed and conducted. All the experimental data presented in this paper can be further applied for validation of numerical simulation models and reduced-scale experimental results. The physical model of tunnel with roof openings and the mathematical model of tunnel fire are presented in this paper. The tunnel fire under the same conditions as experiment is simulated using CFD software. From the results, it can be seen that most smoke is discharged directly off the tunnel through roof openings, so roof openings are favorable for exhausting smoke. But along with the decrease of smoke temperatures, some smoke may backflow and mix with the smoke-free layer below, which leads to fall in visibility and is unfavorable for personnel evacuation. So it is necessary to research more efficient ways for improving the smoke removal efficiency, such as early fire detection systems, adequate warning signs and setting tunnel cap.     

桥梁断面颤振稳定性的直接计算法

利用通用CFD软件进行桥梁断面颤振稳定性的直接数值计算对于初步设计阶段估计桥梁断面的颤振临界风速具有重要意义。本文基于CFD软件Fluent,发展了桥梁断面颤振稳定性的直接计算方法。利用直接计算方法对典型矩形断面和典型流线形断面的颤振稳定性进行了数值计算,并将计算结果与风洞试验结果进行了对比。对比结果表明了本文计算方法的正确性。     

径向基神经网络用于钢-混Π型梁原始断面涡振性能的预测

钢-混Π型梁主梁断面在大跨斜拉桥的主梁设计中被广泛采用,此类断面易出现涡激振动现象,引起桥梁结构安全问题且降低行车舒适性.首先利用既有风洞试验结果校核涡激振动响应的CFD计算模型,并利用校核后的CFD方法得到学习样本数据库.利用学习样本对径向基(RBF)神经网络进行训练,并优化神经网络的设置参数,以此建立钢-混Π型裸梁...     

飞机T型尾翼跨音速颤振特性研究

由于飞机T型尾翼的结构与气动布局特点,T型尾翼颤振计算不能套用常规尾翼的分析方法,而需要考虑平尾面内运动以及静升力等因素的影响。而跨音速空气压缩性效应和非定常气动力计算的不准确性,使得T型尾翼跨音速颤振计算更加困难,准确性较低。因此,需要采用试验为主计算为辅的方法来研究飞机T型尾翼跨音速颤振特性。针对某T型尾翼结构,用ZAERO软件等价片条势流跨音速颤振(ZTAIC)方法计算T型尾翼跨音速颤振特性,研究了马赫数、风洞气流密度和平尾迎角对T型尾翼颤振特性的影响。通过升力系数斜率空气压缩性修正计算方法和跨音速颤振模型风洞试验方法得到了飞机T型尾翼的跨音速颤振的凹坑曲线和空气压缩性特性,两种方法得到结果一致。