基于分离涡方法的台北101大厦流固耦合风致响应分析

以台北101大楼为研究对象,应用一种新的湍流脉动流场产生方法(DSRFG)模拟了台北101大厦周围风场的湍流入口边界条件,采用分离涡方法对该建筑进行数值风洞模拟。根据大厦外形特征,建立了几何模型,用于大厦风荷载的数值模拟;基于大厦振动监测系统得到的结构模态、自振频率等数据,建立了大厦的结构模型,用于气弹响应分析。将计算结果与现场实测以及风洞测力试验的相应数据进行了对比,以验证数值风洞的有效性。对是否考虑流固耦合的大厦数值模型的等效风荷载及风致响应进行对比分析,并探讨了流固耦合效应对大厦周围风流场的影响。对该对象的研究结果表明,在顺风向上,建筑物的风致响应不易受流固耦合效应影响,而在横风向上,考虑了双向流固耦合的有限元模型,其等效静风荷载及加速度与位移响应均小于未考虑流固耦合的有限元模型。在流场上,流固耦合效应减小了建筑两侧的涡量,但会产生较大的脱落涡旋,可能会对下游建筑风环境造成不利影响。     

基于大涡模拟考虑叶片停机位置大型风力机风振响应分析

为研究停机状态下不同叶片位置对大型风力机塔架-叶片体系风振响应的影响,以某3 MW大型水平轴三叶片风力机为研究对象。基于大涡模拟(LES)方法对叶片八个不同停机位置下的风力机体系流场和气动力性能进行了数值模拟,并通过与国内外实测数据对比验证了该方法的有效性;结合有限元法对考虑叶片不同停机位置的风力机塔架-叶片耦合模型进行了动力特性和风振响应时域分析。主要结论为:不同叶片停机位置对风力机塔架绕流特性和气动力分布影响显著,塔架中上部风振响应受叶片不同停机位置的影响最大,尤其是迎风面和背风面的脉动位移均方差响应较大,相应最大值出现在工况八下塔顶350°位置;最大塔底弯矩出现在工况二的环向330°位置;工况五下三叶片叶尖顺风向位移响应峰值2.5 m;研究表明在进行大型风力机抗风设计时应考虑不同叶片停机位置的影响。     

大跨圆拱屋盖结构的风致响应分析

大跨屋盖特征值问题的求解是结构动力响应分析中最繁琐的一个环节，而且一些对结构响应贡献较大的高阶模态容易在传统的模态叠加法中被忽略。本文以典型的大跨圆拱屋盖为例，将里兹向量直接叠加法应用于屋盖系统特征值问题计算和风致响应分析，其特点是在误差逼近的基础上自动生成一组正交的里兹向量并用于缩减系统自由度数。与传统模态叠加法算得的结果相比，里兹向量直接叠加法只用很少数目的向量就可以得到较精确的结果，而且高阶模态的贡献不会被忽略。该方法不仅大幅度地减少了机时，而且提供了动力分析的误差估计。     

基于LES和DES的定日镜结构风致响应分析

定日镜作为典型的风敏感结构,设计中必须考虑其动力特性和风致响应。选用大涡模拟(large eddy simulation,LES)和分离涡模拟(detached eddy simulation,DES),结合一种新的湍流脉动流场产生方法(discretizing and synthesizing random flow generation,DSRFG)模拟风场的湍流边界条件,计算得到了0°风向角下0°、30°、60°镜面仰角下定日镜的流场分布和风荷载时程数据。建立了定日镜整体结构的有限元模型,进行了定日镜整体结构在不同镜面仰角下的风致响应分析。结果表明,通过与风洞试验结果对比,LES和DES能较好地预测出顺风向等效风荷载,但LES的结果更接近试验值;随着仰角增大,定日镜下部的共振峰值能量逐渐减小,上部的共振峰值能量逐渐增大;定日镜下部的最不利工况为仰角0°时,风振系数为3.1,中上部的最不利工况发生在仰角为60°时,风振系数分别为2.0、3.4;LES和DES能较好地模拟出流场中的紊流与涡旋,且随着仰角增大,尾流区变得狭长。结合风洞试验,为定日镜以及相似结构的数值模拟以及抗风设计提供了参考。     

基于特征线分离算法的大涡模拟

将基于特征线的分离算法与大涡模拟相结合,推导了不可压流大涡模拟有限元离散方程组,并将该方法应用于三维流场的层流及湍流非定常计算。将不同雷诺数下的三维顶盖驱动空腔流动计算结果与实验数据以及直接数据模拟结果进行对比,吻合较好,验证了方法的可靠性和准确性。     

“四肢伸展型”大跨屋盖风致响应分析

本文基于刚性模型风洞测压试验结果,对深圳机场T3航站楼这一“四肢伸展型”大跨屋盖结构采用平稳激励下随机振动模态叠加法（CQC法）进行计算,分析了结构风致响应,并讨论了等效静力风荷载的分布特性。计算结果表明,“四肢伸展型”大跨屋盖各部分之间的气动干扰效应非常强烈且相当复杂,将增大整体结构上的风荷载;抗风设计时,不仅要注意屋盖边缘悬臂处的位移,还要关注结构中部的节点位移;风致响应以静力响应为主,但动力响应中,共振响应一般大于背景响应。以上分析可为类似大跨屋盖结构的抗风设计提供一定的参考。     

基于FDS大涡模拟的工业建筑喷射火模拟分析

为探究工业建筑中储罐喷射火的影响,根据工业火灾燃烧特性,采用数值模拟的方法对开放环境的喷射火灾进行模拟。首先利用FDS大涡模拟验证喷射火经验模型。然后利用FDS大涡模拟不同风速下某企业储罐喷射火焰的发展过程以及对相邻建筑的影响。对比不同火灾场景下的模拟结果,分析喷射火焰的变化和对相邻建筑造成的热辐射、温度的变化。结果表明,FDS大涡模拟与喷射火经验模型吻合,热辐射强度相对误差随着离泄露口距离增大而减小。随着风速的增大,喷射火受到的扰动增强,喷射火对沿喷射方向建筑的影响逐渐减弱,企业要加强对极端天气的防范和建筑间的合理布局。     

基于谱元法的复杂地形风场大涡模拟

以Askervein山为研究对象,基于开源平台Nek5000,自编程序完成复杂地形下谱元法的网格建模,添加计算湍流粘性项子程序,对复杂地形风场进行大涡模拟,并与场地实测数据及其它数值结果进行对比。结果表明,谱元法的大涡模拟结果与Askervein山的场地实测结果符合较好,表明该方法在复杂地形风场的预测上有较高的精度,可用于复杂地形的风能资源评估。     

旋进射流流动的大涡模拟

分析了基于流体附壁效应而自激产生的旋进射流的流动特征,采用大涡模拟(LES)方法研究了射流喷嘴内部的流场.数值模拟得到了流场的速度分布和压力分布,比较了膨胀比、长径比等喷嘴结构参数以及雷诺数对旋进射流流动的影响.数值模拟表明旋进射流的轴向流动速度衰减得很快,流场中存在明显的旋流、附壁效应和反向回流现象,所得到的结果与已有的分析结论基本吻合.     

梁索耦合结构的风致涡激振动

新建了一个描述梁索耦合结构风致纵向平面涡激振动的非线性偏微分方程组.通过Galerkin方法将此偏微分方程组化为时域上的非线性常微分方程组.用多尺度法求解了所得的常微分方程组,得到了结构在风的涡激频率和结构固有频率接近情况下的一次近似解.分析结果显示,结构在任意模态的振动均包含两个振动频率.当风的涡激频率接近结构的固有频率时,结构振幅突然快速增大.这和Tacoma桥上观察到的涡激振动情况一致.所得到的一次近似解和分析方法可以为实际工程中梁索耦合结构的风致涡激振动提供简便的验算方法.     

基于NSRFG方法的标准地貌风场大涡模拟研究

大涡模拟中入流湍流的准确模拟,是计算风工程领域当前研究的热点;准确定义与各类地貌大气边界层湍流特征相符的入流边界条件,是进行建筑结构风效应研究的前提(也是当前研究的难题)。该文在新提出的以湍流合成法为基础的LES入流湍流生成技术—NSRFG方法上,研究了数学模型中若干参数的适当取值问题。通过数值分析对采样频率间距Δ?、引入的时间尺度因子τ₀和空间尺度因子θ、衰减系数cj及调谐因子γ_j等重要参数进行敏感性研究,分析了上述参数的取值对所生成湍流脉动风速功率谱、均方值和空间相关性等模拟结果的影响;在此基础上建议了一套与中国规范四类标准地貌风场相对应的参数表,从而建立基于该方法的"标准数值风场模型";通过实例对四类标准地貌边界层湍流风场进行数值模拟和平衡态检验。研究表明:上述关键参数的赋值对采用NSRFG方法进行大气边界层湍流风场的重构影响显著,该文基于NSRFG方法所建议的标准地貌数值风场模型,对研究者采用LES进行结构风工程的数值模拟研究具有一定的参考价值。     

基于POD的大涡模拟入流脉动合成方法研究

针对并行计算特点,发展适用于流体并行计算的大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)入流脉动直接合成方法。基于特征正交分解(Proper Orthogonal Decomposition, POD)型谱表示法合成入流面主要网格点脉动风速时程,采用有限元形函数空间插值获得入流面所有网格点风速时程,采用UDF(User Defined Functions)编程实现Fluent软件平台流体并行计算时合成的脉动风速时程读入及赋值。进行B类1:500缩尺比风场内宽高比1：6的单体方形截面高层建筑非定常绕流LES计算,将数值模拟所得风剖面、风速谱及结构风压系数统计值、自谱、相干性等,与刚性模型测压风洞试验及文献数值模拟结果比较。研究表明,该合成方法可较好模拟紊流风场,预测结构风荷载具有一定精度。     

基于大涡模拟的水下射流噪声计算方法分析

在前期对低马赫数下气动噪声计算方法的研究基础上,建立大涡模拟(LES)和Lighthil声类比水动力噪声混合计算方法,并通过参考文献中的水下射流声学实验结果对该方法进行验证。首先,参考试验模型尺寸建立三维模型,分别划分流场计算和声学计算所需结构网格,通过试算确定外流域大小和网格划分方式;接着,采用LES对射流流场进行计算,通过压差、压力脉动、速度不均匀度等指标对湍流流场特性和计算稳定性进行分析;随后,将流场计算结果作为声源项插值到声学网格,基于Lighthill声类比理论,对水下射流噪声进行计算;最后,对比水下射流声学试验数据与流噪声计算结果,验证和分析该混合计算方法计算水下射流噪声的可行性和正确性。结果表明,所建立的LES和Lighthill混合计算方法能较好地模拟水下射流噪声,可用于水动力噪声的研究。     

湍流大涡模拟中的粒子扩散

对湍流场中粒子运动的研究不仅有助于了解湍流的输运过程,而且在工业领域有广泛的应用前景.本文比较了直接数值模拟(DNS)与大涡模拟方法(LES)得到的湍流场中粒子运动的各种拉格朗日统计量,讨论了LES缺失的小尺度速度场的影响,最后使用随机微分方程模型(SDE)改善了粒子统计量的计算.     

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。     

悬索桥双吊索尾流致涡激振动的大涡模拟

双吊索在大跨度悬索桥上应用广泛,在强/台风作用下,下游吊索常发生尾流激振。采用大涡模拟法,对雷诺数为1×10~4～4×10~4的串列双圆柱尾流致涡激振动进行数值模拟,研究了振动特性和流场流态随折减风速的变化规律,探讨了下游圆柱的动力响应、绕流场特性以及气动力三者之间的耦合关系,分析了尾流致涡激振动的流场干扰机理。结果表明:大涡模拟结果与风洞试验结果吻合良好,在某些折减风速范围内,下游圆柱会发生较大幅度的尾流致涡激共振;在下游圆柱的横风向振幅逐渐增大过程中,位移的瞬时相位领先于升力,在一个振动周期内升力对下游圆柱做正功,而位移与升力之间的相位差则逐渐增大;当发生涡激共振时,上游圆柱的尾流对下游圆柱有两种干扰形式:当下游圆柱偏离平衡位置时,从上游圆柱脱落的旋涡与下游圆柱的剪切层发生相互作用;而当下游圆柱在平衡位置附近时,上游圆柱的旋涡会撞击到下游圆柱迎风面。     

基于大涡模拟和声比拟的喷射流噪声时域预测方法

结合大涡模拟(LES)湍流模型和声比拟(AA)方法,对排气喷射流噪声进行了全尺寸三维仿真研究,该方法兼顾了计算量与求解精度的需求,弥补了二维仿真模型在非均匀流场描述能力上的不足,并通过试验验证了仿真结果的正确性。排气喷射流噪声以低频噪声为主,其声场具有较为明显的空间指向性,形态与喷射流场相吻合,越靠近势核和湍流混合区域,噪声越强。排气尾管的管口形式对流噪声具有明显的影响,相同流速下,由于扩张管式尾管的尾流沿径向扩散,使得其管口附近的流噪声要高于普通直管3~5dB。     

基于大涡模拟的CAARC模型角区开槽气动优化研究

超高层建筑属风敏感结构,对建筑外形进行适当气动优化可有效降低结构风荷载及风致响应。基于大涡模拟(LES)方法,采用一种新的入口湍流生成方法——NSRFG(narrow-band synthesis random flow generation)方法,进行超高层建筑标准模型(CAARC)角区开槽的气动优化研究。首先进行了CAARC高层建筑标准模型绕流模拟,并将模拟结果与风洞试验结果对比,以验证NSRFG方法的适用性;然后以CAARC模型为基础,设计了4种开槽气动优化方案,通过LES模拟得到基底弯矩功率谱,以估算建筑顶部位移响应和顶部峰值加速度响应。结果对比显示：对于矩形截面高层建筑标模,无论原型还是4种开槽气动优化方案,横风向脉动响应和峰值加速度响应整体比顺风向大;与全封闭原型相比,采取不同开槽方案均能降低顺风向和横风向风振响应,其中角区开槽对顺风向响应的优化效果最好,周向开槽对横风向响应的优化效果最好;4种开槽方案对于横风向响应的优化效果明显优于顺风向,其中相对而言周向开槽优化效果相对最好,使横风向脉动位移响应和横风向峰值加速度响应分别降低28.4%、32.8%。因此,从减小矩形截面超...     

悬浮隧道锚索的涡激动力响应分析

参考斜拉桥拉索的振动微分方程,利用动力学方程和莫里森方程,建立了锚索涡激振动方程,计算并讨论了锚索倾角、张力和长度的改变对其横向振动的影响。计算结果表明:锚索拉力和倾角的减小将引起振动幅值的增加和一阶固有频率、引起涡激流速锁定的流速、最大响应时的参数激励频率的减小;锚索垂直深度的减小将引起振动幅值的减小和一阶固有频率、引起涡激流速锁定的流速、最大响应时的参数激励频率的增加。     

大涡模拟在旋流沉砂池中的应用研究

旋流沉砂池内高浓度砂石废水的大涡模拟研究,不仅可以揭示旋流沉砂池内复杂流态的瞬时演变,而且能够实现水电工程砂石系统生产废水的达标处理,具有重要的理论与环保意义。该文采用分子动理学方法,从颗粒间相互作用的微观特性角度出发,得到了合理描述高浓度下颗粒间碰撞项的耦合VOF(Volume of Fluid)法的LES-Lagrangian高浓度气-液-固多相流大涡数学模型,亚格子应力采用Smagorinsky亚格子模型封闭,并运用滑移网格技术实现旋流沉砂池内桨叶转动区域的模拟。对西南某水电工程砂石废水处理小试试验的二级旋流沉砂池内湍流场瞬时变化进行了精细模拟;实现了对旋流沉砂池的自由液面以及砂石颗粒运动轨迹的追踪;并讨论了搅拌桨转速对旋流沉砂池内水相、颗粒相的影响,得出旋流沉砂池的最佳桨叶转速为30r/min。同时,将大涡模拟与雷诺时均紊流模型进行了比较,表明大涡模拟可以揭示更为精细的湍流涡结构演变。