大跨度斜拉桥主梁气动力特性的大涡模拟

为验证大涡模拟方法在获得桥梁主梁气动力特性上的可行性，开展了均匀流中大跨度斜拉桥扁平钢箱梁在Re=1.27×105下的绕流场三维计算流体动力学分析.大涡模拟方法采用Smagorinsky压格子湍流封闭模型，基于网格和时间步长无关检查确定的计算参数，获得了主梁气动系数统计平均值、脉动值和漩涡脱落St数随来流攻角的变化，表明三维主梁绕流漩涡脱落的频率带宽分布和展向不同步特征.基于主梁表面非定常压力时程的统计平均值和RMS值分布，分析了主梁表面的流动分离和再附特征，并建议了风洞试验测压孔的合理布置形式.与风洞实验相关结果的对比表明，大涡模拟方法是获得桥梁主梁气动力特性和绕流机理的有效方法.     

矩形管道内低雷诺数圆柱绕流尾迹演化特性

为了揭示有限管道壁面对圆柱绕流尾迹演化特性的影响,采用基于有限容积法的数值模拟方法,对矩形管道内雷诺数为100的三维圆柱绕流尾迹流场进行计算分析,探讨阻流比和长径比对圆柱表面和尾迹流场中压力分布的影响。研究结果表明:圆柱前、后驻点的压力系数受展向位置影响较大,后驻点压力系数与旋涡脱落状态有关;时均压力系数受管道端壁影响显著,沿前驻点至后驻点圆柱表面时均压力系数先减小后增大;在远离端壁一定区域内,尾迹流态为涡街;而在靠近端壁的一定区域内,尾迹呈现出近似双子涡形态;圆柱表面相同位置处的时均压力系数基本上随阻流比的增大而增大,随长径比的增大而减小。     

脉动流条件下的圆柱绕流特性研究

为探究脉动流对流体绕流结构物产生的影响,采用数值方法研究了脉动流条件下圆柱绕流场特性,对涡量分布、升阻力系数、升力系数频谱特性等进行分析。结果表明:脉动流作用会使圆柱尾涡剪切层变薄,提高脉动频率使尾涡长度变短、脱离加快,提高无量纲脉动振幅使主导涡的脱落速度降低,使旋涡生成区域更靠近圆柱表面;脉动频率与无量纲脉动振幅的增大使升力系数、阻力系数的振幅均增大,而且与升力系数相比,阻力系数的振幅更大,变化更快;升力系数频谱图存在多个主频,包括旋涡脱落频率和相位叠加频率,其中旋涡脱落频率的振幅随着脉动频率的增加而减小,随着无量纲脉动振幅的增加而增加。在流场中加入脉动流,可以增强流体振动促进流动混合。     

脉动流条件下圆柱绕流特性研究

该文数值研究了脉动流条件下圆柱绕流场特性,对涡量分布、升阻力系数、升力系数频谱特性等进行了分析。结果表明,脉动流作用会使圆柱尾涡剪切层变薄,提高脉动频率使尾涡长度变短、脱离加快,提高无量纲脉动振幅使主导涡的脱落速度降低,使旋涡生成区域更靠近圆柱表面;脉动频率与无量纲脉动振幅的增大使升、阻力系数的振幅均增大,而且与升力系数相比,阻力系数的振幅更大,变化更快;升力系数频谱图存在多个主频,包括旋涡脱落频率和相位叠加频率,其中旋涡脱落频率的振幅随着脉动频率的增加而减小,随着无量纲脉动振幅的增加而增加。     

宽高比4.3流线型箱梁的涡激振动机制

通过节段模型风洞试验分析宽高比4.3流线型箱梁断面的涡激振动性能,基于数值模拟分析静止及振动断面周围的绕流结构,探讨流线型箱梁涡激振动机制。结果表明：+5°攻角时,宽高比4.3断面涡激振动竖向无量纲最大振幅为0.013 5,是+3°攻角的2.2倍。涡激振动机制为：气流在桥面板处分离后,产生一定尺寸的上部漩涡,随着漩涡沿桥面板运动,其尺寸不断增大,并在桥面板背风侧发生分离脱落,振动断面周围的上部漩涡更加完整,且存在5个尺寸相对较大的漩涡,而下部漩涡在背风侧风嘴下斜腹板处的尺寸与数量有一定程度的增加;振动幅值增大后,主梁尾流宽度增大,脉动强度有一定程度增强。研究结果可供流线型箱梁抗风设计参考。     

圆柱型桥墩绕流的流场特性实验分析

桥墩尾流中的水流的脉动是影响桥墩局部冲刷作用的动力因素之一,而水流脉动中的漩涡结构又是其主要组成部分,本论文以模型试验为基础,运用PIV技术测量了圆柱桥墩模型绕流后方流场的水平切面,在此基础上做了尾涡摆动周期验证和时均流场分析,并利用ADV测得圆柱绕流后方流速测点的三维瞬时流速,分析了圆柱后方水流的脉动主频。     

流道弯曲对圆柱绕流尾迹流场的影响

为揭示流道弯曲对圆柱绕流尾迹流场的影响,对低雷诺数下弯曲流道内二维圆柱绕流进行数值模拟,讨论管道宽度、弯曲角度和弯曲距离对流场的影响,得到一定管道宽度下多组合弯曲角度和弯曲距离的流场特征参数及漩涡脱落特征。研究结果表明:弯管内圆柱绕流流场是弯管和圆柱之间相互作用的结果,弯曲段的存在使尾迹流场呈不对称分布;流道宽度对流场特征参数有显著影响,流道越窄,流场越复杂,圆柱前后压差越大,涡长约增长1.4倍,分离角约增大3°,圆柱后壁面会出现附壁涡;压力系数、阻力系数平均值和升力系数均方根随弯曲角度增大明显增大,在θ为90°时达到最大值;随弯曲距离增大,弯曲段对圆柱后尾迹流场的影响越来越小。     

不同风攻角下分离式双箱梁涡振气动力演化和局域相关性研究

通过弹簧悬挂节段模型同步测振测压风洞试验模拟结构涡激振动,以1座大跨度斜拉桥的分离式双箱梁为研究对象,测定均匀流场中不同风攻角下的涡振响应及表面风压。基于局部特征区域气动力与断面总体气动力的局域相关性概念,分析竖弯涡振时上游断面迎风侧下斜腹板、下游断面迎风侧斜腹板及顶板这3个关键局部特征区域的气动力演化特性及其与整体总气动力的同步演化关系。研究结果表明：当改变来流攻角时,在分离式双箱梁涡振过程中,不仅会使浸没在流场中的绕流状态、旋涡作用位置发生改变,还会使局部气动力与整体气动力的相关性发生改变。虽然断面不同区域的局部气动力与总体气动力的振动卓越频率相同,但其高阶谐波分量对应频率参与涡振作用的比例却随着风攻角变化而发生变化。另外,分离式双箱梁下游断面迎风侧斜腹板区域与整体断面的涡振特性有着较强的同步演化关系,在实际工程中需重点关注。     

苍鹰翼尾缘结构的单元仿生叶片降噪机理研究

利用逆向工程方法提取苍鹰尾缘非光滑形态的降噪特征元素,由此建立了仿生叶片结构模型;采用基于Smagorinsky亚格子应力模型的大涡模拟,结合基于Lighthill声类比的FW-H方程,分别对仿生尾缘锯齿叶片和标准叶片的流道模型进行了三维流场及声场的数值计算;通过分析仿生齿形结构对叶尾迹流场的影响,研究了仿生尾缘齿形结构的气流噪声控制机理.结果表明:仿生尾缘锯齿结构叶片的总A计权声压级比标准叶片降低了9.8dB;叶片尾缘锯齿结构可以改变流场噪声峰值的分布规律,从而降低了噪声峰值,且大部分频率范围内的气动噪声均有所降低;仿生尾缘锯齿结构可以改变各截面尾迹涡的脱落位置,从而增大了涡心之间的距离,抑制了脱落涡对尾迹流动的扰动,进而减小了叶片表面的非定常压力脉动和尾迹涡引起的气动噪声.     

管束间复杂区域流场的离散涡数值模拟

对管束间复杂区域流场的数值模拟方法进行了分析,针对管束绕流的具体困难,对现有基于Lagrange框架的离散涡方法进行了改进并提出相应的数值算法.改进后的算法只需用较少的涡元数量,使管束绕流的快速计算成为可能.将数值模拟结果与实验进行对比,发现无论是瞬时流场还是平均速度和脉动速度分布的结果,两者都非常吻合.证明提出的离散涡方法模拟管束间的单相流动是完全可行的.     

窄条控制件对流向振荡柱体尾流旋涡脱落的抑制

在流向振荡圆柱体尾流中施加一个静止的窄条控制件,对尾流涡脱落及作用于柱体的平均和脉动力进行抑制.未加控制情况下,存在非锁频和3种锁频状态的涡脱落模式.流动显示及尾流脉动速度谱和脉动升力谱的分析表明,当控制件位于有效控制区域时,可抑制非锁频和2种锁频状态下的旋涡脱落,并且使脉动升力和平均阻力有明显减少.本文研究了柱体的振频、雷诺数,窄条宽度及阻塞度对有效区的影响并探讨了控制机理.     

二维矩形截面柱体气动力系数雷诺数效应

在TJ-2风洞中,测量了5种截面宽厚比(B/D为2.0,2.5,3.0,3.5和4.0)的二维矩形截面柱体的表面风压时程,雷诺数(Re)的变化范围为1.1×105~6.8×105,然后通过风压时程积分的方法获得了模型的气动力系数时程.研究了各模型气动力系数的雷诺数效应,分析了模型的平均阻力系数随截面宽厚比的变化规律,并与以往的研究成果进行了对比,最后分析了各模型的气动力系数功率谱随雷诺数的变化规律.研究表明,宽厚比2≤B/D≤4的二维矩形截面柱体的气动特性受雷诺数的影响,且随着截面宽厚比的增大,二维矩形截面柱体模型的气动特性对雷诺数越来越敏感.尾流区的旋涡脱落对模型顺风向脉动风荷载有一定程度的贡献,但横风向升力主要来源于尾流的漩涡脱落.     

单方柱绕流的直接数值模拟研究

为了揭示柱体绕流的湍流流动机理,采用直接数值模拟方法对雷诺数为1200的单方柱绕流工况进行研究。首先通过与文献中斯特劳哈尔数、平均流速和表面压强系数等统计量进行对比,验证了数值方法的可靠性。其次采用本征正交分解方法系统地提取流场中的相干结构,结果表明：对于速度场的模态分解,第一阶模态代表平均速度场的特征,第二、三阶模态提取的是流场中的低频大尺度旋涡特征,第四、第五阶模态提取的是流场中的高频小尺度旋涡特征。最后基于联合概率密度函数分析速度梯度张量第二、第三不变量,发现方柱下游大致可分为两个流动阶段：发展阶段,流场以涡流层结构和耗散作用为主,涡流管结构逐渐生成;成熟阶段,流场中湍流结构伴随着高涡量拟能和高能量耗散率。     

单圆柱微通道内流动特性实验研究

采用Micro-PIV实验系统和压差测试系统,研究了含有单个微圆柱的通道内去离子水在10相似文献   

单圆柱微通道内流动特性实验研究

采用Micro-PIV实验系统和压差测试系统，研究了含有单个微圆柱的通道内去离子水在10相似文献   

隔水管附属管控制流动的离散涡模拟分析

采用离散涡方法对单隔水管和带附属管的隔水管的二维绕流问题分别进行了数值模拟分析.首先对4种不同附属管管数的配置情况进行了模拟,结果表明,除了管数为4、来流角度为45°的情况外,附属管能在一定程度上降低升阻力,并抑制漩涡脱落,在附属管管数较多的情况下,抑制效果更好;然后对附属管管数分别为4和10的2种布局,进行了来流方向的敏感性分析并与实验结果对比,发现多管数对来流方向的敏感性要低得多,相对于单隔水管,10根管能使时均阻力系数和脉动升力系数分别获得约26%和79%的降低.采用离散涡方法,不仅计算时间短,而且模拟结果比较可靠,具有较好的参考价值,丰富了控制隔水管绕流流动的研究手段.     

用Lattice Boltzmann方法模拟方柱绕流

用Lattice Boltzmann方法模拟了两种情况下的方柱绕流：方柱位于流场的边壁和方柱位于流场的中央。在第1情况中，分析了流场的流线、速度矢量分布以及方柱后面绕流形成的回流区长度随Reynolds数的变化曲线；在第2种情况中，除了给出稳定时流场的流线、速度矢量分布和压力分布以外，还模拟了Re＝150时方柱后面形成的周期旋涡现象。两种情况下的计算结果与其他文献中的计算数值和试验数据是一致的。     

错列双圆柱下游圆柱的升力机理

采用大涡模拟(LES)的方法,在雷诺数Re=1.4×10~5时,研究了间距P/D=4(P为圆心间距,D为圆柱直径)、风向角0°～90°的错列双圆柱的气动力特性和干扰流态,从流场角度分析了下游圆柱受到平均升力和脉动升力作用的流场机理.结果表明:随着风向角的增大,两个圆柱的干扰流态依次为旋涡撞击流态、旋涡撞击和剪切层干扰流态、剪切层干扰流态、尾流干扰流态;在旋涡撞击流态、旋涡撞击和剪切层干扰流态下,上游圆柱的旋涡与下游圆柱发生强烈的撞击,导致下游圆柱的脉动升力远大于单圆柱;在剪切层干扰流态下,下游圆柱受到显著的平均升力作用,下游圆柱风压停滞点的偏移以及上游圆柱的旋涡与下游圆柱间隙侧剪切层(或旋涡)的相互作用,是下游圆柱受到平均升力作用的两个原因.     

圆柱绕流水动力学特性的数值模拟

应用计算流体动力学软件FLUENT对低雷诺数(Re)(Re≤300)下圆柱绕流问题进行数值模拟。采用分区结构化网格及层流模型求解不可压缩Navier-Stokes方程,在未施加任何扰动的条件下获得了圆柱绕流2种特殊的绕流场,系统分析了壁面压力系数、平均阻力系数、脉动阻力、升力系数及旋涡脱落频率等水动力学特性参数随Re数变化的规律,结果与实验研究吻合较好。