旋转作用下水平轴风力机气动性能分析

为研究水平轴风力机在大气边界层近地面非定常来流作用下气动耦合特性,建立基于剪切应力传输(SST)湍流模型的计算流体力学(CFD)模型和静力结构模型。为模拟风轮在近地面的气动状态,通过单向流固耦合方法对流场均匀入流风速和旋转效应作用下不同工况进行数值耦合计算,求解风力机流场中的速度场、压力场、结构响应状态以及输出功率,分析对比流场不同方向风力机周围速度变化、表面压力分布、结构应力应变规律、整体变形情况和功率变化。结果表明：在均匀来流和旋转共同作用下,流速和压力主要沿风轮径向变化,沿叶片展向至叶尖速度逐渐增大;整机结构附近有明显的气流扰动变化;停机工况和旋转工况(考虑旋转效应)塔影效应干扰下叶片变形在上下风区波动较大;入流风速大小对风力机输出功率有显著影响。     

基于拉格朗日体系的典型桥梁断面风-雨耦合作用数值模拟

对典型桥梁断面风-雨耦合作用下的静三分力进行了CFD(Computational Fluid Dynamics)数值模拟研究.对计算流体动力学软件进行二次开发,采用DPM(Discrete Phase Model)模型结合UDF(User Defined Function)函数施加源项的方法来研究风-雨耦合作用对桥梁断面静三分力系数的影响.将空气作为连续相通过欧拉法求解,采用基于拉格朗日体系的离散相模型对雨滴运动轨迹进行求解,引入离散随机游走模型来考虑旋涡对雨滴运动的影响,并通过冲量定理得到风-雨耦合下的雨滴对主梁断面的冲击载荷.通过与文献结果比较来验证方法的正确性,然后研究了风-雨耦合作用对典型桥梁断面三分力系数的影响,以及三维风-雨耦合作用对典型桥梁断面的作用机理,为研究桥梁风-雨耦合荷载提供了基础理论方法.     

风力机塔架-叶片耦合模型风致响应时域分析

基于风力机塔架-叶片耦合模型,采用改进的叶素-动量理论模拟了考虑平稳风修正、叶片旋转效应和空间相干性的风力机气动载荷,并基于有限元方法对该耦合模型进行了动力特性分析和风致响应时域计算.基于目标响应时程探讨了风力机塔架-叶片耦合系统在随机风荷载作用下的动力响应特性,并与不考虑叶片影响的风力机塔架风致响应进行对比分析.研究表明,在进行风力机的抗风设计时,应该考虑塔架-叶片的耦合作用.     

风雨共同作用下斜拉桥纵桥向反应特性研究

目的研究强/台风雨对斜拉桥结构纵桥向反应特性的影响.方法应用谐波叠加法模拟风荷载时程曲线,以此为基础,提出斜拉桥雨荷载计算方法.利用Midas Civil建立斜拉桥空间有限元模型,对其自振特性进行分析,采用单独风荷载作用及风雨共同作用对全桥纵桥向进行动力响应分析.结果主梁沿顺风向发生"漂浮";考虑雨荷载影响后,主梁竖向位移、竖向加速度、索塔塔顶加速度和梁端加速度的最大增大量分别约为11%、10%、10%和13%.并且随着风级的增加,雨荷载的影响程度呈减小的趋势.结论考虑雨荷载影响后,主梁竖向位移和加速度、主梁梁端水平加速度和索塔塔顶加速度均有不同程度的增加.在桥梁设计时,应该考虑雨荷载对桥梁结构的不利影响.     

风-雨共同作用特大型冷却塔表面风荷载与作用机理

强风暴雨极端气候条件下,暴雨会直接影响塔筒表面气动力并改变脉动风的湍流特性,而传统研究大多仅关注风单向驱动雨对于结构表面的冲击力.为解决该问题,针对中国已建成的高为210.0 m的超大型冷却塔,首先基于计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)手段采用连续相和离散相模型分别展开风、雨场的模拟计算.在此基础上,揭示风雨场雨滴运行速度和轨迹的作用机理,并针对9种不同风速和降雨强度组合的塔筒内、外表面风雨荷载,雨压以及等效压力系数等展开定性和定量的对比分析.提出的超大型冷却塔风雨等效内、外压系数可以很好地预测此类极端条件下的表面荷载取值.     

基于流固耦合的风力发电机结构特性分析

风力机结构尺寸的增大会导致气动载荷效应的作用更加明显,因此,采用流固耦合分析技术来研究气动载荷效应对风力发电机结构的影响。采用ANSYS Workbench软件搭建了流固耦合分析系统,经过流固耦合分析得到了不同风速下风力机周围气流分布规律、风力机表面压力分布规律、风力机变形和应力分布规律、风速与风力机叶片应力和变形之间的波动规律;仿真分析了考虑流固耦合与不考虑流固耦合两种情况下风力机的模态振型,为风力发电机的结构设计提供一定的理论参考。     

多荷载作用下上海长江大桥列车走行性

为研究上海长江大桥在风、汽车荷载、温度、道路不平顺多因素影响下的列车走行性,将其视作温度变形、公路与轨道不平顺作用下的风-车-桥耦合动力系统。建立桥梁、列车车辆、不同类型汽车的有限元模型,采用模态叠加法进行车-桥动力计算。计算中运用随机交通流模型模拟公路交通流,采用文献中针对该桥风洞试验测定的主梁及车辆的气动参数,并将年温差引起的桥梁变形叠加到轨道和路面随机不平顺中。采用自编车-桥耦合计算软件VBC进行风-车-桥耦合动力分析。分别考虑了有无风荷载作用下温度荷载、汽车车流类型和列车运行方式的影响,并对多荷载作用组合下的极限状况进行讨论,分别考虑了列车空员、定员和满员3种不同载重的影响。最后,根据不同车速和风速组合下的计算结果,确定轮对横向力为列车走行性的控制指标,并提出了列车安全、舒适运行的管理原则。研究结果表明:年温差和汽车车流对列车动力响应的影响并不明显,列车响应随车速、风速的增大而增大;列车相对于风向的运行方式对列车走行性也有很大影响;在较高风速下,单线列车迎风侧行驶为列车的最不利运行方式;当风速小于20 m/s时,最高运营车速可达到90 km/h;当风速大于20 m/s且不超过25 m/s时,运营车速应小于70 km/h;当风速超过25 m/s时,应当封闭轨道交通。     

柔性支承风力机齿轮箱轴承受力变形游隙分析

风力发电机运行环境恶劣,受到风的随机性和不稳定性的影响,塔架-机舱-叶轮存在着强烈的耦合作用,使得齿轮传动系统中的齿轮啮合面承受着不稳定的变载荷和极端载荷,进而使滚动轴承的受力也变得复杂。论文以新安装的大型风力机齿轮箱轴-滚动轴承系统为例,研究基于柔性支承下风力发电机齿轮箱轴承由于受力变形造成的工作游隙与轴承复杂受力的关系,对我国国内1.5 MW主流风力机行星齿轮系统实例分析,采用了包括经验计算值在内的四组阻尼值,得到了100 s时序随机风载下的齿轮箱低速轴轴承的不同工作游隙值。结果表明:轴承阻尼数值的不同,对于在复杂工况下的轴承受力有较大影响,同时也间接影响了轴承工作游隙的大小。在随机风载下,工作游隙偶尔有较大波动,但基本处于一个稳定的状态。为以后研究风力机轴承的磨损和振动监测提供了一定的理论计算方法和数据。     

考虑风浪流作用下的深水桥墩动力响应分析

考虑到跨江跨海大桥桥墩经常受到的是风浪流的共同耦合作用,在进行江海的深水桥墩结构设计时,除了波浪荷载作用之外,还需考虑风浪流环境荷载的影响是必不可少的。基于此,本文在流固耦合研究成果和流体理论基础上,考虑附加质量和流固耦合效应的同时,运用ANSYS有限元软件的流固耦合模块计算深水桥墩在流速及风荷载影响下的响应,并利用数值编程工具MATLB对不同工况下的桥墩响应结果进行分析比较。结果表明:当激励荷载为风浪流时,输入风、浪及流的频谱特性以及风、流的速度都将对深水桥墩结构的动力响应产生不同程度的影响。因此在深水桥墩结构设计时,应该针对待建桥梁所处的地理水文条件,合理的选择环境荷载进行设计计算,以提高结构的安全度。     

基于流固耦合的风力机预应力模态分析

以某1.5 MW水平轴风力机风轮为研究对象,考虑风轮旋转气动力和结构的流固耦合效应,运用ANSYS Workbench有限元分析软件,计算出不同风速时风轮旋转气动力与结构流固耦合作用下的压力.将压力作为输入载荷对风轮结构进行静力学分析,进而转换为预应力条件下的模态分析.结果表明:风力机运行时,叶尖处的变形最大,叶片上距离叶根3/4段处和叶根部有明显的应力集中;最大应力在额定风速以前随着风速的增大而增大,额定风速以后变化较小;叶片最大变形量随着风速的增大而增大;旋转效应使得风轮各阶模态所对应的频率增大.     

大型风力机塔架地震动态响应分析与减振控制研究

本文应用ABAQUS有限元软件建立高度为73 m的风力机简化实体有限元模型,研究风力机塔架结构在不同地震荷载作用下的振动响应,并应用调谐质量阻尼减振技术对其振动进行控制.分析结果表明:风力机塔架结构在地震荷载作用下的动态响应具有随机性,塔架顶部最大动态响应多是发生在地震荷载作用的前期与中期,调谐质量阻尼减振技术应用于风力机塔架对地震荷载作用的振动有较好的控制效果.     

风浪荷载共同作用下的海洋桩基动力响应

为了研究海洋环境中风浪荷载共同作用下单桩基础的动力响应问题,建立了风浪-海床-单桩的三维单向耦合数值模型.分别采用雷诺平均N-S方程和Biot动力方程控制波浪运动和海床响应,在验证模型合理性的基础上,探究了风浪参数(如风速、风剪切系数、波高)对风浪荷载共同作用下流体与桩基响应的影响规律.结果表明:风速、风剪切系数和波高的增长会加剧桩周流体变形,加快波浪传播,进而影响桩身的水平位移与弯矩.因此,在计算海上桩基承载力时,应综合考虑风浪荷载共同作用对桩基基础的影响.研究成果将为恶劣海洋环境下桩基承载性能研究提供重要的理论依据.     

风荷载作用下特高压变压器套管接线柱结构受力仿真与试验

为分析风荷载作用下引下线对特高压变压器套管顶部接线柱的作用效应,通过仿真分析与等效风荷载试验测试方法研究了端子板类型、引下线布置方式、跨点间距变化等影响因素对变压器套管接线柱应力作用。结果表明：在风速作用下套管接线柱是结构体系的受力薄弱部分,无法满足25.98m/s风速作用的结构安全要求;仿真分析模型与试验测试结果误差在-9.06%~7.97%;采用一字型端子板、单引下线结构形式可降低34.60%套管接线柱受力。可见进行引下线结构体系优化,可确保变压器套管在户外环境下的安全运行。     

基于多物理场耦合的混凝土湿热变形数值模拟

为研究混凝土湿热耦合变形,基于混凝土微观组成结构特点,根据多物理场耦合作用和多孔介质湿热传输原理,建立了混凝土湿-热-力多物理场模型.并利用COMSOL数值仿真软件和提出的混凝土湿膨胀系数,在人机交互环境下,实现湿-热-力耦合数值求解.首先以Hundt试验为算例,验证了耦合模型和求解方法的可行性,然后利用该方法对某隧道混凝土湿热耦合变形进行了模拟计算.将多物理场耦合数值模拟结果与解析-有限元结合解法计算结果和现场光纤光栅监测结果对比表明,基于多物理场耦合的混凝土湿热耦合变形数值模拟更接近监测结果,更能反映实际物理过程且具备更好的通用性.     

薄膜结构与风的流固耦合作用

作用在薄膜结构上的风荷载,除与气流本身的特性有关外,还与结构在风荷载作用下的位移、速度、加速度等有关.薄膜结构与风环境之间存在着较强的流固耦合作用,并且这种耦合作用往往对薄膜结构的振动起控制作用.将两者的耦合作用分为静力耦合作用和动力耦合作用,并主要针对静力耦合作用所涉及的几个因素运用解析公式的说明方法进行了初步分析总结,为进一步的风致动力响应研究和风洞试验研究奠定了理论基础.     

双荷载共同作用下土体变形影响机理及计算方法

在明确给出化学荷载定义及其表征变量的基础上,考虑力学荷载的共同作用,将土体的变形分为由力学荷载引起的力学固结变形以及由化学荷载引起的化学-渗透固结变形.提出了化学和力学双荷载共同作用下考虑化-力耦合的土体变形计算方法,并从微细观作用机理角度,分析了双荷载作用下土体变形影响机理.推导了宏观孔隙体积变化量的计算公式,在此基础上结合室内渗透试验结果对2种荷载共同作用下土体的变形开展了定量化分析.结果表明,化学物的存在会引起土体发生固结变形,但土体宏观孔隙体积却并非一定减小.由于吸附水解吸到宏观孔隙空间中,也可能造成孔隙通道变宽,孔隙比增大.     

基于变速变桨距的MW级风力发电机组的建模研究

为了实现MW级海上风力发电机组受外荷载及机电作用耦合下的数值仿真,对风力机叶片、塔架等柔性体进行简化,在有限元软件中建立三维模型,并进行模态分析,在多体动力学软件下建立齿轮箱、轮毂及变桨机构的三维模型,并进行装配,使风力发电机组的几何特性、结构特征和装配关系保持不变,以便进一步研究塔架及叶片在耦合荷载作用下的动力响应。     

劲风区超高层建筑动力响应的数值试验研究

以某医院综合楼为研究对象,采用ANSYS有限元空间分析软件对其结构进行数字建模,通过对模型初始模态进行分析得出了该模态下结构的位移变形量.同时还分析结构在劲风荷载作用下的变形量与节点速度变化,分析了高层结构在风荷载下的稳定性,为超高层建筑及类似工程提供了参考.     

极限海况下6 MW单柱型浮式风力机耦合动力响应

为了实现单柱型浮式风力机在中等深度海域的实际规模应用,以新型6 MW单柱型浮式风力机为研究对象,在极限海况下对风力机的生存能力进行模型试验和数值模拟.模型试验采用缩尺比为1∶65.3的模型在上海交通大学海洋工程国家重点实验室进行,得到风力机的六自由度运动响应、锚泊系统的受力情况以及危险受力点的受力情况.通过数值模拟软件对风力机的时域耦合运动响应进行了仿真计算.对数值模拟和模型试验的数据进行时域和频域分析,结果表明:数值模拟与模型试验结果最大偏差小于12%,吻合良好;风力机运功响应的能量主要集中在低频和波浪频率处;整个浮式风力机系统在极限海况下可可靠生存.通过数据分析对风力机的载荷极限状态进行了预报,为结构强度计算提供必要的理论依据和计算参数.     

热流固耦合作用冻土路基变形规律研究

为揭示季节性冻土路基温度场、应力场和夏季降雨与冰晶融化所产生的渗流场,三场耦合引起的冻土路基变形与破坏.根据热流固三场耦合理论,提出了考虑相变的温度场、渗流场和变形场耦合的数学力学模型,体现了冻土路基中固体骨架、水、冰三相介质的水、热、力耦合作用;在数值模拟分析中,将路基仅受温度载荷与温度和车辆荷载共同作用进行了比较,得出冻土路基的变化规律,其研究结果对冻土路基的施工和维护有一定指导意义.