基于边界层风洞的下击暴流稳态风场特性数值模拟

针对下击暴流稳态风场模拟问题,基于计算流体动力学方法(Computational Fluid Dynamics,CFD),首先分别采用二维、三维冲击射流模型对下击暴流风场进行数值模拟,对下击暴流风场特性进行研究.在此基础上,根据下击暴流对桥梁结构作用主要受水平风速影响的特点,采用二维数值模拟方法对边界层风洞中设置倾斜平板模拟下击暴流水平风速风场进行了研究.最后,设计并加工了边界层风洞下击暴流水平风速模拟试验装置,在边界层风洞中进行了下击暴流水平风速风场模拟试验,并将数值模拟结果与试验结果和已有文献结果进行了比较.结果表明:下击暴流风场的二维冲击射流模型模拟结果与三维冲击射流模型模拟结果吻合较好,即二维冲击射流模型是一种有效的下击暴流风场简化模拟方法;在边界层风洞中设置倾斜平板所模拟的下击暴流水平风速风场数值模拟结果和风洞试验结果具有较好的一致性,并与冲击射流模型数值模拟结果和现场实测结果均吻合较好,即在边界层风洞中设置倾斜平板可模拟下击暴流水平风速稳态风场特性.     

集装箱起重机平均风荷载数值模拟及试验对比

以典型集装箱起重机为研究对象,基于Fluent6．1．22软件平台,分别在均匀风场和B类地面粗糙度风场,以及在工作状态和非工作状态下,对起重机各杆件上的平均风压进行了计算流体动力学（CFD）数值模拟,并将数值模拟结果与刚性测压模型风洞试验数据进行了对比．结果表明：基于Fluent的雷诺应力模型（RSM）在数值模拟中预测结果相对较好,数值模拟可以弥补风洞试验困难,较准确地获得集装箱起重机整机的平均风荷载．     

半敞开式隧道火灾的理论分析

为了研究隧道火灾的火羽流特性,验证半敞开式隧道采用自然通风模式下发生火灾时是否安全,在已建成的半敞开式隧道中设计并实施了全尺寸火灾试验,得到了半敞开式隧道火灾的烟气温度变化规律和烟气纵向蔓延数据.用OriginPro7.5软件对实验数据进行处理、拟合,得到隧道火灾烟气温度随着离开火源距离纵向衰减的规律;结合火灾动力学分析建立了预测烟气逆流距离的理论模型.根据隧道火灾实验结果与理论模型预测结果的对比,验证了所建理论模型的有效性.全尺寸火灾实验结果验证了李开源和H.Kurioka等人建立的隧道火羽流模型及其计算公式可以用于半敞开式隧道自然通风的研究.     

LNG船舶球形货舱风阻力的数值模拟

为获得LNG船舶更准确的风压分布和更多的风场细节,只对LNG船舶的货舱风阻进行数值分析,忽略船体以及其他上层建筑部分.选用RNG k-ε湍流模型和大涡模拟方法对均匀风场中的LNG船舶球形货舱绕流进行数值模拟.为验证数值方法和网格划分的合理性,对均匀风场中的半球体绕流进行数值模拟,计算结果与风洞试验的数据吻合很好.对LNG船舶球形货舱的绕流场和风压分布分析发现,大涡模拟方法对漩涡流动的模拟有较好的效果.     

基于流场诊断的燃煤电站SCR系统喷氨优化及试验验证

为实现SCR系统的安全高效运行,采用CFD数值模拟技术开展660 MW燃煤电站SCR系统流场优化.根据喷氨格栅前烟气流动特性解析喷氨支管阀门权重,基于权重阀开展喷氨优化研究.分析了优化前后首层催化剂入口截面烟气速度/浓度分布特性,搭建冷态模化试验装置对数值模拟研究结果进行验证.研究结果表明:导流板合理优化布置可有效改善流场分布的均匀性,速度标准偏差可相对减少约71.30%;基于权重阀优化喷氨使喷氨特性与烟气流动特性匹配良好,改善了浓度分布的均匀性,浓度标准偏差相对减少约24.95%;冷态模化试验值与数值模拟值吻合良好,两者偏差仅为3.08%;流场/权重阀喷氨优化协同作用能够最大限度提升燃煤电站SCR系统的工作性能.     

中冷器布置对内燃机冷却系统性能影响的试验研究

为了解决增压内燃机中冷器和散热器布置匹配问题,研究中冷器和散热器不同布置形式的散热特点及对内燃机冷却系统性能的影响.利用风洞试验和内燃机冷却性能台架试验,结合中冷器中不同的流动介质,针对不同的布置形式进行研究.试验结果表明:布置形式不同,对各自散热效率、热分布、模块整体风阻等的影响较大;风冷式传导介质,串联式风阻较并联式大,并联式散热效率优于串联式,但串联式热分布更均匀;水冷式传导介质,两种形式各方面差异较小.在实际设计中,根据内燃机中冷器不同的冷却介质、整体空间等选择最优的布置形式.     

港口集装箱起重机平均风荷载试验研究

以某港口65 t-65 m集装箱起重机为研究对象,在风洞中对其1∶50缩尺比的刚性模型进行了测压试验.试验在均匀风场和B类风场中进行,并考虑了工作和非工作这两种状态.给出了起重机主要构件在360°方向范围内的杆体型系数;对其分析表明,最不利风向并不一定出现在主轴方向.试验获得的杆体型系数可供起重机设计参考,也可用于修订规范时参考.     

基于系统仿真和计算流体动力学的冷凝器管路优化

将制冷系统仿真与计算流体动力学(CFD)模拟相结合,对一风冷双系统屋顶机的冷凝器进行管路布置的优化研究.CFD模拟空气的流动,得到冷凝器迎风面速度分布.通过制冷系统模型,对管路布置优化前后的冷凝器和制冷系统进行仿真计算.从部件和系统两个层面评价管路布置的改善效果.在部件层面,改进后的管路布置使冷凝器的换热量提高24.1%.在系统层面,单个系统运行时的制冷量增加3.6%,制冷系统性能系数(COP)提高8.1%.本研究思路对于相关产品的优化设计具有参考价值.     

基于系统仿真和CFD的双系统冷凝器管路优化

将制冷系统仿真与计算流体动力学（CFD）模拟相结合,对一风冷双系统屋顶机的冷凝器进行管路布置的优化研究.CFD模拟空气的流动,得到冷凝器迎风面速度分布.通过制冷系统模型,对管路布置优化前后的冷凝器和制冷系统进行仿真计算.从部件和系统两个层面评价管路布置的改善效果.在部件层面,改进后的管路布置使冷凝器的换热量提高24.1%.在系统层面,单个系统运行时的制冷量增加3.6%,制冷系统性能系数（COP）提高8.1%.本研究思路对于相关产品的优化设计具有参考价值.     

RHS技术在舰载天线优化布局中的应用

针对舰载通信天线布置特性,综合应用典型启发式随机搜索技术(RHS)和数值仿真技术,对传统天线布局方法进行改进.以遗传算法为例,建立其与舰载天线优化布局的两类对应关系:天线优化布置参数与遗传算法特征值的关系;天线优化布置操作与遗传算子的关系.通过矩量法、多目标优化算法和权重系数变化法,对天线优化布局问题进行量化分析,解决了多参数协调控制复杂平台天线优化布局问题.在此基础上构造了一个具有理想导电面的舰船平台,以具体实例验证了理论模型的正确性.最终数值计算结果和试验结果符合较好,表明采用RHS技术获取的天线布局方案优于传统的天线布局方法,且可兼顾精度和效率.     

建筑群不均匀性对拖曳力影响的风洞测压实验

针对建筑群不均匀性缺乏系统的研究方法以及多数处于定性研究的现状,从建筑几何结构的形态学角度出发,采用迎风面积指数、平面面积指数、形状指数和综合非直线系数表达建筑群的不均匀性.风洞实验中采用刚性模型测压的方法进行建筑表面压力的测量,并设计了悬浮实验平台直接测量整个区域所受的拖曳力.实验结果表明,分布在较大平面区域内各建筑的单体拖曳力系数沿风向的变化趋势近似为一条热容模式的衰减曲线;利用有代表性的建筑表面压力测量结果求取的整个区域拖曳力系数和基于拖曳力直接测量的拖曳力系数具有相同的趋势,但普遍大10%~20%;对比可知,地面粗糙度改变对模型表面风压差系数的分布影响不显著,综合非直线系数为1.332 5的工况较1.177 5的工况拖曳力系数减小约17.7%,H型建筑表面风压差系数分布与矩形建筑不同,其对气流的强烈作用造成拖曳力系数约34.6%的增加.     

杭州黄龙体育中心网球馆可开启屋盖的风洞试验

杭州黄龙体育中心网球馆屋盖属于可开启结构,部分屋盖可沿平行轨道滑动,结合该主体结构的抗风设计要求制作1∶100的刚性模型,进行了结构表面平均风压和脉动风压分布的风洞试验.分析了在不同风向角时关闭和开启屋盖状况下的风压分布.为了便于结构设计,根据实际情况对屋面进行分区并给出相应的分区风压数据,并依据各风向角下的风压分布特征,得出整体结构的抗风设计依据值.     

基础抽吸率对汽车风洞试验的影响

采用试验手段和计算流体力学方法(Computational Fluid Dynamics,CFD),研究基础抽吸率对汽车风洞试验的影响.首先,基于HD-2汽车风洞,运用试验方法完成对汽车风洞地面边界层厚度的测量,并对边界层的厚度进行评价,结果表明边界层的厚度与来流速度成反比;其次,综合运用数值模拟和试验测量方法,研究基础抽吸率大小对汽车风洞地面边界层厚度影响,研究发现随着抽吸率的变大,边界层厚度逐渐减小.最后,以MIRA汽车标模为对象,研究基础抽吸率对汽车气动特性的影响,当基础抽吸率小于0.06时,汽车的气动阻力系数随着基础抽吸率的增大而增大,进一步增大基础抽吸率,气动阻力系数不再产生明显变化;本文研究结果对汽车风洞抽吸系统的设计和最佳抽吸率的选取有重要的指导意义.     

三边形桅杆杆身风荷载特性风洞试验研究

应用高频测力天平技术,分别对有附属结构和无附属结构的三边形桅杆杆身进行了均匀流和两种紊流下的风洞试验,得到了桅杆的平均风力系数、均方根力系数和顺风向、横风向及扭转向风荷载谱.分析了雷诺数、紊流度、风向角、附属结构等对风荷载系数的影响,对比了试验体型系数和不同国家规范关于桅杆及其附属结构体型系数的规定.谱分析结果表明,顺风向风荷载谱和脉动风速谱的基本特征相同,横风向、扭转向风荷载谱主要由低频部分的紊流激励谱和高频部分的旋涡脱落激励谱组成,无附属结构模型旋涡脱落谱有一个峰,峰值折减频率在1.8左右,带附属结构模型在90°风向角下出现两个明显的旋涡脱落谱峰,峰值折减频率分别在0.9和2.2左右,探讨了格构式塔架旋涡脱落谱的特性以及附属结构对其的影响机理.     

中承式拱桥主拱静风载试验及数值模拟

大跨度中承式拱桥属于柔性空间结构,主拱上风荷载往往起控制作用.以重庆菜园坝长江大桥为例,进行主拱单拱及双拱节段模型测力风洞试验.均匀流下的单拱测力试验表明,主拱的阻力系数变异性较小,升力系数与力矩系数变异系数较大.双拱测力试验表明,迎风拱的静力三分力与单拱试验结果相差不大,下风拱静力三分力系数随两拱的间距宽度比及攻角变化.利用流体力学软件FLUENT对拱的静力三分力系数进行了数值模拟,模拟结果与试验吻合较好,很好地显示了阻力系数随两拱间距宽度比的变化.     

均匀风场中高层建筑平均风力的阻塞效应

以联邦航空咨询委员会协调人会议(CAARC)高层建筑标准模型为例,在同济大学TJ-2建筑风洞中进行了矩形单体高层建筑的阻塞效应试验研究.对阻塞度为4.1%、6.1%、8.4%、10.1%的建筑刚性模型在均匀风场中进行了测压试验.主要研究了阻塞效应对模型平均风力特性的影响.研究结果表明:在均匀来流中,建筑各层的平均阻力系数随着阻塞度的增加而增大,但阻力系数沿高度的分布规律没有显著变化;顺风向平均基底弯矩系数随着阻塞度的增大显著增大.最后,基于试验结果提出了平均阻力系数和顺风向平均基底弯矩系数的阻塞效应修正公式.     

风向对某超高层建筑等效静风荷载的影响

风向和平均风速联合分布是风荷载的基本特征之一,本文研究风向对某超高层建筑等效风荷载的影响,主要包括以下三个部分:(1)获取建筑物所在地区气象站的风向风速气象资料,并统计得到各个风向上的设计风速;(2)对某超高层建筑进行36个风向角下的刚性模型同步测压风洞试验,试验中模拟了周围建筑对超高层建筑的干扰作用;(3)结合各个风向上的设计风速,基于风洞试验结果,用随机风振理论计算超高层建筑的等效风荷载.本文得到的结论为超高层建筑设计提供参考.     

机场航站楼金属屋面敞开式檩条风荷载分布

基于缩尺比模型的风洞试验不易直接测试细小构件上的风荷载,借助数值风洞技术,通过建立建筑及其屋面檩条的空间模型,精细划分局部网格,获得不同风向角下屋顶敞开式檩条构件的风荷载分布.结果表明,敞开式屋面檩条构件受斜风作用更为不利,同时水平向的切向力比垂直向吸力更为显著,是构件抗风计算中不可忽略的重要部分.屋顶檩条风荷载分布具有明显的规律性,在屋面的尖角区域最大,因为该区域屋面曲线弧度最大,气流在该位置产生了较强分离对流,从而形成了较强的垂直向风吸力和水平切向力;在屋面的外侧区域风荷载也较大,与建筑边缘区的气流分离直接相关;在屋面的内侧区域明显较小且分布较为均匀.通过增加将檩条底部封闭的气动措施可以有效地减小屋面外侧区域檩条极值风荷载20%以上,但对屋面内侧区域的檩条效果不明显,建议将初始檩条底部敞开设计方案优化为在建筑边缘区域檩条底部封闭.     

高层建筑屋顶风能利用的数值模拟

为了进一步有效提高屋顶风能利用的效率,在屋面之上加设一架空层,运用CFD数值模拟分析不同高度架空层对风能收集产生的影响,探讨其可行性并得出架空高度和风机安装高度最优值.研究表明:架空层的设置对增大屋顶风速有显著效果;在架空层顶板之上或之下的空间安装风力发电机,并控制架空层高度,比较分析得出合理的架空层高度和风力机的安装高度,以求达到最理想的风能利用效果.     

风电机组风洞测试的阻塞效应分析

风洞测试具有方便、快捷和高效的优势,在风电机组输出功率特性测试中应用较多。测试风轮直径较大时,由于存在风洞堵塞效应,会对测试结果造成影响。以300 W风电机组作为研究对象,分别采用风洞测试和车载测试进行输出功率特性测试。测试过程采用负载法,分别以电阻和蓄电池作为负载进行测试。在风洞截面为3m×3m的试验段中测试,机组空载启动风速为4.3m/s~4.8m/s,以电阻为负载时的额定风速为6.2 m/s;在车载测试中,机组空载启动风速为5.7m/s~6.2m/s,以电阻为负载时的额定风速为8.1 m/s。风洞测试比车载测试的启动风速低1.4 m/s,占车载测试启动风速的24.6 %,比车载测试额定风速低1.9 m/s,占车载测试额定风速的23.5 %。风轮直径2.3 m,其扫掠面积占风洞试验段截面面积的46.2 %,风洞的堵塞效应较大,致风洞测试数据与车载测试数据相差较大,因此风洞测试后需要修正。