流线型箱梁断面涡激力展向相关试验研究

针对闭口流线型主梁结构涡激力展向相关性问题,在均匀流场条件下分别对振动状态和静止状态流线型主梁节段模型进行了不同风攻角的涡激力展向相关性试验研究,分别分析了流线型主梁断面涡激振动响应、涡激力展向相关性及主梁表面压力等.结果表明:振动状态主梁断面涡激力展向相关系数与振幅、锁定区风速等相关,锁定区上升段主梁断面涡激力展向相关系数大于锁定区最大振幅处主梁断面涡激力展向相关系数,扭转涡振锁定区升力矩展向相关系数大于竖向涡振锁定区竖向涡激力展向相关系数;振动状态主梁断面测点压力系数展向相关系数与振幅相关,振幅越大则相关系数越大.     

栏杆透风率对主梁涡振特性影响的风洞试验

为了研究栏杆透风率对箱形钢主梁涡激振动特性的影响,通过不同的封闭栏杆方案改变外侧栏杆的透风率,并在试验模型表面布置测压孔道,进行测振、测压风洞试验。采取2种封闭形式,一封三空和一封二空方案,即比原方案的透风率分别降低25%和33%。在不同的透风率工况下,同步测量主梁断面风速与振幅的关系及模型表面各测点的风压时程,分析模型表面各测点的平均压力系数、脉动压力系数及功率谱密度随栏杆透风率的变化情况。研究结果表明:降低栏杆透风率可有效抑制主梁的涡激振动;不同工况下,主梁表面压力系数的分布规律一致,仅在数值上有所差异,这是由阻风面积改变造成;封闭栏杆方案较原方案的脉动压力系数在分布规律及数值上均有显著差异;原方案绝大部分测点的涡脱频率集中在模型的竖弯和扭转频率,且能量较大,而封闭栏杆方案的涡脱频率仅有小部分集中在竖弯和扭转频率,且能量较小,栏杆透风率的降低改变气流的绕流,有效打散了能量在竖弯及扭转频率上的集中,因此未能激起结构的显著振动;涡激振动对栏杆透风率具有敏感阈值,栏杆透风率降低25%是对该桥竖弯涡振影响的阈值。     

粗糙度对雷诺数效应的影响

为了研究粗糙度对流线型桥梁断面雷诺数效应的影响,以及将表面粗糙度作为气动措施用于减小该类型桥梁断面雷诺数效应的可能性,利用风洞试验,在模型表面粘贴不同粒径的砂纸,改变模型表面粗糙度,测量了不同雷诺数下以及3种不同粗糙表面的流线型桥梁断面模型的三分力系数及表面压力.研究结果表明:流线型桥梁断面即使在较窄的雷诺数范围内也具有较明显的雷诺数效应;表面粗糙度对三分力系数的雷诺数效应具有一定的抑制作用.     

风屏障对流线型箱梁涡振性能影响机理试验研究

为研究风屏障透风率对主梁涡振性能的影响,依托某主跨808 m大跨度钢箱梁悬索桥,通过风洞测振、测压试验得到模型风致振动响应和表面各测点压力时程数据.测试原桥断面在加设风屏障后±5°攻角范围内的涡振性能,对比分析原桥断面和3种不同透风率风屏障以及安装水平分流板5种工况下主梁涡振响应和桥面各测点脉动压力系数均值、根方差;同时分析局部气动力与总体气动力的相关性和贡献作用.研究结果表明,原断面在+5°攻角下发生了多区间竖弯涡激振动,且涡振振幅远超规范允许值.安装不同透风率的风屏障后对主梁的涡激共振产生了有利的影响,消除了主梁原断面在低风速区间的涡振,最大振幅也有一定的减小.根据测得的压力数据分析,带风屏障主梁上表面中后部压力脉动减弱及局部气动力与总体气动力贡献系数减小使得主梁振幅有了小幅减小;在主梁风嘴处添加水平分流板后,局部气动力与总体气动力的相关性被完全破坏,压力脉动减弱,从而有效地抑制了主梁在该情况下的涡振.     

桥梁断面三分力系数的雷诺数效应

在TJ- 2风洞中 ,测量了近 2个数量级的雷诺数范围内不同宽高比的 2类桥梁断面的三分力 ;研究了桥梁断面三分力系数雷诺数效应、宽高比对断面三分力系数雷诺数效应的影响 .近流线型桥梁断面的阻力系数、升力系数都有明显的雷诺数效应 ;Π型断面阻力系数雷诺数效应与近流线型断面规律相反 ,升力矩及升力系数雷诺数效应不明显 ;宽高比对三分力系数雷诺数效应有明显的影响 ;紊流可以作为抑制阻力系数雷诺数效应的有效措施     

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。     

自然风下大比例模型的雷诺数效应

为了分析阻塞度和洞壁效应对大比例模型风洞试验结果精度的影响,通过制作缩尺比为1∶9的大比例尺流线型桥梁断面模型,安装到高速移动的汽车上,形成不同风速的自然风场。测量了不同车速下(即不同雷诺数)模型的表面压力,拟合了试验数据,研究了自然风作用下高雷诺数区的流线型断面的三分力系数的变化规律以及表面压力分布的特点,并将自然风场数据与风洞试验数据进行了对比。研究结果表明:阻塞度和洞壁效应将对大比例模型的雷诺数效应产生较大影响,其中,当Re3×105时,随着雷诺数Re的增加,考虑阻塞度和洞壁效应影响的阻力系数呈不断减小的变化趋势,而不考虑其影响的阻力系数呈上升的变化趋势;阻塞度和洞壁效应使得升力系数数值变小,而升力矩系数数值却变大;阻塞度和洞壁效应不会改变模型表面最小压力点出现的位置,但是会使模型表面压力系数数值变小。     

栏杆高度对流线型箱梁涡振性能影响的试验研究

为研究栏杆高度对流线型箱梁涡激振动性能的影响并揭示其机理，通过节段模型风洞动态测压与测振试验，研究了流线型箱梁涡振响应、平均和脉动风压系数、频域特性以及局部升力对涡振的贡献系数分布情况. 结果表明：安装栏杆后主梁表面的平均风压系数增大，脉动风压系数变化复杂，脉动风压卓越频率与模型自振频率基本一致，局部升力对涡振的贡献作用增大，使主梁涡振加剧；栏杆高度的变化对主梁表面平均风压系数基本没有影响，但对其脉动风压系数的分布规律及脉动压力功率谱幅值有较大影响；栏杆高度的变化，使主梁上表面前部和尾部区域的局部升力对涡振贡献程度呈现出显著差异，当贡献值增大时，主梁涡振响应增大. 当栏杆高度为45%的梁高时流线型箱梁的涡振幅值最大，在此基础上适当降低或增大栏杆高度均有一定的抑振效果，降低栏杆高度效果更好. 研究结果为流线型箱梁栏杆的设计和相关研究提供了依据和参考.     

流线型箱梁涡激共振响应模型尺寸效应

针对闭口流线型钢箱梁涡激共振响应风洞试验研究中存在的尺寸效应问题,依托广东南沙至中山高速公路洪奇门特大桥,采用风洞试验和计算流体动力学相结合的方法进行研究. 首先分析了两种几何缩尺比下闭口流线型箱梁节段模型风洞试验中涡激共振响应的差异;然后,采用流固耦合数值模拟方法计算了不同缩尺比闭口流线型箱梁断面涡振响应. 结果表明：闭口流线型钢箱梁涡激共振响应存在明显的模型尺寸效应,表现为常规比例（λL=1/60）主梁节段模型涡振振幅大于大比例（λL=1/30）主梁节段模型涡振振幅;二维数值模拟计算得到的涡激共振响应锁定风速区间、振幅与风洞试验结果吻合较好,验证了数值模拟方法的精度,同时也表明模型长宽比及试验阻塞率的差异不是闭口流线型箱梁涡激共振尺寸效应的主要影响因素;随着主梁断面模型缩尺比的增大,其涡激共振响应总体呈现下降趋势,且不同缩尺比下主梁断面静态绕流流场的涡脱频率分布存在显著差异.     

边箱式π型断面涡振性能及导流板措施参数研究

π型断面因构造简单与受力性能好,被广泛应用于桥梁建设中,但其抗风性能差,易产生涡激振动问题.本文以边箱式π型断面桥梁为研究对象,采用宽高比10∶1的π型断面刚体节段模型进行同步测振测压试验,并且通过计算流体力学方法加以对比验证,研究π型断面涡振性能与导流板抑振机理.试验结果表明：边箱式π型断面在0°、±3°风攻角下发生显著涡激振动,通过在断面两侧加设特定形式及尺寸参数的导流板措施可抑制断面竖弯及扭转涡振.其中,倒L型导流板措施气动优化效果显著,可有效消除涡振振幅,而水平导流板措施的抑振效果有限,相较于竖弯涡振,扭转涡振对于水平导流板尺寸参数更为敏感.通过对比数值模拟结果与表面气动压力分布,表明倒L型导流板措施能够优化断面气动外形,削弱断面上下表面旋涡脱落尺度和能量,同时降低断面所受的周期性气动力,从而有效抑制断面涡振.     

螺旋桨初生空化湍流的多相流数值模拟

摘要：
同时采用修正剪切应力输运(SST)湍流模型和Baseline雷诺应力模型（RSM）求取了E779A螺旋桨在无空化状态和初生空化状态下的梢涡运动轨迹,分析了涡核最小压力系数、湍动能、轴向速度分量和涡核半径沿运动轨迹的变化,并从模拟得到的梢涡卷曲起始和梢涡涡束的角度阐述了梢涡形成机理.空化模型采用改进Sauer模型,考虑了非凝结性气核质量分数、体积分数和气泡初始半径以及湍流脉动的影响,并针对轻度、中度和重度空化面积进行了可信性校验.当空化数σ>初生空化数σi时,叶梢截面压力系数分布相对不再改变的判定准则来确定.涡核中心位于螺旋线垂向截面上最小压力点,涡核边界由湍流涡频率峰值决定.数值模拟结果表明,RSM模拟梢涡路径较修正SST湍流模型稍长、局部梢涡空化范围略大、叶梢最小压力系数和轴向速度分量要小,涡核湍动能分布更为合理.但两者模拟得到的涡核运动轨迹几乎重合,并且初生空化状态下的涡核运动轨迹、最小压力系数和轴向速度分布均与各自无空化状态下非常接近,表明了初生空化状态判定的正确性和改进数值模型对梢涡运动轨迹模拟的适用性.     

低雷诺数翼型分离流动的大涡模拟研究

采用高精度大涡模拟算法,对低雷诺数下的孤立翼型分离流动问题进行研究,计算了雷诺数为55000、马赫数0.2、来流5°攻角下的NACA-0025翼型,生成数值数据库,从时均流场、瞬态流场、频谱和高阶统计量等多个角度进行分析.研究结果表明:大涡模拟方法能够很好的描述低雷诺数翼型分离流动,其瞬态流场图画与实验结果吻合的很好;翼型上表面出现大尺度的开放式分离区,在Kelvin-Helmholtz(K-H)不稳定性作用下,自由剪切层失稳卷起展向涡,展向涡二次失稳发生旋涡配对现象;分离区流场的演化受大尺度涡结构控制,流场中高阶统计量的分布也与涡结构密切相关.     

潜艇涡量场和流噪声等效声中心的数值预报

为了实现潜艇湍流噪声及其等效声中心的数值预报,在分析SUBOFF潜艇拖曳和自航状态下涡量场的基础上,采用大涡模拟与声学边界元相结合的方法,在频域内预报了流噪声空间分布、测点谱源级曲线和声指向性,求取了等效声中心位置并分析了其受螺旋桨旋转作用的影响.计算结果表明：附体与艇体结合部马蹄涡和附体端面诱导项链形涡对是潜艇涡量场的主要特征,且马蹄涡系具有较高的强度和稳定性;附体尾涡脱落频率存在19.22Hz的线谱,且在尾涡测点谱曲线中得到明确体现;随着频率增加,流噪声蝶形指向性对应的辐射瓣状区间数随波数增加,且正横方向声压要强于首尾方向;流噪声等效声中心位于距艇艏0.46倍艇长处,在10Hz～1kHz内总声源级为95.09dB;艇艉桨对附体马蹄涡系影响较小,但促使等效声中心迅速移至艇艉.     

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。     

弹簧压并状态下悬架减振器绕流涡旋特性分析

为研究汽车行驶过程中减振器弹簧压并状态下翼子板内流场特性的变化,将该状态下的减振器简化为三维变截面圆柱模型,并建立变截面圆柱绕流三维流场模型,利用Transition SST四方程转捩模型模拟低、中、高3种车速对大、小圆柱绕流涡旋特性的影响.结果表明:绕流后尾涡的大小、形态、上升角均受圆柱直径、雷诺数及边界条件的影响,在变截面处验证“下洗”运动对N区边缘涡生长的直接作用及对L区涡旋分布的干扰作用;3种流速下适合绕流涡旋振动压电能量回收的最优夹角分别为±10°,±15°,±20°;在有界的高雷诺数流场下对变截面圆柱绕流涡旋重新分区,发现新的涡旋连接方式.     

超临界雷诺数下圆柱分离旋涡运动的数值研究

本文在文献[1]的基础上,用离散涡模型与湍流边界层理论相结合的方法,研究了超临界雷诺数下圆柱突然起动后的分离旋涡运动。文中考虑了二次涡的影响和涡旋的粘性扩散。计算结果与实验结果相符。     

水电站进水口漩涡缩尺效应

前人对进水口漩涡进行了大量的试验研究,但关于进水口漩涡试验的缩尺效应尚无统一的观点．笔者针对侧式进水口漩涡进行了一系列模型试验研究．结果表明,按弗劳德准则设计的模型,当模型进水口处的雷诺数RP≥3．4×10^4时,表面张力对漩涡无明显影响,可不考虑缩尺效应．当雷诺数不能满足该要求时,可以采取增大流量的办法消除缩尺效应,而增大的流量的倍数与模型进水口的淹没水深和模型比尺有关．     

汽车悬架减振器绕流涡旋动态特性分析

为了麦弗逊悬架运动造成其翼子板内流场特性多变的问题。通过将该问题简化为绕流圆柱平面流场,首先利用 SST方程对静态的圆柱绕流体模型进行理论计算和仿真,获得了稳定涡旋下的升力、阻力系数及斯特劳哈尔数等特征值。在此基础上,分析空气流速、减振器直径、横向振动频率和振幅等结构和动力学参数对涡旋动态特性的影响,获得了平均升力系数和瞬时阻力系数曲线的拟合方程。结果表明,斯特劳哈尔数的最大误差为5%,简化模型忽略减振器结构的三维效应是可以接受的;脱涡频率与减振器直径的倒数成二次关系;横向振动频率则对动态脱涡频率起到了关键作用,且对流场的压力分布影响显著,而横向振幅对无边界流场条件下的涡旋特性及压力场分布影响不大。     

Instability of the shear layer in the near wake of a circular cylinder

The instability of the shear layer separated from a circular cylinder is studied with the Reynolds number (Re) of 3000～104 by numerically solving the two-dimensional Navier-Stokes equations. In the wake of the cylinder, primary vortex shedding with natural frequency fs occurs, and the instability of the shear layer with frequency ft develops, which leads to mixing layer eddies and interacts with the primary shedding vortices. However, there remains some uncertainties regarding to the variation of the shear layer characteristic frequency with the Reynolds number. Based on the previous experimental work, several relationships of ft/fs with Re has been proposed including ft/fs～Re0.5 by Bloor, ft/fs～Re0.87 by Wei and Smith and ft/fs～Re0.67 by Prasad and Williamson. The objective of this study is to predict reasonably the relation of the shear layer instability frequency with the Reynolds number based on the present accurate calculation with the high-order schemes and high-resolution spectrum analysis. According to our calculated results, a variation for the normalized shear-layer frequency of the form ft/fs～Re0.69 is predicted numerically, which is in good agreement with a recent experimental measurement of Re0.67 and physical prediction of Re0.7.     

复杂山地环境下脉动风速谱研究

进行了8种坡度下单个三维山体的模型风洞试验,讨论了山体各位置脉动风速谱的变化规律,以及坡度对脉动风速谱的影响.结果表明:背风面山脚0.8h高度以下位置,脉动风速功率谱与来流风速谱相比,功率谱峰值明显增大,峰值频率向高频移动,单峰特征明显,频带变窄.除此以外的背风面其他位置、迎风面以及山顶位置的脉动风速功率谱与来流风速谱基本一致.提出了山体背风面脉动风速能量由来流湍流能量和山体尾流涡旋能量构成的思想,将来流脉动风速谱与涡旋谱进行分离,并根据试验数据拟合,提出了保守的涡旋谱的计算公式.根据不同坡度山体的试验,得出了0.5为涡旋产生与否的临界坡度.