薄平板气动导数的数值仿真技术

提出了一种基于计算流体动力学方法计算流线型断面气动导数的数值模型．该模型以粘性不可压Navier—Stokes方程和有限体积法为基础,通过求解作强迫振动的断面绕流场,由得到的气动力时程得到断面的气动导数．利用该模型数值模拟了薄平板的气动导数,其仿真结果与薄平板气动导数风洞试验值、Theodorsen理想平板解析解的一致性,证明了本文方法的有效性．该数值方法可应用于桥梁断面颤振导数的识别．     

薄平板气动导数的数值计算

用基于一般曲线坐标系和交错网格的差分法求解原始变量二维不可压粘性流体的Ｎ－Ｓ方程,计算了宽高比为２２．５、两端圆滑的薄平板的气动导数．将薄平板当作刚性物体,首先分别计算物体做竖向强迫振动和扭转强迫振动的气动力,雷诺数取为１０５,物体运动和气流的耦合作用用动网格法考虑,Ｎ－Ｓ方程用二阶投影法和多重网格法求解．然后用最小二乘法确定Ｓｉｍｉｕ和Ｓｃａｎｌａｎ给出的气动力表达式中的８个气动导数．绝大部分气动导数的计算结果和Ｔｈｅｏｄｏｒｓｅｎ的理论值及实验值都十分吻合     

气动自激振动系统数值解及分析

给出了气动自激振动系统的模型和运动方程，通过数值求解方法研究了系统在不同参数下的振动情况，揭示了系统参数对系统振动特性的影响，为气动自激振动机械的参数设计提出了依据。     

流线型桥梁断面颤振稳定性数值模拟

对于流线型桥梁断面颤振稳定性,采用动网格实现结构分状态强迫振动法,提取稳定的气动力,按照最小二乘法求得不同折减风速的颤振导数。研究了理想薄平板的8个颤振导数,并将数值计算结果与Theodorsen理论解进行对比,发现采用该方法识别颤振导数与理论解吻合得很好。采用该方法计算了3种不同流线型桥梁断面的颤振导数,并计算了颤振临界风速。结果表明:增大主梁的宽高比,可以提高主梁的颤振稳定性;宽高比相同时,主梁底板采用折线形状要比圆弧线颤振稳定性好。     

攻角变化下流线型桥梁断面三分力系数的数值模拟

三分力系数是大跨径桥梁抗风设计的基本参数,它随攻角的变化而变化。《公路桥梁抗风设计规范》规定风洞实验应测试±10°内的三分力系数。因此数值模拟中也应该计算±10°内的三分力系数,故常常需要根据攻角的变化划分不同的网格。此文基于计算流体力学软件Fluent6.2.16,通过划分不同的网格和采用同一网格而改变边界条件的设置,对某一流线型箱梁断面计算了三分力系数,同时用后处理软件Tecplot360提取了箱梁截面的压力分布图。从结果可知两种计算方法吻合很好。采用同一网格而改变边界条件的方法可极大的提高工作效率。     

桥梁断面18个颤振导数自由振动识别

桥梁断面的自激振动力可以用18个颤振导数来表述。在现有的两自由度体系总体最小二乘法基础上，发展了用于识别桥梁断面三自由度体系18个 颤振导数的方法和试验装置。利用该方法对箱梁断面进行节段模型试验，得到了全部18个颤振导数。将三自由度试验结果与CFD（computatonal fluid dynamics)方法得到的颤振导数进行了分析比较，同时对准定常理论的估算公式进行了考证。     

复式断面河道水流泥沙数值模拟

建立了复式断面河道一维扩展水流、泥沙数值模型,并且对阳泉治理河段的水流、泥沙情况进行了计算。计算结果与试验结果相比符合较好,说明了一维扩展水沙模型在实际工程上应用的可行性     

自激振动的计算机模拟

用计算机模拟了自激振动．演示VDP方程所描述的系统在非线性能源供给下，从任意初始条件出发都能产生稳定的周期性运动．采用庞加莱映像，演示强迫VDP方程在不同参数下所存在四种吸引子．对于强迫VDP方程．在V和ω为定值条件下，逐渐增大μ值，将出现周期倍分岔和混沌现象．     

Π型钢-混凝土结合梁断面涡激振动及气动控制措施

Π型钢-混凝土结合梁由于其良好的受力性能和经济性,广泛应用于大跨径斜拉桥中,但其气动性能相对略差,若设计不当则容易出现涡激振动现象,从而影响行车舒适性、安全性或结构疲劳寿命等. 本文以广东潮汕大桥为实际工程依托,该桥为主跨205 m的独塔双索面Π型钢-混凝土结合梁斜拉桥,开展了Π型钢-混凝土结合梁断面涡激振动及气动控制措施研究. 首先,采用几何缩尺比为1∶50的主梁节段模型对该桥原设计方案主梁断面运营期涡激振动进行了试验研究;然后,分别采用下稳定板、导流板、裙板、上稳定板等气动控制措施对主梁涡激振动响应的控制效果进行了研究;最后,采用计算流体动力学方法（ComputationalFluid Dynamics,CFD）对主梁断面最终采用气动控制措施机理进行了研究. 结果表明：主梁原设计方案在设计风速范围内存在大幅涡激共振现象,涡激振动幅值超过规范限值;采用“三道下稳定板+两侧竖向裙板+上中央稳定板”组合气动控制措施后,主梁涡激振动响应得到明显抑制;该组合气动控制措施对Π型钢-混凝土结合梁涡激振动的控制机理主要表现为：设置三道下稳定板可有效破坏Π型主梁下侧较大旋涡,Π型主梁两侧设置竖向裙板改善了其气动流线型程度,设置上中央稳定板可有效阻止主梁上侧较大旋涡的运动.     

高超音速飞行器头罩气动热流场数值模拟

对几种不同外形的高超音速飞行器头部气动热效应进行数值模拟,采用Fluent软件对各飞行器进行三维薄层N-S方程数值计算,得到了不同外形的高超音速飞行器头罩外表面热流场分布.然后将计算结果与美国宇航局的超音速飞行器X33模型风洞实验结果进行分析和比较.分析表明:在五倍音速近地飞行时,其中两种外形头部的高超音速飞行器安装中波红外光学成像探测器制导是比较适合的.     

汽车气动附件对气动力优化的数值仿真

汽车气动附件在汽车上有很广泛的应用,对汽车的气动特性有显著的影响,常见的气动附件有阻力气动附件和升力气动附件。为研究汽车气动附件对气动力的影响,采用数值仿真的方法,分别以SUV模型和跑车模型为基础,对气动阻力附件和气动升力附件进行研究。研究结果表明:对于SUV车型,气动阻力附件能够有效地降低汽车的气动阻力,而由于SUV具备较高的车身和较大的离地间隙,顶部气动附件的作用较底部气动附件更加明显;尾翼的端板能阻挡气流向两侧的逸散,因而带有端板的尾翼能产生更大的负升力;双尾翼能产生更大的压力差,所以对升力的优化效果最为显著。     

垂荡板水动力的数值模拟

将计算垂荡板的水动力问题简化为二维竖直平板的绕流问题，计算了在各种来流情况下垂荡板的受力，给出了在计算模型下流场后尾涡片的发展图景。与试验结果对比后发现，尽管计算模型和试验时的三维模型差距很大，但只需要调整计算条件，计算结果与试验结果即可较好地吻合。这表明，在类似的情况下对于不同形状的平板，存在可以简化到二维的可能。     

带集中质量块薄板的移频数值仿真

通过对带有附加质量块薄板的理论分析和频率计算,从中获取了影响薄板系统动态特性的质量块主要参数,再运用有限元方法系统地分析了质量块的质量、位置、数量、所处介质和分布面积对薄板频率的影响规律.数值仿真结果表明:通过添加质量块来实现结构移频,应尽量采用质量为结构总质量10%以下的集中质量块,并放置于振型波峰处,以获得最大的频率改变量;沉浸于重质流体的薄板需要更大的附加质量,才能获得与轻质流体相同的频率改变量;对于高阶模态,应尽可能多地在振型峰值上布置质量块并呈对称分布.在此基础上开展的薄板移频技术的应用研究,可为实际薄板结构修改时调整固有频率以避开工作频率、减小振动提供指导.     

前掠翼模型低速气动力实验与仿真

基于一种高速前掠翼布局翼身组合体缩比模型,开展低速风洞纵向气动力实验研究,包括与相应后掠翼对比实验和细长边条前掠翼实验,实验攻角-4°～+36°,特征雷诺数4×10₅。结果表明：低速实验条件下,前掠翼升阻力特性与相应后掠翼基本相同,但前掠翼表现出良好大迎角气动性能发展趋势。翼根前加装面积仅为机翼面积5.2%的大后掠细长边条后,前掠翼升力特性明显改善,33°迎角时最大升力系数比基本前掠翼提高约40%。依据模型风洞实验实际条件,采用雷诺时均方程和FLUENT软件,进行前掠翼模型流场气动力数值仿真,仿真计算模型构建合理,能够支持分析风洞实验数据。     

出流孔型对平板气膜冷却影响机理的研究

为了研究不同孔型对平板气膜冷却的影响,针对圆形,扇形,水滴形,收敛缝形四种气膜出流孔型的流动和传热特性进行了数值模拟。研究结果表明,圆形孔、扇形孔和水滴形孔气膜出口下游出现从中心向上抬升的反向旋转涡对,将主流燃气卷吸进来;收敛缝形孔在侧向的扩张型面使得气膜出流在展向的覆盖更为均匀,这有效地阻止了高温气体的侵入;在相同吹风比下,收敛缝形孔在气膜出口附近区域的平均绝热冷却效率则明显要高于其余三种孔,随着吹风比的增大,这种差距越发明显;孔型对对流换热系数增强比的影响区域仅局限在邻近气膜孔出口大约7倍气膜孔径的范围内。      

圆钢管格构式塔架气动力的数值模拟

输电塔结构具有高柔、轻质和小阻尼的特性,因此风荷载是输电塔结构的主要控制荷载.以苏通大跨越输电塔结构作为工程背景,开展了一系列的刚性节段模型风洞试验,研究了在光滑均匀流作用下的圆钢管格构式塔架气动力特性.并基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,简称CFD)技术,采用大涡模拟(Large-eddy simulation,简称LES)方法分别对圆钢管格构式塔架节段的顺风向、横风向和扭转向风荷载特性进行计算,并将计算结果与实验值以及各国规范进行了对比.此外,讨论了湍流度分别为5%、10%、15%和20%四种情况下的三分力系数.结果表明,本文的数值模拟结果与各国规范及风洞试验结果较为一致,且湍流度的变化对结构三分力系数的脉动成分有显著影响.此外,从节段模型的表面风压力分布情况来看,最大正压出现在迎风面的主管正面和辅材相交节点的正面,最大负压出现在主管的侧面.通过涡量图对节段模型流场结构分析发现,x向的涡量离散程度更高,而y和z向上涡量分布更加均匀连续.本文的研究成果对实际工程中的圆管截面格构式结构风荷载评估具有重要的参考价值.     

不同形状装药爆炸冲击波场及对靶板作用效应的数值模拟

利用非线性动力学软件AUTODYN对球形及不同长径比圆柱形装药冲击波场及其传播过程进行数值模拟,探讨了长径比对圆柱形装药冲击波场的超压区分布影响规律,给出了柱形装药可与球形装药等效的临界距离计算公式;通过对不同形状装药对四边固定方形靶板冲击过程的数值计算,得到靶板中心点的挠度值,结果与试验吻合较好,本文结果可为柱形装药与球形装药等效计算、目标在不同形状装药爆炸冲击波作用下的动态响应问题及装药优化设计提供参考.      

基于CFD的风-车-桥系统耦合气动力模拟研究

风-车-桥耦合振动气动力是桥梁设计的必要参数,也是影响车辆安全性的重要指标.文章基于计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)理论,采用Fluent软件对横风作用下风-车-桥耦合振动气动力进行数值模拟分析.首先建立了城市轨道交通中地上运行部分桥梁及车辆的模型,模拟了在不同风攻角下的桥梁单体、车辆单体及车桥耦合系统的气动力系数,分析结果表明在不同的风攻角情况下,车辆、桥梁以及车桥系统的气动力系数会随着风攻角的改变而改变.同时,由于车辆和桥梁间的相互作用,车辆和桥梁的气动力较之两者单体均有所增大.因此,桥梁设计时要考虑两者之间的相互影响.     

基于CFD仿真的平板非线性气动力系统特征研究

为研究平板气动力系统的非线性特征,基于非定常雷诺时均Navier-Stokes(RANS)方程和SSTk-ω湍流模型,数值模拟了在单位位移激励下平板非定常运动的绕流场,获得了作用在平板上的气动力时程,并基于Volterra理论开展了平板非线性气动力系统识别.研究表明,本文建立的平板非线性气动力模型能对一定频率带宽和一定幅值范围的激励产生合理的响应;在本文研究的强迫运动位移幅值和频率范围内,平板非线性气动力模型响应没有表现出对振动幅值和频率的明显相关性,且其气动力的非线性效应并不明显,因而可以认为小攻角下的平板绕流属于气动力弱非线性系统.本文研究证明了CFD模拟在桥梁主梁气动力系统识别上的明显优势.