基于iDDES的双三角翼大迎角非定常涡破裂特征分析

采用基于两方程k-ω-SST模型的iDDES方法对80°/65°双三角翼涡破裂流动进行了数值模拟,获得了迎角α=30°~40°范围内,涡破裂在双三角翼主翼面上方发生时的气动力、表面压力、空间涡结构、湍动能等流动信息,在与风洞实验充分比对的基础上,详细分析了涡破裂发生时的涡破裂形态,表面压力均方根值分布,非定常气动力、表面压力脉动等流动特征,对涡破裂与气动力频谱、表面压力/压力脉动、空间速度、湍动能分布之间的相互关系进行了阐述,并分析了以这些流动信息为判据得到的涡破裂位置之间的相关性。     

基于桥梁断面压力分布统计特性的抑流板抑制涡振机理研究

通过测量大比例流线形扁平钢箱梁模型（１：２０）涡激共振时表面压力,研究典型钢箱梁常用设计断面涡激振动、静止、以及安装抑流板后涡激共振性能。综合对比分析三种工况模型表面压力系数均值、根方差、局部气动力与涡激气动力相关系数等时域统计特性;表面压力脉动的功率谱、局部测点气动力与总体断面气动力间的在模型竖弯频率处的相位谱和相干函数等频域统计特性。研究发现：竖弯涡激共振产生原因是流线模型上表面下游的气流再附区域强烈压力脉动以及箱梁下表面与总气动力具有较强相关性的压力脉动,整体断面各测点脉动压力具有相同的卓越频率。针对本项研究试验实例,抑流板措施减弱了箱梁中下游位置压力脉动的分布强度和作用时序的相关性,可以有效地抑制涡振。     

亚格子尺度湍流特性研究

采用大涡模拟方法模拟了雷诺数ReH=18,400的后台阶湍流流动,研究了亚格子尺度湍流动能和湍流耗散的特性。给出了后台阶湍流流动的流场结构以及亚格子湍动能和亚格子湍耗散的空间分布结果,比较了大涡模拟预报湍流粘性以及等效计算粘性。研究表明,亚格子尺度湍动能和亚格子湍耗散随着流动在空间的发展而呈现减弱趋势,回流区内亚格子湍动能和耗散较弱;在台阶截面(y/H=1处)亚格子湍动能和耗散最大。亚格子湍动能小于脉动动能统计量,亚格子粘性小于等效湍流模型粘性预报结果。     

流线型闭口箱梁抑流板抑制涡振机理研究

涡激振动是大跨度桥梁在低风速时易发的自限幅风致振动现象,设置栏杆扶手抑流板为典型涡振抑制措施。以某典型闭口箱梁断面为研究对象,进行了大尺度节段模型测振、测压风洞试验和CFD数值模拟,结合涡振响应、表面风压时频特性和流场特征,对比阐述了栏杆扶手抑流板抑振机理。原始断面在+3°初始攻角下出现明显竖向涡振现象,且振幅超过规范允许值。设置栏杆扶手抑流板后,涡振消失。原始断面涡振主要由气流分别在边防撞栏和检修轨道处诱导并在上下表面中部区域分别形成的主导涡引起,即‘双旋涡模式’引起的周期性气动力是涡振发生的内在机理。设置栏杆扶手抑流板主要是改变了断面上表面区域流场分布,气流受抑流板干扰,在其后产生连续的旋涡脱落,改变了下方气流移动路径,下方气流近乎水平通过边防撞栏区域,避免了边防撞栏横栏角部的流动分离,抑制了主导原始断面涡振的上表面主导涡,完全破坏了‘双旋涡模式’,极大降低了局部气动力与涡激力之间同步相关性及表面压力脉动;同时表面气动力脉动频率随机离散化,模型表面各区域气动力对涡激力的贡献均明显下降,无法激发整体结构涡振效应,故涡振消失。     

稳定板对带式输送机边主梁斜拉桥涡振性能影响机理的研究

为研究稳定板对桥面安装带式输送机的边主梁斜拉桥涡振(vortex inducedvibration, VIV)性能影响的机理,通过节段模型测压试验获取边主梁表面压力时程,综合对比分析不同稳定板工况下断面脉动压力系数均值、标准差、功率谱、局部与总体气动力的相关性,并揭示下稳定板对边主梁桥的抑振机理。研究发现：该类型主梁竖弯涡激共振发生的原因为上表面前部分离与再附区域强烈的压力脉动,下表面前部气动力与总体气动力的强相关性及后部具有明显相关性的强烈的压力脉动;梁底布置一道稳定板能显著降低断面压力脉动,布置两道稳定板断面压力脉动进一步降低,从而大幅抑制涡振;梁底布置三道稳定板促进了气流在下游风嘴处的再附,断面压力脉动被大幅削弱,局部气动力与总体气动力相关性被显著破坏,从而有效抑制涡振。     

气动措施抑制桥梁涡振机理研究

通过表面测压方法研究了桥梁主梁基本断面、添加抑流板或导流板后断面的涡激共振特性;基于三种断面不同风速各测点压力时程,综合对比分析脉动压力系数均值、标准差、功率谱及局部与总体气动力相关性对涡振的影响,揭示了扭转涡振及气动措施抑振的机理。研究发现:扭转涡振的根本原因是上表面上游的分离使得中游和下游区域压力脉动非常强烈,各测点脉动压力具有相同卓越频率,且与总体气动力具有良好的相关性;抑流板改善了上表面流场分布,有效抑制了涡振;而导流板对上表面流场基本无影响,未能抑制涡振。     

流线闭口箱梁涡振气动力的雷诺数效应研究

涡激振动是大跨度桥梁在低风速易发的自限幅风致振动现象。针对典型流线闭口箱梁断面,分别进行了1∶70和1∶20主梁节段模型同步测振、测压风洞试验,对应以梁高为特征尺寸雷诺数范围分别为6.08×10~3～2.28×10~4和1.06×10~4～1.40×10~5,研究了雷诺数效应对箱梁涡振响应及表面气动力时频特性的影响。+3°初始攻角下,主梁断面存在明显涡振现象。与小比尺模型相比,大比尺模型竖向涡振发生风速低,振幅大,且出现了小比尺模型未观测到的扭转涡振现象。分别选取典型风速结点,进行表面气动力时频特性分析表明:不同雷诺数条件下,表面平均风压系数、压力系数根方差及分布气动力与涡激力相位差空间分布均有所不同,表现出显著的雷诺数效应;高雷诺数时,上表面下游、中上游和下表面区域气动力对涡激力贡献较大,其中上表面下游区域气动力对涡激力起增强作用,其它区域气动力对涡激力起抑制作用;低雷诺数时,上表面中上游区域气动力对涡激力几乎无贡献,上表面下游区域气动力对涡激力的贡献与高雷诺数时相近,下表面区域和迎风面斜腹板区域气动力对涡激力抑制作用远小于高雷诺数时。特别是下表面与下游风嘴转角附近区域气动力对涡激力抑制作用远大于高雷诺数时,可推断这正是低雷诺数时涡振幅值远小于高雷诺数时的主要原因。     

高雷诺数下串列圆柱尾流致涡激振动的机理研究

多圆柱之间的气动干扰常导致结构发生尾流激振。为进一步澄清双圆柱之间的气动干扰机理,采用大涡模拟(LES)方法,在高雷诺数下(Re=1.4×105)研究了串列双圆柱(圆心间距为1.5~4倍直径)的表面风压分布、气动力系数和Strouhal数等气动性能与流场流态之间的内在关系,研究了上、下游圆柱气动力之间的相关性,从平均和瞬态流场角度讨论了气动干扰效应的流场作用机制,建立了下游圆柱的激励力模型并对尾流致涡激振动进行了算例分析。研究结果表明:数值模拟得到的气动性能和流场流态与试验结果吻合较好,说明在高雷诺数下大涡模拟方法能准确模拟双圆柱气动干扰现象;随着间距的增大,串列圆柱依次呈现单一钝体、剪切层再附和双涡脱等三种干扰流态;上、下游圆柱气动力之间的相关性会随着流态的不同出现较大波动,双涡脱流态时的升力相关性最强;单一钝体流态时,两个圆柱间隙中的回流会导致下游圆柱受到负阻力的作用;双涡脱流态时,下游圆柱的脉动升力远大于其他两种流态,也明显大于单圆柱,因而下游圆柱发生尾流致涡激振动的可能性最大。     

水泵水轮机飞逸工况下尾水管涡带演化研究

为研究水泵水轮机在飞逸工况下不同导叶开度时的水力不稳定性,以某抽水蓄能电站水泵水轮机为研究对象,基于Realizable k-ε湍流模型的非定常数值计算方法,对水泵水轮机七种不同导叶开度下的流动进行全流道计算。结合监测蜗壳进口、无叶区、转轮与顶盖之间以及尾水管处的压力脉动,研究了水泵水轮机在不同导叶开度下尾水管涡带的形态,及其对尾水管压力脉动的影响。结果表明:飞逸工况下,尾水管涡带与开导叶度关系密切;小开度下,涡带较明显且涡带形态不断撕裂重构并伴有局部回流;随开度增大,尾水管涡带的形态逐渐由紊乱无规则变为明显锥状,且随着开度的进一步增大涡带形状演变为粗壮螺旋涡带。大开度下,涡带近壁面旋向侧速度较大是导致直锥段壁面湍动能较大等能量损失的主要原因;尾水管涡带不断向下游输运,是造成水泵水轮机尾水管巨大压力脉动的关键因素。     

圆柱高Re数绕流特性的大涡模拟研究

采用大涡模拟方法研究了圆柱在Re=4.1×104下的绕流场,预测了圆柱表面的脉动压力平均值和RMS值,得到了与试验报道接近的阻力系数平均值和升力脉动RMS值,以及涡脱St数,表明了大涡模拟的有效性。揭示了圆柱涡脱的空间不同步和涡脱频率随时间的变化特征,以及涡脱能量的有限频率带宽分布;分析了圆柱表面θ=90°和θ=270°点脉动压力时程的统计特性,表明脉动压力的能量均集中在圆柱的漩涡脱落频率上。提出了基于θ=90°和θ=270°点脉动压力时程的互相关系数和RMS值,合理估算圆柱截面脉动升力RMS值的公式;基于圆柱表面脉动压力时程的相干性分析,揭示了圆柱升力和阻力产生的流动机理。     

不同约束情况下双矩形断面的涡振性能分析

双矩形断面间存在显著的气动干扰效应。通过开展一系列节段模型测振和动态测压风洞试验研究宽高比为5∶1的双矩形断面的涡振性能;经测振试验得到上、下游断面均固定、仅上游断面固定、仅下游断面固定和两幅断面均自由4种情况下双矩形断面的涡振响应;并从平均风压系数分布、脉动风压系数分布、分布涡激气动力与整体涡激气动力的相关系数、分布涡激气动力的贡献系数以及卓越频率处的涡激气动力系数幅值等时域和频域统计特性分析了双矩形断面的涡振机理。结果表明:两幅断面均自由时上游断面的涡振响应相比下游断面固定时有所减小,而下游断面的涡振响应相比上游断面固定情况下显著增大;固定与否对于下游断面竖弯和扭转涡振影响相比对于上游断面更加显著;双矩形断面迎风面和背风面分布涡激气动力对整体涡激气动力的的贡献较小,可以忽略其影响;上游断面下风侧区域以及下游断面上风侧区域的分布涡激气动力对整体涡激气动力的影响从相关系数、贡献系数以及卓越频率处的涡激气动力系数幅值等角度来看均较为显著。总体而言不同约束情况下统计参量分布较为类似,但数值上的差异不可忽略。     

Smagorinsky 常数对扁平箱梁气动特性大涡模拟的影响研究

作为大涡模拟（LES）的唯一模型参数,经验 Smagorinsky 常数（CS）与特定的流动条件有关。为研究扁平箱梁气动特性 LES 的合理 CS取值,开展了 CS值在 0.032~0.7 范围以及动态亚格子黏性模型的多工况 LES 模拟,通过与风洞试验结果的对比,分析了主梁气动特性随 CS值的变化。研究认为：CS值不同时主梁表面压力和气动力的平均值差别不明显,其结果也与风洞试验吻合良好;但 CS值的变化对主梁表面压力和气动力的均方根（RMS）值影响明显,结果也与风洞试验存在较大差异,CS值增大导致气动力脉动降低甚至无脉动;LES 采用动态亚格子黏性模型无法给出主梁涡脱和表面压力的合理估计。在 0.064≤CS≤0.27 区间,LES 均能给出与风洞试验一致的主梁涡脱单频和 St值估计;从捕捉流动的非定常特性考虑,建议 CS在上述范围内取小值。研究认为,CS增大导致亚格子湍流黏性增大,流动的耗散作用增强,降低了 LES 对非定常湍流特性的捕捉能力,导致模拟的气动力脉动量减小。     

一种基于充气气囊的垂尾抖振抑制新方法研究

通过数值模拟探索了一种运用充气气囊抑制双垂尾抖振的新方法。该文方法利用充气气囊可迅速充气变形的特点,在三角翼上翼面靠近顶点沿涡核的位置设置气囊。在小迎角下气囊不凸起,从而保证机翼前缘涡的强度以产生非线性涡升力;当大迎角抖振现象较严重时,迅速对气囊充气形成凸起,该凸起通过对前缘分离涡的强度和涡空间位置的影响,减弱涡破裂对双垂尾的非定常气动载荷激励,达到抑制抖振的目的。对某三角翼双垂尾布局模型的计算结果表明:气囊可以使前缘涡的涡核弯曲、扭转,减弱了前缘涡的强度,使前缘涡破裂点位置提前,在大迎角范围可将垂尾绕翼根的弯矩值显著减小,并且减小了垂尾表面压力脉动的幅度和对应的功率谱密度的峰值。因此,该文所探索的利用充气气囊抑制抖振的方法是一种简单可靠,并且值得进一步研究的技术途径。     

流线闭口箱梁涡振过程气动力时频特性演变规律

探究涡振机理是桥梁涡激振动效应评价与控制的重要前提。立足于涡振发展完整过程中多尺度气动力(宏观整体涡激力与局部分布压力)与结构效应同步演变特性分析,从涡激气动力及其对结构行为作用机制角度揭示涡振机理。以典型大跨度桥梁流线型闭口箱梁断面为研究对象,实现了弹性悬挂节段模型同步测力、测振和测压风洞试验,精确获取了整体涡激力时频演变特征。对涡振过程风速关键结点模型表面气动力进行分析,可知箱梁整体涡激力特性在涡振发生前、锁定区上升区、振幅极值点、下降区以及涡振后等不同时期具有明显的变迁历程:上表面下游、下表面下游与下游风嘴转角区域分布气动力对涡激力的贡献、整体涡激力幅值等均与涡振振幅呈正相关关系,与涡振振幅同时达到最大。在锁定区内,涡激力高次谐波成分显著变化。在振幅极值点时,二次谐波成分与基波的比例最小。总之,涡振过程气动力特性与涡振响应同步演化,尤其是上表面下游、下表面与下游风嘴转角附近区域气动力演变特性显著,前者对整体涡激力起主要增强作用,而后者对整体涡激力起主要抑制作用,这些区域气动力是引起涡振的主要原因。     

流线型桥梁断面表面脉动风荷载特性研究

气动力是大跨度桥梁抗风稳定性检算和振动分析的基础,流线型桥梁断面的气动力随雷诺数的变化问题是风工程研究和桥梁设计关注的问题。通过风洞试验,研究表面风压分布随雷诺数的变化规律,可以分析雷诺数效应发生的机理。通过刚性节段模型测压试验,获得了模型表面风压分布随雷诺数的变化,采用基于功率谱密度矩阵的特征正交分解方法,从频域上分析了结构表面的脉动压力场,解析了流线型桥梁断面表面脉动风荷载的主要分布形式和作用频率,分析了雷诺数变化对结构表面脉动压力场的影响。研究发现:流线型桥梁断面表面脉动风荷载的作用形式会随雷诺数的改变而改变,在特定位置流动分离和再附等现象会随雷诺数发生变化,从而影响整体的气动力和漩涡脱落规律。     

低出口压力下喷嘴内部空化流动模拟分析

采用Ansys Fluer软件并基于Schnert与Sauer空化模型,对出口压力小于10 Pa平口喷嘴内部的空化流动进行了模拟,研究了喷射压力和喷嘴直径对喷嘴内部蒸汽体积和湍动能分布的影响.结果表明,高喷射压力(10 MPa)对喷嘴内部蒸汽体积的作用减弱,喷射压力为10 MPa时,喷嘴出口径向上的蒸汽体积大于其它喷射压力下的蒸汽体积,可获得较好的空化效果;喷嘴内的湍动能随喷射压力的增加而增加;喷嘴直径对喷嘴内部的空化流动有很大的影响,喷嘴直径越小所产生的空化流动越强烈,对比其它直径的喷嘴,直径为0.1mm的喷嘴在出口处的蒸汽体积和湍动能较大,有助于雾化质量的提高.     

锥形涡及其诱导下的马鞍屋盖表面风荷载

通过刚性模型风洞测压试验,对锥形涡及其诱导下的菱形马鞍屋盖表面风荷载进行了系统研究:⒈分析了锥形涡诱导下的屋盖表面平均、脉动风压分布特点;通过脉动风压谱,着重分析了马鞍迎风前缘(易损区域)的平均、脉动风压分布机理。⒉通过风压信息确定了锥形涡的特征参数(涡核位置、作用范围),给出了定量结果;分析了锥形涡涡轴的左右摇摆运动,分别从定性和定量方面建立了锥形涡涡轴的运动与屋面吸力脉动之间的关系。⒊用测点风压时程的三、四阶矩对风压的非高斯特性进行描述,给出划分高斯、非高斯区的标准,并在此基础上对马鞍屋盖表面进行了分区;分析了锥形涡作用下屋盖表面风压非高斯特性的产生机理。     

矩形断面主梁涡激振动气动力展向相关性试验研究

桥梁主梁结构涡激振动具有三维特性,主梁涡激力沿展向并不完全同步。在均匀流场条件下针对宽高比为5的矩形断面主梁分别进行了振动状态和静止状态风洞试验,对其气动力、尾流风速、表面压力展向相关性等进行研究。结果表明:振动状态矩形断面主梁气动力展向相关系数比静止状态大,涡振锁定区内升力系数相关系数最大值位于锁定区间上升段而非振幅最大处。振动状态矩形断面主梁尾流区顺风向及竖向脉动风速展向相关系数小于其气动力展向相关系数;静止状态矩形断面主梁尾流区顺风向脉动风速和竖向脉动风速展向相关系数沿展向距离呈指数衰减,且不同风速下对应的衰减曲线比较接近。     

栏杆对典型桥梁断面涡激振动的影响研究

为了研究栏杆对典型桥梁断面涡激振动的影响,通过风洞试验分别研究了有无栏杆桥梁断面的涡激振动响应。裸梁断面风洞试验没有发生涡激振动,上下表面的脉动压力对涡激振动的贡献很小。栏杆断面风洞试验则发生了明显的竖向涡激振动现象,上下表面中下游脉动压力对涡激振动贡献较大。栏杆使得上表面的来流分离更彻底,改变了上表面的压力系数均值,但不能改变下表面的压力系数均值,栏杆不仅能够改变上表面的压力脉动情况,同时也显著增大下表面的压力脉动幅值。     

高速列车头车安装裙板后流场与气动噪声特性

运用涡声理论和声类比方法,计算分析了转向架舱外安装裙板后高速列车头车简化模型的空气动力与气动噪声特性。基于延迟分离涡模型获得的近场流场被用于预测远场声辐射。结果表明,流体通过头车时形成了不同尺度和方向的复杂涡结构,上游几何体周围产生的湍涡向下游传播并与下游几何体相互作用,从而在头车尾部形成高湍流度尾迹。头车几何体近壁流场内形成的四极子噪声中,体偶极子声源高于体四极子声源,成为四极子主要声源。头车鼻锥、转向架、转向架舱后壁面以及尾部等部位的涡脱落、流动分离和流体相互作用剧烈,涡结构发展集中,几何体表面压力脉动变化显著,诱发形成偶极子气动噪声源。转向架舱外侧安装裙板后,在沿转向架中心的水平面内,后转向架部位辐射的气动噪声较前转向架强;头车沿线路侧向辐射的气动噪声强度分布较均匀,头车端部产生的气动噪声略高于头车尾部。裙板减弱了转向架区域流动冲击与湍流脉动,降低了头车气动噪声的产生与辐射。