湍流积分尺度对高层建筑风荷载影响的大涡模拟

为研究湍流积分尺度对高层建筑风荷载大小和分布的影响,研究其合理取值,基于大涡模拟开展了B类地貌不同湍流积分尺度下CAARC（commonwealth advisory aeronautical research council）标准高层建筑模型绕流模拟,并将模拟结果与风洞试验进行了比较.研究结果表明:大涡模拟能较好地反映高层建筑周围风场绕流特性和表面风压分布.随着湍流积分尺度的增大,平均运动的变形率向湍流脉动输入能量,以致平均风速降低、湍流强度增大;侧面风压脉动性降低15%、分离流附着提前出现;基底扭矩谱和弯矩谱的峰值及高频段幅值均减小;层斯托罗哈数在0.4倍建筑高度以下基本相同,随高度的增加其值下降20%~30%;层平均阻力系数下降5%~10%;迎风面风压系数平均值下降2%~5%,侧面和背面下降12%~17%.湍流积分尺度对迎风面和侧面上风向的风压水平相关性、层升力和0.8倍建筑高度以下的层阻力相关性的影响可以忽略.随湍流积分尺度的增大,风压水平相关系数增大,背风面增大5%~10%,侧面下风向增大15%~25%,0.8倍建筑高度以上层阻力相关性系数增大25%~50%.B类地貌湍流积分尺度的调整系数为0.4时,计算得到的风荷载与试验结果趋于一致.      

激光雷达距离成像精度改进方法

成像激光雷达是一种有源成像系统,使用脉冲激光发射器和面阵接收器产生3D距离图像,具有广范围精度和宽范围门等特性。文中通过静态弥散宽度对图像模糊的影响分析,提出了时间分辨信号分布模型和改进范围精度分析方法。通过激光雷达测距系统试验分析表明,利用该模型得到的最佳静态弥散宽度对距离成像精度有显著影响,能够在白天强背景环境下对室内和室外的10 m和1700 m目标进行距离成像。在室内成像中,当静态弥散宽度为43.4μm时获得的最优测距精度为0.06 m,在室外成像中,获得了测距误差为0.25 m的分米级3D图像。该方法能够有效地提高激光雷达成像距离和成像精度,从而提高交通流测距和测速的精度。     

积分尺度对矩形迎风面脉动风压特性的影响

为了研究来流紊流积分尺度对矩形断面高层建筑迎风面脉动风压及其分布特性的影响，选取2∶1和1∶2矩形为对象，通过风洞测压试验，对不同积分尺度紊流场中矩形迎风面的平均风压系数及脉动风压均方根系数、脉动风压相关函数和相干函数、脉动风压功率谱进行了对比分析. 研究结果表明:对于矩形同一高度处，脉动风压功率谱在低频区始终受准定常效应控制，而在高频区脉动风压功率谱随积分尺度的增大而增大；风压的相关性高于风的相关性，风压的相关函数与相干函数也随积分尺度的增大而增大，但相关宽度随积分尺度的增大而减小；脉动风压均方根系数随积分尺度的增大而增大；对于同一流场中矩形不同测点处，离驻点越远，风压相关函数和相干函数越小，脉动风压均方根系数越大；来流紊流积分尺度对平均风压系数的影响较小.      

超高层建筑气动噪声场的大涡模拟

为揭示超高层建筑气动噪声产生的机理及空间分布特征,利用大涡模拟,在大气边界层内求解超高层建筑绕流场,结合FW-H （Ffowcs Williams-Hawkings）方程的声类比法进行了超高层建筑周围声压场的数值模拟. 研究发现:超高层建筑每个面均是偶极子声源,气动噪声是由建筑表面的偶极子声源产生,且受建筑表面风压主导,顺流向和横风向的脉动压力分别主导相应方向的声场辐射强度; 气动噪声沿高度方向先增大后减小,在0.7倍建筑高度附近噪声达到最大值; 在相同高度和离建筑表面相同距离的不同空间点,当空间点面对建筑迎风面时总声压级最大、背风面次之,侧风面最小; 随着空间点与建筑距离的增大,空间点总声压级快速衰减,且横风向较顺风向衰减更快. 研究认为:大涡模拟和声类比相结合的方法能合理预测超高层建筑的气动噪声;优化气动外形,降低建筑表面风压是降噪的最有效途径.      

基于FLUENT的直流漏沙式风沙风洞研究

目前的风沙风洞大多适用于风沙地貌、风沙环境的研究以及防护治理，而用于结构风工程的风沙风洞很少,因为其需要在一定高度处能够实现风速和风沙浓度可调的均匀稳定段.为了研究直流漏沙式风沙风洞中风沙流的分布规律，运用FLUENT建立风洞模型，通过对已有的漏沙风洞试验进行数值模拟，验证了模型的正确性.进一步基于风洞风速、漏沙体积分数、漏沙速度等参数对风洞风沙流的影响规律，提出了一种新型的水平多口风洞漏沙装置.对该风沙风洞的分析表明:在试验模拟浓度的范围内，风洞风速越大，同一位置的沙粒分布高度越高；漏沙体积分数和漏沙速度主要影响单位时间内进入风洞的沙粒质量，且试验位置沙粒浓度的峰值与单位时间进入风洞的沙粒质量成正比；该风沙风洞可以得到约1/2风洞高度的沙粒浓度均匀试验段，并可以通过调节漏沙体积分数、漏沙速度和试验位置可得到试验所需的试验风速及对应的沙粒浓度，使其能很好地完成风工程中的风沙定量试验.      

仿粒突箱鲀的起重机箱梁风荷载减载设计方法

风荷载是起重机大车运行时的重要载荷，主梁作为起重机的主要挡风构件，针对主梁的减载设计可以有效地降低起重机运行能耗，本文以粒突箱鲀的结构为启发，探究起重机箱梁风荷载的仿生减载设计方法. 首先运用灰度转换、二值图像转换及边缘检测方法提取箱鲀鱼嘴特征廓线，获得以箱梁特征高度为设计变量的仿生设计模型，然后通过箱梁迎风面附着轻质材料的方式实现传统起重机箱梁的仿生设计，并运用计算流体力学软件（FLUENT）对仿生设计进行评估. 研究结果表明:以某40 t集装箱起重机箱梁为例，采用聚苯乙烯泡沫作为轻质贴附材料的仿生箱梁较传统箱梁结构风阻减小65.77%，而仿生贴附结构仅使箱梁增重2.28%；仿生箱梁的流线外型减轻了由迎风面处边界层分离带来的流场扰动，降低了结构的气动力脉动值，提高了起重机在风场中运行的平稳性.      

落石冲击下无回填土拱形明洞结构可靠度设计王玉锁，徐铭，王涛，王志龙，何俊男，周良

为提供一种结构可靠度设计方法，根据落石冲击下无回填土拱形明洞结构失效破坏特征，将结构局部失效范围部分简化为四边固支方形钢筋混凝土板结构，利用塑性极限原理按刚塑性板进行准静态极限荷载计算，得到结构极限承载力即抗力.将离散元颗粒流数值模拟方法得到的落石冲击力最大峰值作为钢筋混凝土板顶部落石冲击力，通过回归分析，得到用落石重力势能的幂函数表示的落石冲击荷载表达式.将得到的结构抗力与落石冲击荷载联立得到极限状态方程，利用MABLAB软件编程求得结构可靠指标，通过与目标可靠指标的比较，进行结构可靠度设计与优化.利用所建立的结构可靠度设计方法，对某客专双线拱形明洞设计进行了可靠度检算，结果表明，当落石高度为5-15 m、落石重量为1-2 kN时，原设计明洞结构可靠指标能达到4.2;当将原设计的C35混凝土调整为C40,钢筋由HRB335调整为HRB500后，落石高度为5-20m、落石重量为1-2kN范围时的结构可靠指标能达到5. 4以上.     

重庆万豪国际会展大厦风效应试验研究

重庆万豪国际会展大厦是高度达303m的超高层钢结构，其基阶频率仅0．1234Hz，为了准确确定风荷载及其风致响应，对其进行了风致安全性及舒适性评估．采用风洞模型试验方法，对场地大气边界层进行了模拟；通过测压模型风洞试验测量风压系数的分布，并计算静风荷载；用气动弹性模型测量风致响应，包括大厦顶部的位移响应、加速度响应和角速度响应，并计算动风荷载．此外，还讨论了周边环境建筑对其风效应的影响．研究表明，周边建筑环境对大厦的静力和动力风荷载均有较大影响，在设计风速范围内不会产生驰振现象，其顶部加速度和角速度均小于限值，舒适性满足规范要求．     

横风下复线路堤高度对高速列车气动性能的影响

利用Creo软件建立了某型动车组头中尾3车编组和不同高度的路堤模型,通过Fluent软件模拟列车在车速分别为300和350 km·h-1,横风风速分别为17.10、20.70、24.40和28.40 m·s-1的环境下运行,将获取的高速列车气动力载荷施加到Simpack建立的动力学模型中,计算其动力学性能参数;深入分析了横风工况下高速列车在不同高度复线路堤背风侧运行时车体的压力分布、气流场结构、气动力与风致安全性,并重点探究了头车在不同运行速度和横风风速下的运行安全性。分析结果表明:在相同车速和横风环境下,随着路堤高度的增加,列车受到的侧向力整体呈增大趋势,尾车在横风作用下受到反向侧向力,头车所受侧向力最大,且升力持续增大,中间车所受升力相对较大,尾车所受阻力最大;横风环境下列车压力峰值点位于头车鼻尖处且向迎风侧偏移,各路堤高度工况下气流场结构基本相同,头车背风侧和底部转向架处有明显的涡流,但尾车处的涡流却在迎风侧,这可能是导致尾车反向侧向力的主因;脱轨系数、轮轴横向力、轮轨垂向力和轮重减载率均随路堤高度和横风风速的增大而增大,轮轨垂向力始终在安全限值内,当横风风速分别为24.40和28.40 m·s-1时,列车运行速度应分别低于350和300 km·h-1,以保证列车行车安全。      

潜入式波浪能摩擦纳米发电装置的仿真分析

为了水下小型海洋观测设备持续供电方式有更多选择,本文设计了一种新型潜入式波浪能摩擦纳米发电装置,该装置包括浮筒、摩擦纳米发电机和固定海底的底座.通过静电学和浮子振荡模拟仿真,对发电状态进行研究,得到不同波浪高度下摩擦纳米发电装置的V-Q-I-C-t的关系.通过数据分析发现,波浪高度增加时,最大开路电压、短路时最大转移电荷量和最大短路电流的值会相应呈线性的增加;电容最大值不变,最小值基本呈抛物线趋势减小.波高为0.5 m、1 m、1.5 m、2 m时,装置最大瞬时功率可达0.000 018 W、0.000 038 W、0.000 051 W、0.000 061 W,最佳负载电阻值约为160 MΩ、240 MΩ、300 MΩ、400 MΩ.     

侧风环境下考虑行车安全的路堤风速场研究

为研究侧风环境下路堤风速场,建立了有限元模型,对不同高度路基风速场进行了仿真分析;现场实测了侧风环境下的路基风速变化规律,验证了仿真结果的正确性。提出了影响行车安全的计算风速区域。结果表明:路基越高局部风速的增强就越大,上风侧路肩和行车道风速增强最明显,对行车安全影响越大。研究结果提供了侧风环境下高大路堤行车安全的理论基础。     

基于风致响应的高层建筑等效静力荷载研究

为研究风荷载作用下高层建筑动力响应对其顺风向等效静力风荷载的影响,基于结构风致响应动力学理论、脉动风速功率谱密度函数与相干函数的维纳辛钦关系及脉动风速准定常关系,采用随机振动振型分解方法对高层建筑的风致响应进行了研究. 首先,对高层建筑的平均风响应、背景风响应和共振风响应进行了理论分析,并推导出了沿结构高度分布的高层建筑顺风向等效静力风荷载理论计算公式;其次,通过对理论公式中各参数对计算结果的影响进行分析,提出了便于实际应用的高层建筑顺风向等效静力风荷载简化计算方法;最后,设计了4个典型高层建筑算例模型,并与阵风荷载因子法（gust load factor method,GLF）和惯性风荷载法（inertial wind load method,IWL ）进行对比,研究了本文方法的可靠性和有效性. 研究结果表明:当结构高度小于250 m时,3种方法所计算出的分布风力、剪力响应和弯矩响应偏差要大一些,GLF法计算结果最大,IWL法的计算结果最小,本文方法介于二者之间;当结构高度大于350 m时,分布风力的偏差在15%以内,对于剪力响应和弯矩响应的偏差在10%以内;本文方法与IWL法在剪力响应方面的差异率在–1%～18%之间,与GLF法的差异率在–12%～5%之间;本文方法与IWL法在弯矩响应方面的差异率在–6%～10%之间,与GLF法的差异率在–16%～5%之间.      

格库铁路HDPE板栅栏有效防护距离

以格库铁路现场风沙试验段为研究对象, 运用数值模拟方法研究了HDPE板栅栏周围的风沙流场, 给出了不同初始风速下HDPE板栅栏有效防护距离与其孔隙率和高度的关系, 研究结果表明: 气流经过HDPE板栅栏时, 气流速度在栅栏前降低较快, 在栅栏后恢复较快, 经过一段距离后逐渐恢复到初始风速, 气流速度整体呈V形分布, 气流速度增减幅度随HDPE板栅栏孔隙率的增大逐渐减小; 在同一孔隙率下, 初始风速分别为6、24 m·s-1时, HDPE板栅栏背风侧回流区相差4.5倍HDPE板栅栏的高度; 孔隙率为60%时, 最小气流速度为8.9 m·s-1, HDPE板栅栏背风侧回流消失; 随着HDPE板孔隙率的增大, 最小气流速度逐渐增大; HDPE板栅栏的孔隙率存在不产生栅栏背风侧回流区的界限孔隙率, 为40%~60%;孔隙率小于50%时, 随着HDPE板孔隙率的增大, 有效防护距离逐渐增大, 孔隙率大于50%时, 随着HDPE板孔隙率的增大, 有效防护距离逐渐减小, 当孔隙率趋于100%时, 其有效防护距离趋于0, 因此, HDPE板栅栏的最优孔隙率为50%;随着高度的增加, HDPE板栅栏背风侧恢复到初始风速的距离增加, 同一风速下, 孔隙率为50%的HDPE板栅栏的有效防护距离是孔隙率为25%的HDPE板栅栏的1.35倍; 在现场布设HDPE板栅栏时建议使用40%~50%孔隙率的栅栏, 在经济条件允许的情况下可考虑适当增加栅栏高度, 以保证路基免受风沙侵蚀。      

高速铁路挡风墙高度和距离优化分析

为探讨挡风墙对列车横向气动性能的影响,基于可压缩粘性流体Navier-Stokes方程和k-两方程湍流模型,采用有限体积法,计算了列车在直线和不同半径曲线线路上运行时,不同挡风墙高度和距离的275种工况下列车侧向力和侧翻力矩,获得了最佳挡风墙高度和距离.研究结果表明:在列车速度为200~400 km/h,风速为20~40 m/s的条件下,列车在直线线路上运行的最佳挡风墙高度和距离分别约为1.90和3.90 m;当弯道半径为1 000~7 000 m时,曲线线路最佳挡风墙高度随弯道半径增大线性减小,最佳挡风墙距离与弯道半径关系不大,约4.50 m;风速和列车速度对挡风墙的最佳高度和最优距离影响很小;如果挡风墙高度过低或距离过近,头车和尾车所受侧向力和侧翻力矩方向不同.