高雷诺数下错列双圆柱气动干扰的机理研究EI北大核心CSCD

为了进一步澄清小间距错列双圆柱的气动干扰机理,该文采用大涡模拟方法,在高雷诺数下(Re=1.4×105),研究了间距为2倍圆柱直径的错列双圆柱的气动性能和流场特性随风攻角的变化规律,分析了两个圆柱气动力系数相关性,探讨了下游圆柱气动力与流场结构的内在联系,对下游圆柱平均升力的流场机理提出了新的解释。研究表明,大涡模拟得到的结果与风洞试验值吻合良好;下游圆柱的气动性能、流场结构和两个圆柱气动力相关性均会随风攻角发生剧烈变化;风攻角在0°~10°时,下游圆柱受平均负阻力作用,其原因分别为两圆柱间的回流区和间隙流;风攻角在10°附近时,下游圆柱受很大平均升力作用,风压停滞点偏移、两圆柱间高速间隙流、下游圆柱间隙侧剪切层的提前分离和再附是平均升力出现的三个因素。     

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。     

大跨度缆索承重桥并列索尾流激振研究

近距离并列索(并列吊索和并列斜拉索)在大跨度缆索承重桥中应用广泛,下游索常会发生尾流致涡激共振、尾流驰振和尾流颤振等尾流激振。以间距为4 D(D为圆柱直径)的串列和错列双圆柱的尾流致涡激共振和尾流驰振为研究对象,在风攻角为0°~20°的条件下,主要通过风洞试验研究了下游圆柱发生尾流激振的起振条件、振动幅度和运动轨迹,研究了提高结构阻尼比的减振效果,讨论了尾流驰振的雷诺数效应,结合静止双圆柱绕流场的大涡模拟结果对尾流干扰机理进行了探讨。研究表明:在某些风攻角下,下游圆柱的尾流致涡激共振振幅远大于单圆柱涡激共振振幅;在0°以外的其他风攻角下,下游圆柱均发生大幅尾流驰振,但小攻角(5°和10°)与大攻角(20°)下的尾流驰振现象有明显差别,很可能存在不同的流场激励机理;风攻角为15°时,下游圆柱的尾流驰振有明显的雷诺数效应,其动力响应特性与经典驰振不同,下游圆柱起振后的振幅和运动轨迹随雷诺数(风速)的增大呈现复杂的变化形态;提高结构阻尼比可有效抑制下游圆柱的尾流致涡激共振,但对尾流驰振的减振效果不佳。     

缆索承重桥并列索平均气动性能的雷诺数效应

近距离并列吊索和并列斜拉索在大跨度缆索承重桥中有广泛的应用,但目前在计算并列索静力风荷载时只考虑顺风向阻力的影响,没有考虑因尾流干扰所产生的横风向升力的作用。通过风洞试验,在雷诺数Re= 0.9×105~4.6×105（涉及亚临界雷诺数区和临界雷诺数区）研究了多种不同相对位置的并列双圆柱的平均阻力、平均升力和斯特罗哈数随雷诺数的变化规律。研究结果表明:并列圆柱的平均气动性能有强烈的雷诺数效应,临界雷诺数下的气动力系数与亚临界区有很大的差异;在临界雷诺数区域,下游圆柱的平均升力系数会随雷诺数的增大发生不连续突变,这种气动力的突变很可能与双圆柱绕流场的流态结构的演变有关;受上游圆柱的尾流干扰,在临界雷诺数区域内下游圆柱的平均升力系数可达到1.25以上,远大于下游圆柱的平均阻力系数,因而在计算并列索静力风荷载时有必要考虑横风向平均升力的作用。     

双矩形拱肋间的气动干扰效应研究

以某拱桥为例,通过数值模拟研究了串列双矩形拱肋的气动干扰效应,及其对两截面气动力系数的影响。在对计算模型进行验证的基础上,进一步研究了截面宽高比、间距比和来流风攻角对拱肋周围流场的影响,并结合压力云图和湍动能云图解释了气动力系数的变化规律,讨论了不同宽高比截面的漩涡脱落频率与结构自振频率之间的关系,分析了两拱肋升力时程的差异对整体扭矩可能产生的增大效应。结果表明：串列拱肋间的气动干扰效应显著。受上游截面尾流的影响,下游截面的阻力系数明显减小,其值与漩涡的形态、能量大小、移动轨迹等因素密切相关。上、下游截面的升力时程在幅值和相位上存在明显差异,导致拱肋整体的力矩增大,其效应随宽高比或间距比的增大而明显加强,随风攻角的增大而有所降低。漩涡脱落频率随宽高比的增大呈先增大后减小的趋势,而受间距比、风攻角的影响有限。对漩涡脱落频率与宽高比的变化进行多项式拟合,结合结构的模态频率可为拱肋的气动外形设计提供参考。     

刚性联结串列双圆柱尾流致涡激振动研究EI北大核心CSCD

为了研究刚性联结对串列双圆柱尾流致涡激振动的减振效果及其流场作用机理,以圆心间距为4D(D为圆柱直径)的无联结及刚性联结串列双圆柱为研究对象,在雷诺数Re=150时,采用数值模拟方法研究了刚性联结对圆柱振幅、振动轨迹和锁振区域的影响规律,分析了振动响应和气动力之间的内在联系,探讨了两类圆柱振动差异背后的流场机理。研究表明:刚性联结对串列双圆柱的尾流致涡激振动有一定的减振作用,提高了发生涡激振动的起振风速,减小了发生涡激振动的折减速度范围,降低了下游圆柱的振幅,但上游圆柱振幅略有增加。发生尾流致涡激振动时,无联结串列双圆柱和刚性联结串列双圆柱的的流固耦合机制不同,两者的尾流模态有很大差异。     

既有桥梁对邻近新建桥梁三分力系数的气动干扰效应

以某一主跨310m的独塔斜拉桥扩建工程为背景,通过节段模型测力风洞试验研究既有桥梁对其邻近新建桥梁三分力系数的气动干扰效应,引入气动干扰因子研究新建桥梁三分力系数受邻近既有桥梁影响的规律,并利用CFD手段从流场的角度定性的解释了产生干扰现象的机理。研究结果表明:既有桥梁对新建桥梁在施工和成桥运营阶段的三分力系数可能会产生十分显著的影响,并且新建桥梁三分力系数气动干扰因子随风攻角的改变在成桥和施工阶段呈现相似的规律性变化;阻力系数气动干扰因子随着风攻角绝对值的增大而增大;升力系数气动干扰因子随风攻角的增加呈递减的变化趋势,升力矩系数气动干扰因子随风攻角的变化规律较不明显。     

宽高比为5的矩形断面梁气动力展向相关性研究

针对宽高比为5的矩形断面梁进行了节段模型测压风洞试验,研究了气动力的展向相关性随展向间距和来流风攻角的变化规律。研究结果表明:气动力的展向相关系数随展向间距的增大而逐渐减小;在同一展向间距下,升力的展向相关系数最大,扭矩的展向相关系数次之,阻力的展向相关系数最小。升力和扭矩的展向相关系数在0°风攻角时最大,且随着风攻角的增大而减小。     

台湾后龙溪桥风洞试验研究与静风响应分析

摘 要：通过风洞试验研究了台湾后龙溪桥气动稳定性;获得了混凝土梁和钢梁两种断面发生涡振的条件、涡振锁定风速范围及涡振振幅;对自然界和风洞中的风轴和体轴异同进行了区分;实测了两种断面的静气动力系数;最后进行了非线性静风荷载响应分析。研究结果表明：实桥风速达到135m/s,不会发生气动失稳;钢梁和混凝土梁断面+3°攻角时在均匀流场中会发生竖向和扭转涡振,扭转涡振风速锁定风速很高,而且范围很宽;在紊流度约为10％风场中,攻角在-3°～+3°范围内,未观测到明显涡振;由静风荷载引起的主梁附加攻角很小,风荷载非线性对主梁扭转位移和侧向位移影响很小,而对竖向位移影响相对较大,原因是竖向风荷载引起主缆刚度改变。     

悬索桥双吊索尾流致涡激振动的大涡模拟

双吊索在大跨度悬索桥上应用广泛,在强/台风作用下,下游吊索常发生尾流激振。采用大涡模拟法,对雷诺数为1×10~4～4×10~4的串列双圆柱尾流致涡激振动进行数值模拟,研究了振动特性和流场流态随折减风速的变化规律,探讨了下游圆柱的动力响应、绕流场特性以及气动力三者之间的耦合关系,分析了尾流致涡激振动的流场干扰机理。结果表明:大涡模拟结果与风洞试验结果吻合良好,在某些折减风速范围内,下游圆柱会发生较大幅度的尾流致涡激共振;在下游圆柱的横风向振幅逐渐增大过程中,位移的瞬时相位领先于升力,在一个振动周期内升力对下游圆柱做正功,而位移与升力之间的相位差则逐渐增大;当发生涡激共振时,上游圆柱的尾流对下游圆柱有两种干扰形式:当下游圆柱偏离平衡位置时,从上游圆柱脱落的旋涡与下游圆柱的剪切层发生相互作用;而当下游圆柱在平衡位置附近时,上游圆柱的旋涡会撞击到下游圆柱迎风面。     

Studying the Dependence of the Aerodynamic Characteristics of Rotating Cylinders on the Rake Angle of Air Flow

The results of experimental studies on estimating the lift force and lift coefficient of a rotating cylinder of constant cross section are presented. The data on the effect of the flow rake angle on the aerodynamic characteristics of rotating cylinders within a range of angles from 0° to 90° are analyzed. It has been established that a decrease in the lift coefficient is observed at flow rake angles above 30°, so the wind engine element shows a positive result within a range of rake angles from–30 ° ≤ α ≤ 30°. The data of these experimental studies can be used for the development of wind engines with blades designed as rotating cylinders with a smooth surface.     

串列多圆柱气动力干扰效应的试验研究

通过刚性模型测压风洞试验,在均匀流场中对比研究了不同数量和不同间距串列多圆柱气动力的干扰效应。串列多圆柱两相邻圆柱的中心距L与圆柱的直径D之比L/D的变化范围为1.2~12.0。圆柱数量的变化范围为1~4。试验的雷诺数为3.4×10⁴。试验结果发现:串列多圆柱发生流态切换的临界间距比(L/D)cr为3.5~4.0,在临界间距附近,前两个圆柱的时均阻力系数和脉动升力系数突升,其余圆柱则突降,所有圆柱的斯托罗哈数均突升;气动干扰对串列多圆柱时均阻力系数和斯托罗哈数的影响主要表现为减小效应;后方干扰圆柱数量的增加对上游第一个圆柱气动力的影响基本可以忽略;前方干扰圆柱数量的增加对下游最后一个圆柱的气动力影响显著。     

双圆柱尾流致涡激振动的质量比效应及其机理

双圆柱尾流激振受多种因素影响,情况复杂,质量比m*(相同体积的圆柱与流体质量的比值)对双圆柱尾流激振的影响规律尚未澄清。采用数值模拟方法,在低雷诺数下(Re=100),研究了三种质量比(m*=2,10,20)对串列双圆柱尾流致涡激振动特性和尾流流场结构的影响规律,分析了下游圆柱的升力与位移的相位差,探讨了涡激升力与能量输入的内在联系。结果表明:质量比对串列圆柱尾流致涡激振动有重要影响。随着质量比的增大,横流向最大振幅减小,并发生在较小折减速度下,振动锁定区域范围变窄;质量比越小,升力与位移之间的相位差对下游圆柱振幅的影响越显著;在较小质量比时尾流出现“2S”、不规则和平行涡街模态,而在较大质量比时只有“2S”和平行涡街模态。     

串列双圆柱静止绕流的二维数值仿真分析

利用CFX软件建立二维流场模型,采用有限体积法针对串列双圆柱的静止绕流现象进行了数值模拟计算。首先计算了雷诺数Re=200,不同间距时上下游圆柱的斯托罗哈数,并与参考文献的计算结果进行了对比,证明了该文计算的可靠性。然后分析了不同间距时上下游圆柱的升力系数和阻力系数的变化特点,得出了Re=200时双圆柱绕流的临界间距在3.375D~3.5D之间。最后通过对不同间距下流场变化的研究得出:上下游圆柱的间距小于临界间距时,上游圆柱不存在旋涡脱落;超过临界间距时,上游圆柱出现旋涡脱落;下游圆柱始终存在旋涡脱落现象。研究成果能够为计算流体力学和空气动力学技术的发展提供理论基础。     

串列双方柱干扰效应流动机理研究

为了研究建筑群体周围的流场结构,减小工程设计中由于干扰效应造成的损失,利用粒子图像测速(PIV)结合数值模拟,研究在较大雷诺数及不同间隙工况下,双方柱流场受干扰时的流动特性及流场空间结构。分析升阻力系数、涡脱频率、斯特劳哈尔数等流场特征参数,探究不同间隙对串列双方柱的影响。当Re=3.42×104时,存在临界间隙比G=4使串列双方柱流场结构发生突变,试验观察到流场中出现双稳态现象;当G<4时,下风向方柱平均阻力系数为负值,小于单方柱情况下的阻力,屏蔽效应明显,上风向方柱后方涡脱落被抑制,平均阻力系数出现了明显的降幅,最大降幅约达10%;当G>4时,上下方柱均有涡旋脱落。该结果对于工程应用具有参考意义。     

并列方柱升阻力的被动流动控制研究

研究了Re数为200的情况下小方柱对并列双方柱的流动控制.并列双方柱的间隔比为1.5D(其中D为大方柱的边长),控制小方柱放置在并列双方柱下游L/D=1.0-2.0的位置;数值模拟采用分裂格式的有限元方法.结果表明,放置在适当位置的小方柱不仅可以显著抑制并列双方柱的漩涡脱落,而且可以降低脉动升阻力.     

振动圆柱绕流气动力系数的数值模拟研究

给出了在锁定状态下不同振动条件时气动力系数变化的计算结果及其机理分析。首先给出固定圆柱绕流气动力系数的数值模拟结果；其次，在特定的频率比条件下，计算了升力系数均方根值和平均阻力系数随振幅的变化，并从圆柱的底部压力系数和漩涡生成长度两方面对这种变化进行了机理分析。     

倒角切角对方柱气动性能影响的大涡模拟研究

倒角和切角措施对方柱的气动力及流场影响很大,常作为方柱流动控制的手段,采用大涡模拟方法,以雷诺数22000的方柱为研究对象,考虑了角部措施(角部变化率10%)的影响,对均匀流场下标准方柱、倒角和切角方柱周围流场及气动性能进行了模拟研究。通过将标准方柱大涡模拟结果与相关文献的试验和数值模拟结果对比,验证了该方法及参数取值的有效性;研究分析了倒角和切角措施对方柱风压分布和气动力的影响,并着重从时均流场和瞬态流场角度分析了角部处理措施对方柱气动性能的影响机理。结果表明,倒角和切角措施对方柱表面风压分布和气动力均有一定影响,其中对方柱表面流动分离区的风压系数影响更为显著。采用角部处理措施后,方柱前缘角区的流动分离受到影响,分离剪切层扩散角更小,侧面的分离涡更贴近壁面,从而在方柱侧面形成再附,尾流变窄,旋涡脱落频率成分更为复杂,使得方柱的平均阻力系数更小,气动力脉动强度更弱,旋涡脱落频率更高、强度更弱。     

Power-law fluids flow and heat transfer over two tandem square cylinders: effects of Reynolds number and power-law index

The low-Reynolds numbers free-stream flow of power-law fluids and forced convection heat transfer around a square cylinder and two square cylinders in a tandem arrangement are numerically investigated. In the single cylinder case, the power-law index and Reynolds numbers range from n = 0.7 ? 1.4 and Re = 60 ? 160 at Pr = 0.7. In the tandem case, the spacing between the cylinders is four widths of each cylinder side and the power-law index ranges from 0.7 to 1.6 at Re = 40, 100, 160 and Pr = 0.7. All simulations are performed with a finite volume code based on the SIMPLEC algorithm and a non-staggered grid. The effect of spatial resolution on the results is also studied for a single cylinder and tandem cylinders. The mean and instantaneous streamlines, vorticity and temperature contours, the global quantities such as pressure and friction coefficients, the rms lift and drag coefficients, Strouhal and Nusselt numbers are determined and discussed for various power-law indexes at different Reynolds numbers. A comparison between the results of the single cylinder case and the two cylinders in tandem arrangement shows that there are relatively similar results for the single cylinder and the upstream cylinder of the tandem case.