平流层飞艇气动阻力的数值模拟及公式拟合

该文以某中间有圆柱段的平流层飞艇为研究对象,在验证数值模拟方法的基础上,分析了尾翼、长细比、高度及雷诺数对飞艇气动阻力的影响。基于参数分析,采用TableCurve3D软件拟合给出了该艇型在水平姿态下的气动阻力系数估算公式,且给出攻角对公式的修正。研究表明:水平姿态下,平均风压系数沿着艇体头部逐渐减小,中间圆柱段保持稳定,沿着尾部逐渐增加;沿着艇体方向,风压系数曲线斜率拐点出现在各段连接附近。尾翼及艇体对阻力系数的贡献值随着俯仰角的增大而增加,但艇体是主要的贡献者;气动阻力系数随着长细比和高度的增加呈现先减小后增加趋势,随着Re数（1.0×107~2.0×108）的增加而递减。     

圆柱体带空泡轴向绕流研究

研究了不同长细比圆柱体水下运动产生空泡的形态及带空泡绕流的阻力。长细比不影响圆柱体产生的空泡形态。圆柱体绕流从局部空泡发展到超空泡绕流后,压差阻力系数减小,摩擦阻力系数减小至趋于零,总阻力系数几乎和压差阻力系数一样。空化数较高时,随长细比增大,阻力系数先减小后增大;空化数较小时,相同空化数条件下,其阻力系数基本趋于一致,空化数越小,阻力系数越小。     

水下航行体通气超空泡形态及阻力特性试验研究

利用中速空泡水洞开展了通气超空泡试验,并利用已有的经验公式得到了通气空化数,对通气超空泡形态及阻力特性进行了研究。研究表明,通气超空泡的长度和长细比都随通气空化数的增大而减小,航行体阻力系数则随长细比增大而减小。在流速恒定情况下,随通气率的增大,通气空化数逐渐减小,呈指数规律衰减。通气空化数越小,超空泡航行体的减阻效果越好,速度越大,超空泡减阻效果越明显。随通气空化数的减小,超空泡航行体尾部沾湿区域阻力系数也逐渐减小。     

三主桁断面车-桥气动特性的风洞试验研究EI北大核心CSCD

为研究三主桁断面车-桥组合系统的气动特性。以某大跨度斜拉桥为工程背景,采用节段模型风洞试验,通过开发的车-桥气动力同步测试装置对车-桥组合状态下各自的气动力进行测试,研究了线路位置、双车交会间距、风攻角等因素对车-桥系统气动特性的影响,分析紊流来流对车-桥气动特性的影响,并讨论列车气动导纳的特征。结果表明:由于绕流剪切层的影响,靠近迎风侧车辆阻力系数大于其他线路,线路2上列车的升力系数最大;双车交会时,背风侧车辆的阻力系数和升力系数随交会间距的增大而增大;受桁架自身绕流的影响,紊流来流对列车气动力功率谱影响较小;阻力和升力的气动导纳随折减频率呈现先增后减的趋势。     

蒙皮波动对飞艇阻力的影响

通过求解雷诺平均Navier-Stokes方程,采用SST两方程湍流模型,研究了蒙皮以不同波长、频率以及波幅作波动时对飞艇流场特性产生的影响。研究结果表明:沿流向蒙皮的波动会引起绕飞艇流场的显著改变。当蒙皮上下表面的波动同相位时,在固定波动幅度和频率条件下,波动的波长减小,流动分离会加剧,时间平均的阻力系数增加;在固定波动波长和频率条件下,波动的波幅增加,流动分离加剧,时间平均的阻力系数增加,而当波幅减小到一定程度时,蒙皮波动对阻力系数基本没有影响;在固定波动波长和幅度条件下,波动频率增加,非定常效应增强,阻力系数减小,甚至出现负值,即可以为飞艇提供推力;此外,适当的波幅和波长组合也可以减小阻力系数。当蒙皮上下表面的波动相位相反时,波长与波幅变化带来的影响与同相位的情况相似;固定波动波长、幅度,波动频率增加,非定常效应增加,由于上下表面的非定常效应是相互抵消的,虽然阻力系数会出现瞬时负值,但是时间平均的阻力系数不会出现负值。     

串列双幅典型断面三分力系数气动干扰效应

采用风洞试验与数值模拟相结合的方法对串列双幅典型断面（矩形断面、Π型断面及流线型断面）三分力系数和斯脱罗哈数的气动干扰效应进行了研究。首先针对宽高比为5的单幅矩形断面分别进行了三分力系数的数值模拟和风洞试验测试,数值模拟结果与风洞试验结果吻合良好;然后对串列双幅典型断面不同间距比D/B（D为双幅断面之间净间距,B为单幅断面宽度）对应的三分力系数及斯脱罗哈数进行了数值模拟。研究显示：上游断面阻力系数与单幅断面比较接近,下游断面阻力系数则随间距比D/B的增加而增加;上游断面升力系数、升力矩系数脉动根方差气动干扰因子明显小于下游断面升力系数脉动根方差气动干扰因子,两者均随间距比D/B先增加后减小。     

不同圆角率的方形断面气动特性的雷诺数效应

通过刚性模型测压风洞试验,在均匀流场中测试了标准方形断面及圆角率分别为0.1,0.2,0.3和0.4时的方形断面在雷诺数Re=0.8×10^5~3.8×10^5内的气动特性。结果表明:在试验雷诺数范围内,标准方形断面的平均阻力系数、平均升力系数及斯特罗哈数基本不受雷诺数的影响,但脉动升力系数受雷诺数的影响比较明显;圆角率为0.1的方形断面的平均阻力系数、平均升力系数及斯特罗哈数随雷诺数有一定变化,脉动升力系数随雷诺数的变化明显;圆角率为0.2,0.3和0.4的方形断面的平均阻力系数、平均升力系数及斯特罗哈数对雷诺数非常敏感,其在临界雷诺数附近均产生了明显的跳跃现象,但脉动升力系数受雷诺数的影响相对不大。     

管内Cu-水微米颗粒流湍流强化传热研究

传统光管在高雷诺数下的传热效果不理想,因此提出在水介质中添加微米Cu颗粒作为工作介质来强化管内换热的方法。建立了Cu-水微米流的多相流传热物理模型,采用基于颗粒动力学的欧拉-欧拉双流体模型,对粒径分别为10μm、50μm、100μm和500μm,流速分别为1 m/s、1.5 m/s、2 m/s和2.5 m/s,颗粒体积分数分别为5%、10%、15%和20%进行了传热Nu和阻力损失f数值计算,结果表明:Cu-水微米流的努塞尔数Nu随雷诺数Re和颗粒体积分数的增大而增大,而随粒径的增大而总体趋势减小;摩擦因子f随颗粒体积分数的增大而增大,而随雷诺数Re增大而增小;传热综合性能评价因子η随颗粒体积分数的增大而增大,随着粒径的增大而总体趋势减小。粒径10μm的传热综合性能在研究的粒径范围内最佳,η达到1.1~2.3。     

表面损伤的斜拉索平均气动阻力特性的试验研究

斜拉索作为斜拉桥的重要受力构件,其风荷载设计在桥梁抗风设计中具有重要意义。斜拉索在生产、运输和安装过程中有可能受到损伤,针对不同程度表面损伤的斜拉索,利用风洞测力试验,研究了亚临界、临界和超临界雷诺数区域损伤程度对斜拉索气动阻力的影响,并得到了表面损伤斜拉索气动阻力的计算方法。结果表明:在一定的风向范围内,斜拉索表面损伤对其气动阻力影响显著,在亚临界区,表面损伤模型阻力系数大于光滑模型;进入临界区后,表面损伤模型的阻力系数则小于光滑模型;在超临界区,二者又比较接近。随着划痕的加深,临界区起始雷诺数提前,且在临界雷诺数区,随着雷诺数的增大,阻力系数减小。对不同损伤程度斜拉索的阻力系数进行拟合,得出相应的计算公式,以方便斜拉索气动阻力的估算。     

雷诺数和湍流度综合影响下翼型气动性能试验研究

如何精确地预测风力机翼型的气动性能,是目前设计优良的风力机叶片需要解决的一个关键问题。以大型风力机专用翼型NREL S810为研究对象,采用风洞试验测压方法,分析了高、低雷诺数下,湍流度对翼型气动性能的影响特性。结果表明：随着来流湍流度的增大,翼型的升力系数和阻力系数均呈先增大后减小的变化趋势,当湍流度为4.6%时增加至最大,之后开始下降;当湍流度小于11%时,随着雷诺数的增加,升力系数、阻力系数均增加;当湍流度增大至11%以上后,随着雷诺数的增加,升力系数、阻力系数均减小;随着雷诺数的增加,最大升阻比先增大再减小,并且最大升阻比对应的攻角呈先前移再后移的趋势。     

突风作用下圆柱结构气动特性的试验研究

突风(平均风速随时间快速变化)作用在结构或构件上时,结构的气动力和振动状态与平稳风作用下的结果有何不同,是值得研究的问题。在风洞实验室,利用电压控制的方法,实现了具有一定风速加速度的突升和突降的风速变化过程,测试了圆柱结构在突变风速平稳风速作用下的气动力和振动状态,试验结果表明：当突升风速作用在模型上时,采用瞬时风速和气动力算得的力系数和在平稳风速下的结果一致;当突降风速作用在模型上时,采用瞬时风速和气动力算得的力系数虽然在大小上和在平稳风速下的结果一致,但是其对应的临界雷诺数范围比平稳风速对应的临界雷诺数范围,整体向小的方向上偏移了一定的量值。当不涉及到临界雷诺数时,本文的突变风速不会激发模型的大幅振动;当风速升至或降至临界雷诺数区域时,模型将发生稳定的大幅振动;当风速经过临界雷诺数时,在临界雷诺数对应的风速下发生大幅振动,随着风速的升高或降低使得对应的雷诺数离开临界区域时,振动逐渐消失     

斜拉索风雨振气动抑振措施的参数优化

本文通过风洞试验,研究了斜拉索空间位置、降雨量、风速等对斜拉索风雨振的影响,选定了振动最大时的参数,研究了作为气动抑振措施的螺旋线直径和缠绕间距两个参数对抑振效果的影响,并研究了附加不同参数螺旋线时斜拉索的气动阻力系数随雷诺数的变化规律,发现针对本研究选定的直径155mm的斜拉索,斜拉索的水平角35°、竖向角25°、较小的降雨强度（10mm/h）、特定的风速范围（无量纲风速60~100）下发生的振动最为激烈;在选定螺旋线间距的情况下,随着螺旋线直径的增大,其抑振效果趋于显著;在选定螺旋线直径的情况下,随着螺旋线间距的减小,其抑振效果趋于显著;附加螺旋线斜拉索的气动阻力系数随螺旋线直径的增大或螺旋线缠绕间距的减小而增大。在超临界雷诺数区域,附加螺旋线时的阻力系数均大于无螺旋线时的阻力系数。提出了优化的螺旋线设计原则。     

既有桥梁对相邻车-桥系统气动力的影响分析

为了研究既有桥梁对相邻车-桥系统气动力的影响,通过节段模型风洞试验,测试了考虑、不考虑既有桥梁干扰工况下相邻车-桥系统的气动力系数,数值模拟了作用在车-桥系统上的抖振力时程,并计算了抖振力极值。结果表明:既有桥梁对相邻车-桥系统气动力的影响显著,导致部分工况下列车、桥梁的气动力显著增大,结构设计中应充分考虑邻近桥梁的气动影响;车-桥系统中列车的气动力受既有桥梁的影响更大;受既有桥梁影响,不同工况下,列车横向力系数最大增幅、减幅分别为39.3%和-143.1%,列车升力系数最大增幅、减幅分别为52%和-68.2%;不同工况下桥梁阻力系数均减小,且最大减幅为-22.4%;迎风侧列车抖振横向力、抖振升力幅值均显著增大,背风侧列车抖振力幅值变化相对较小;桥梁抖振力阻力幅值减小,抖振升力和抖振升力矩幅值略有增大;列车抖振横向力、抖振升力的极值增幅分别为35%和67%;桥梁抖振阻力的极值减幅为-22.9%,抖振升力、抖振升力矩的极值增幅分别为48.5%和37.5%。     

Calculation of Drag Force on an Object Settling in Gas-Solid Fluidized Beds

Gas-solid fluidized beds can be used for dry beneficiation of minerals. Estimation of the drag force on separated materials is important for the design and operation of separators. Previous research was based on the empirical correlation or on the hypothesis that fluidized beds behave as a Newtonian fluid. However, much experimental evidence showed that the hypothesis of Newtonian fluid was suspect. The drag forces on spheres passing through fluidized beds were calculated using the Bingham fluid model. The plastic viscosity and yield stress of a fluidized bed can be obtained by measurement of the terminal settling velocity of spheres. The relationship between drag coefficient (C D ), sphere size (d o ), settling velocity (u t ), bed bulk density ( ρ b ), plastic viscosity (µ), and yield stress ( τ 0 ) is expressed as C D = 24/ Re m (1 + 0.15 Re 0.687 m ), Re m = d o u t ρb /(µ + τ0 d o /3 u t The calculated results agree well with the experimental data.     

串列双塔柱风荷载及涡振性能研究

为研究双柱式桥塔的抗风性能,以实际桥塔为工程背景,采用CFD数值模拟方法分析了两串列带圆角方柱的非定常绕流。在验证分析方法可靠性的基础上,研究了风速、风向角和间距比对截面气动力系数的影响,并进一步研究了各塔柱及桥塔整体的涡振性能,对比了由于上游、下游塔柱侧力大小及变化趋势不同而造成桥塔扭矩增大的效应。研究结果表明:间距比的不同将显著改变串列塔柱气动特性,其临界值约为3,此时两柱阻力系数之和最小,侧力系数均方根值接近零。     

Calculation of Drag Force on an Object Settling in Gas-Solid Fluidized Beds

Gas-solid fluidized beds can be used for dry beneficiation of minerals. Estimation of the drag force on separated materials is important for the design and operation of separators. Previous research was based on the empirical correlation or on the hypothesis that fluidized beds behave as a Newtonian fluid. However, much experimental evidence showed that the hypothesis of Newtonian fluid was suspect. The drag forces on spheres passing through fluidized beds were calculated using the Bingham fluid model. The plastic viscosity and yield stress of a fluidized bed can be obtained by measurement of the terminal settling velocity of spheres. The relationship between drag coefficient (C D ), sphere size (d o ), settling velocity (u t ), bed bulk density ( 𝜌 b ), plastic viscosity (), and yield stress ( 0 ) is expressed as C D = 24/ Re m (1 + 0.15 Re 0.687 m ), Re m = d o u t 𝜌 b /( + 0 d o /3 u t The calculated results agree well with the experimental data.     

冰棱对三维覆冰导线气动力特性影响研究

为了研究冰棱对覆冰导线气动力及驰振稳定性的影响。应用FLUENT中的SST k-w湍流模型对三维五冰棱覆冰导线绕流场进行数值模拟分析,将三维五冰棱覆冰导线模型沿展向方向分为5个节段,监控全攻角下节段3的阻力系数、升力系数,并分析不同风速、冰棱长度、相邻冰棱间距等对气动力参数产生的影响,根据Den Hartog理论计算得到驰振力系数,并判定覆冰导线的振稳定性。结果表明:冰棱覆冰导线形态对覆冰导线流体绕流特性有极大的影响,其绕流场呈现明显的周期性;冰棱覆冰导线气动力参数受风攻角影响较大,阻力系数最大值与最小值相差2.55,升力系数最大值与最小值相差5.83;风速、冰棱长度、相邻冰棱间距等因素对冰棱覆冰导线气动力参数影响有限;覆冰导线部分驰振力系数小于零(<0),冰棱覆冰导线处于非稳定状态,冰棱覆冰导线出现驰振舞动概率极大。     

Numerical Simulation of Particle Saltation Process

A numerical model for simulation of particle single-step saltation was developed. The model includes drag force, shear lift force, rotational lift force, buoyancy force, added mass force, and torque. The governing equations were solved using the fourth-order Runge-Kutta scheme. The model was calibrated and verified using the experimental data. The computational results include particle trajectory, longitudinal velocity of particle and flow, relative velocity of particle and flow, dimensionless drag, and lift forces along the trajectory. Sensivity analysis was performed to determine the influence of various parameters. Saltation characteristics were also calculated for various Reynolds numbers in the range of 2.5 to 7.7. It was found that very close to the bed, drag force decreases as Reynolds number increases. An increase of about three times the Reynolds number has a decreasing effect of three times and two times on the drag and lift force, respectively. The influence of Reynolds number increase on the falling phase was less than that on the rising phase.     

倒角化处理对于矩形高层建筑风荷载特性的影响机理研究

通过风洞测压试验,对比不同风向下、不同倒角半径的矩形高层建筑表面风压分布、整体风力及斯托罗哈数St;采用PIV试验,给出建筑的近尾流流动特性,并从流场作用角度,揭示倒角化处理对于矩形高层建筑风荷载特性的影响机理。研究表明:临界风向下,在建筑一侧分离的剪切层发生流动再附,形成分离泡;此时,建筑的阻力达谷值,升力和St达最大值。相比而言,倒角化矩形高层建筑的临界风向小于无气动措施的工况。St主要受到横风向投影宽度和尾流涡对间距的影响,在一定的风向范围内,当倒角半径达一定数值,St将有所增大。在建筑的整体阻力方面,倒角化处理将使得建筑尾流涡对尺寸减小;涡对横向流速增大,涡量掺混运动加剧,旋涡强度减弱。在此作用下,建筑整体阻力降低。在建筑的整体升力方面,采用倒角化处理后,旋涡脱落的不规则性和随机性增大,脱落强度减弱,这促使建筑整体升力减小;但倒角化处理对于升力的减小效应并非见于所有风向。