涡激振动能量收集的理论建模与实验验证

为了研究涡激振动压电能量收集特性,根据压电理论和尾流振子模型建立二维涡激振动的压电能量收集数学模型,对一个圆柱加双压电臂的能量收集装置进行计算分析。结果表明:输出电压随着负载电阻的增大而增大,最大输出功率存在一个最佳匹配电阻。之后开展压电能量收集风洞实验,理论分析结果与实验结果吻合,验证了理论模型的正确性。该模型对进一步设计和优化涡激振动能量收集装置有参考价值。     

带附体圆柱的涡激振动特性研究

以带鳍状物附体二维圆柱为研究对象,采用动网格技术,通过FLUENT自定义函数接口进行流场与结构间的数据交换,对其涡激振动特性进行了数值研究.数值分析前,以裸圆柱为模型进行了计算并将结果与已有的实验数据进行了对比,验证了本文算法的有效性和准确性.数值计算中,分别对初始分支、超上端分支及下端分支条件下的带附体圆柱在不同来流攻角的涡激振动特性进行了研究.计算结果表明,对于初始分支与超上端分支,附体的存在能够减小圆柱的横向振动;下端分支在小来流攻角情况与初始分支类似,但在大来流攻角时附体的存在会增大圆柱的振动幅值.     

螺旋侧板的导程对VIV影响的数值模拟

海洋立管在来流影响下极易发生涡激振动(VIV),VIV会对立管产生严重的疲劳破坏作用,导致立管很快失效.之前有大量的研究主要集中在如何采用有效措施抑制其影响,在工程中螺旋侧板的使用居多,螺旋侧板在设计中有很多参数,如螺距、侧板高度和覆盖率等.文中基于Fluent软件对不同导程螺旋侧板的立管的尾流场进行数值模拟.结果发现,螺旋侧板可以明显的抑制涡激振动的影响.同时得到:在研究范围内,螺旋侧板随导程增大控制旋涡发放效果越好,从而抑制涡激振动效果越佳;将数值模拟结果和文献的实验结果相比较,发现二者吻合良好,验证了数值模拟的可靠性.     

悬臂梁式压电能量收集装置的实验研究和有限元分析

对单双晶压电悬臂梁进行激振实验,确定了4种压电悬臂梁的一阶固有频率,得出每种结构在不同频率下随着负载电阻增加的电压和功率响应曲线,实验表明激振频率与压电悬臂梁固有频率相当时,其输出电压达到最大,输出功率也达到最大。然后釆用COMSOL软件对压电悬臂梁结构模型进行了仿真分析,结果表明其输出电压,功率等有限元分析结果与实验结果吻合。针对船舶上柴油机工作时产生的振动能量耗散,提出1种多悬臂梁式的压电能量收集装置,利用COMSOL对结构进行频域分析,结果表明该结构能在船舶柴油机多个主振动频率上都达到较好、稳定的输出功率。     

波流联合作用下隔水套管的涡激非线性振动

考虑流及波流联合作用,研究了套管的涡激非线性振动.将套管简化为梁模型,计及莫里森非线性流体动力和涡激荷载,建立套管的涡激振动方程.采用克雷洛夫函数求解套管的固有频率和模态,提出了计算涡激非线性动力响应的迦辽金方法.以东海勘探3号钻井隔水套管为例,研究了流引起的主共振和波流联合引起的组合共振.计算结果表明:流对套管的动力响应占主导地位,而波的影响不大.分析了前四阶模态、升力系数、流体阻尼系数对套管动力响应的影响.揭示了波流联合激励下套管复杂的动力响应特性.     

斜腹板倾角对流线型箱型结构涡振性能影响的数值研究

桥梁结构气动外形是影响桥梁结构涡激振动的重要因素。以某大桥流线型箱型断面为研究对象，通过数值模拟计算，研究了斜腹板倾角对流线型箱型断面涡激振动性能的影响，得出结论：流线型箱型结构发生涡振的风攻角以及风速锁定区间不受斜腹板倾角变化影响；最大竖向涡振振幅随斜腹板倾角的增大呈指数型增大。     

大跨度桥梁主梁沿跨向涡激振动响应计算

为向抑振提供准确的参考数据,基于单自由度涡激振动经验线性模型,结合主梁振型、阻尼和涡激力相关性,导出了主梁沿跨向竖向、扭转涡激振动响应,建立了大跨度桥梁主梁沿跨向涡激振动描述体系,并探讨了节段模型涡激振动识别气动参数的方法.以一大跨度斜拉桥为例,计算了主梁在不同风攻角下涡激力相关性及沿跨向竖向、扭转涡激振动响应.结果表明,受涡激力相关性作用,涡激振动振幅沿跨向衰减较快.     

基于涡激振动的动车组隧道内列尾横向晃动机理

针对时速160 km动车组在单线隧道内列尾横向晃动问题,提出列尾气流涡脱效应引起车体涡激振动而导致列尾横向晃动的机理,研究了车辆悬挂参数改进等相关抑制措施;根据某动力车结构参数,建立车辆横向动力学模型,结合半经验非线性涡激振子模型,实现涡激振动时车辆流固耦合横向动力学计算。计算结果表明:单线隧道内动车组列尾较大的横向涡激力以及涡激频率与车体蛇行频率共振是引起晃车的主要原因;减小横向涡激力、提高车辆蛇行运动稳定性是减小晃车幅值的有效措施;针对该动力车,需避免较低等效锥度的轮轨接触,以防车辆一次蛇行导致涡激振动加剧;当转向架抗蛇行减振器阻尼由800 kN·s·m-1减小到400 kN·s·m-1,涡激共振时车体后端横向振动加速度幅值减小40%;车辆二系横向悬挂采用天棚阻尼半主动控制时,可以有效减小涡激共振区车体横向振动幅值,并能兼顾车体前后端横向平稳性。      

基于CFD与风洞试验的边主梁涡振气动措施

为能够快捷且经济地完成开口类钝体桥梁断面涡振制振气动措施的选型,以一座边主梁叠合梁斜拉桥为背景,采用“CFD (computation fluid dynamics)数值模拟选型+风洞试验验证”的思路对其涡振制振气动措施选型进行研究.该桥原设计主梁断面在常遇风速下存在显著涡激振动,为完成气动措施的初步选型,采用CFD数值计算对原设计断面的流场进行模拟,通过研究原设计断面的旋涡脱落状态确定主要旋涡抑制对象,进而有针对性地模拟了3种气动措施（下中央稳定板、导流板与风嘴）对主要脱落旋涡的抑制作用,通过将各断面旋涡脱落状态与三分力系数进行对比分析,得到各断面涡振性能的相对优劣关系,并最终选取风嘴与下中央稳定板结合而成的组合气动措施进行风洞验证试验.试验结果表明：该组合气动措施能够有效抑制梁体在各风攻角下的涡激振动,且在+5°风攻角下,通过风洞试验得到的导流板、下中央稳定板、风嘴组合气动3种措施对原设计断面涡振振幅的减小作用依此递增,分别为2.7%、27.7%与87.4%,制振能力高低关系与数值模拟结果相一致;本次数值模拟结果符合预期要求,未来可针对不同类型桥梁断面进一步扩展数值模拟与风洞试验结...     

悬浮隧道锚索涡激疲劳损伤分析

为了评估水中悬浮隧道锚索涡激疲劳损伤,根据Hamilton原理,考虑附加质量对锚索动力特性的影响,应用模态叠加法,引入Blevins升力模型和Vengugopal阻尼模型,计算了升力系数和无量纲模态振幅;通过疲劳累积损伤理论和S-N疲劳曲线,计算了锚索涡激疲劳损伤.研究结果表明:低质量比（m*m*>10）时,附加质量系数的影响可以忽略;锚索长细比大于100时,锚索涡激振动表现为多模态谐振;利用本文提出的方法可以较为准确地计算锚索涡激疲劳损伤,文中算例计算结果与物理实验结果比较发现,计算误差在5%的范围内.      

斜拉桥拉索风-雨致振动(Ⅰ):机理分析

为揭示斜拉索风-雨致振动机理,利用三维绕流空间模型测试的气动力系数,提出了斜拉索风-雨致振动的修正驰振模型;将基于该模型的计算结果与风洞试验结果进行比较,以验证分析模型的有效性,并从能量的角度对斜拉索风-雨致振动的特性进行了探讨.研究表明:斜拉索风-雨致振动本质上是由升力系数负斜率引起的准驰振类型的限幅振动,具有自激和限幅振动双重特性.     

检修车轨道位置与导流板对扁平箱梁涡振的影响

为研究检修车轨道位置与导流板对宽体扁平箱梁断面涡振性能的影响，以深中通道伶仃洋大桥(大跨度宽体扁平钢箱梁悬索桥)为背景，通过1∶25节段模型风洞试验测试了主梁的涡振响应，并采用计算流体动力学方法(CFD)对断面的二维流场进行了模拟.结果表明：增大检修车轨道与主梁底板边缘之间距离l能够显著提高宽体扁平钢箱梁的涡振性能，当l≥W_b/6(W_b为主梁底部宽度)时，可完全消除宽体扁平箱梁在各风攻角下的涡激振动；在检修车轨道处设置17°倾角的内侧或双侧导流板均能够显著抑制梁体的涡激振动，且抑制效果相同，当l≥W_b/10时，布置导流板可完全消除梁体的涡激振动；增大检修车轨道与主梁底板边缘之间距离以及设置导流板均是通过消除断面下游斜腹板处的尾流漩涡，从而降低梁体受到的周期性涡激力，达到抑制主梁涡振的效果.     

解析法分析铁路环境振动的列车随机激振荷载

将虚拟激励法和车辆-有砟（无砟）轨道-路基-地基耦合系统垂向振动解析模型有效结合起来,由轨道不平顺功率谱直接得到准确的列车随机激振荷载功率谱,然后采用频率采样三角级数法反演出列车随机激振荷载时程。为铁路环境振动中列车随机激振荷载的计算提供了一简便有效的方法。算例比较了有砟轨道和无砟轨道两种情况下CRH3高速列车运行引起的列车随机激振荷载功率谱密度与时程曲线。     

检修车轨道导流板对流线型箱梁涡振的影响

为研究流线型箱梁的涡激振动特性及涡振抑振措施,以某大跨度钢箱梁斜拉桥为工程背景,通过1:50节段模型风洞试验研究了主梁断面涡激振动响应;采用计算流体力学(computational fluid dynamic, CFD)分析主梁断面的二维流场. 研究结果表明,检修车轨道处漩涡脱落明显,对主梁断面涡激振动性能影响较大;导流板位置从检修车轨道外侧移动到检修车轨道内侧,主梁断面升力系数均方根值减小了24%;在检修车轨道内侧设置导流板,可以有效抑制主梁涡激振动.      

宽幅分体箱梁涡振性能及其抑振措施

为研究宽幅分体箱梁桥梁涡激振动特性及其相应振动抑制方法,以某主梁总宽度为64.1 m的分体箱梁大跨悬索桥为工程背景,在均匀流场下对1∶70缩尺比节段模型进行了风洞试验. 首先研究了主梁成桥态在0°、± 3°和± 5°五种不同来流攻角下的涡激振动特性;其次,考察了单一气动措施（包括设置水平气动翼板、封闭中央开槽、隔涡网以及检修车轨道导流板）,以及各种组合措施对主梁涡激振动的影响,检验了这些措施对主梁颤振性能的影响. 研究结果表明:宽幅分体式双箱梁在5个风攻角下均发生了竖向自由度涡激共振,其中最不利攻角为–3°,竖向振幅最大值为0.69 m,超过《公路桥梁抗风设计规范》限值的70%;设置隔涡网和采用组合气动措施后,较原始主梁,涡振振幅下降50.7%～98.6%;尽管抑振措施使主梁颤振临界风速降低6%～15%,但仍满足抗风设计要求.      

2D非稳态方柱绕流的数值模拟与分析

用有限体积法对与来流夹角为45°以及夹角为0°的方柱绕流进行了数值模拟分析.从对方柱的绕流的数值模拟结果可以得出倾角为45°的方柱对尾涡的影响较之倾角为0°的方柱要大得多.由此可知,特征长度越大对柱体尾部涡影响越大.同时还对方柱的受力进行了计算和分析,并与现有实验数据、文献资料进行了比较,两者互相吻合.     

空气流量传感器的检测诊断

空气流量计电位计的电阻如不准确将使其送给ECU的电压信号不能正确反映空气流量,从而使发动机的功率下降、运转不平稳、油耗增加,所以应对其电阻、输出电压进行检测。     

基于节段模型试验的悬索桥涡振抑振措施

为研究大跨度悬索桥涡激振动性能,并提出有效的涡振抑振措施,以某大跨度钢箱梁悬索桥为工程背景,通过1∶20大尺度节段模型风洞试验,在低阻尼下研究了人行道栏杆、检修轨道、导流板对主梁涡激振动性能的影响;通过在检修轨道内侧设置导流板抑制主梁的涡激振动,并基于试验现象探讨了涡激振动发生的机理.研究表明,在检修轨道内侧设置导流板抑制主梁涡激振动的措施使桥梁断面的气动外形更合理,抑振效果好,且结构形式简单,便于工程应用.     

大跨度桥梁涡激振动及其半经验模型介绍

大跨度桥梁在低风速下可能会频繁发生较大振幅的涡激共振而导致结构破坏,因而涡激振动已成为大跨度桥梁抗风设计关键问题之一。该文列举了国外大跨度桥梁典型涡激振动实例,并讨论了具有代表性的一些半经验模型,最后针对大跨度桥梁涡激振动提出了基于风洞试验和半经验模型的研究思路。     

建筑结构非定常绕流风场的数值模拟方法

给出了一种适用于计算建筑结构非定常绕流风场的大涡数值模拟算法．该算法基于有限差分法,采用曲线坐标结构网格,能精确描述形状复杂的物面边界,为下一步准确模拟含有因结构受风变形所致运动边界的绕流场奠定了基础．该算法采用投影法解耦纳维一斯托克斯方程中的压力和速度,对非定常流场的时间步进采用二阶Adams—Bashforth方法．采用同位网格以减少计算所需内存,为了平抑同位网格下中心差分格式导致的固有压力波动现象,计算对流速度时采用Rhie—Chow动量插值方法,利用编制的曲线坐标系下大涡模拟数值计算程序,对德州理工大学（TTU）建筑足尺模型绕流风场进行了模拟,所得结果与现场实测和风洞试验结果进行了比较,结果表明,本文算法是建筑结构非定常绕流风场数值模拟的有效方法．