横风作用下移动车辆脉动风速谱

为研究横风作用下移动车辆的脉动风速谱形式,不依赖于传统的Taylor"冻结"假设和各向同性湍流假设,围绕移动车辆的脉动风速时程生成方法,在传统的谐波合成法基础上提出了一种高效的"直接生成法"。并在此基础上,综合考察了不同离地高度、不同平均风速、不同车辆移动速度等因素对移动点(或移动车辆)脉动风速自相关系数函数的影响。通过参数敏感性分析,建立移动点与固定点自相关系数函数的关系式,并最终推导出移动点的纵向脉动风速谱模型。研究结果表明:所提出的移动点(或移动车辆)脉动风速的"直接生成法"相比传统的"逐步提取生成法"具有更高的计算效率;进一步的,提出的移动点纵向脉动风速谱模型由于不依赖于Taylor"冻结"假设或各向同性湍流假设,也未额外地引入横向脉动风速谱,而仅依靠移动点的纵向脉动风速时程而逐步分析推导而出,这与数值解所采用的条件一致,因而使其计算值与相应的数值解吻合较好,表明提出的移动点纵向脉动风速谱模型具有较高的计算精度。研究结论可为移动车辆脉动风速谱的相关研究提供新的思路。     

山区特大跨径桥梁桥址处风特性实测研究

为研究山区桥址处的风场特性,基于西南山区某特大桥结构健康监测系统,对桥址处实测风场特性进行分析,并与规范推荐值比较。结果表明：1)大部分风速时程处于平稳状态,横向脉动风速的非平稳性高于纵向脉动风速;2)实测风速时程平均风速有跳变波动,平均风向保持平稳;3)各向湍流强度、阵风因子在低风速区段随平均风速的增大而减小,在高风速区段随平均风速的增大而趋稳;4)实测纵向阵风因子超过规范推荐值,纵向阵风因子与湍流强度具有较强的相关性,实测拟合曲线较Ishizaki推荐值偏小;5)实测功率谱值在低频区逐渐增大,在高频区逐渐减小,Von Karman经验谱能描述实测数据的脉动特性。该研究结果可为同类桥梁结构抗风设计提供依据。     

大跨桥梁抖振时域分析的程序化方法

介绍了一套以通用有限元软件为平台进行抖振时域分析的程序化方法,重点分析了作用在有限元模型加载节点上的随机抖振荷载的模拟方法。依照改进的Deodatis谱表示法给出了脉动风速场模拟程序的流程图。基于准定常假定,推导了便于有限元软件加载的脉动风速和抖振力时程之间的简化转换公式。按照该程序化方法,使用ANSYS软件对龙潭河特大桥进行了风致抖振时域分析,验证了该方法的实用性和有效性。     

小沙湾黄河特大桥风致抖振时程分析

小沙湾黄河特大桥地处峡管效应较大的风口处,是一座预应力混凝土高墩大跨连续刚构桥.以ANSYS有限元软件为分析平台,建立了该桥的成桥阶段和最大悬臂施工阶段的有限元模型.采用FORTRAN语言编制了基于Geodatis改进型谱表示法的脉动风速模拟程序.根据Dav-enpon准定常理论由模拟风速求得作用于有限元模型节点上的时程抖振力,进而对成桥阶段和最大悬臂施工阶段的风致抖振响应进行时程分析.最后对静阵风荷载和脉动风荷载作用下的结构响应值进行了比较,得到脉动增大系数.     

斜拉桥风致振动在Ansys中的实现

使用Ansys建立了某大跨度斜拉桥有限元模型,并对该斜拉桥进行动力特征分析,得到了该桥固有频率和振型;利用谐波合成法编制Matlab程序,合成了该斜拉桥的三维空间脉动风场,得到了该桥主梁和桥塔各离散点的脉动风速时程;利用各离散点的风速时程转化为有限元模型中各节点抖振力时程,并对该桥进行了抖振时域分析,得到了该桥在风荷载作用下的动力响应结果。     

U形峡谷桥址区风特性实测研究

山区桥梁桥址区风场特性相比平原地区更加复杂,具有强烈的地形效应。针对某U形峡谷中三塔斜拉桥的中塔建立了高度方向的多个测点,测得了不同高度处的风速时程,通过统计分析得到桥位的平均风参数和脉动风参数及其统计规律。分析结果表明,该峡谷桥址区的平均风速剖面受地形影响大而且形式复杂,风攻角比规范推荐值大,顺、横、竖风向的湍流度比值与规范值的差异明显,湍流积分尺度、脉动风功率谱与规范相比也有所区别。     

深切峡谷地貌桥面行车高度风环境现场实测研究

为研究深切峡谷地形条件下的桥面局部风场,对桥梁跨中和过桥塔区局部区域风环境开展了现场实测。对局部风场特征进行了讨论分析,其中包括平均风速特征、紊流度、脉动风速功率谱和极值风速分布等。探讨了跨中和桥塔区位置风剖面分布,同时给出了跨中和桥塔区的平均风速拟合关系,量化了过桥塔区顺桥向风速分布的桥塔遮挡效应和地形加速效应,总结提出了一种典型的过桥塔区顺桥向风速曲线模型。此外,桥塔区域风速紊流度显著大于跨中位置,表明桥塔和特殊地形对局部风场存在较大影响。桥塔区脉动风速实测谱高频段能量明显上升,与惯性子区谱-5/3斜率衰减效应变化特征不符。相较于规范风谱,推荐了3阶双对数多项式,可更加准确地表征脉动风湍流能量在频域上的分布特征。对瞬态阵风极值风速的分析结果表明,相较于平均风速,极值风速用于评估行车安全更为合理。     

四渡河峡谷大桥桥位风的湍流特性实测分析

结合位于鄂西山区的四渡河峡谷大桥的抗风设计研究,在桥位现场用超声风速仪实测脉动风速时程数据,分析山区深切峡谷风的湍流特性。基于10 min平均时距划分子样本,统计分析峡谷桥位的风速、风向、阵风因子、湍流度、积分尺度和功率谱密度函数。结果表明:该桥所在的山区深切峡谷地形导致风的湍流脉动强度明显增大,表征涡旋大小的湍流积分尺度减小;湍流度随平均风速的增大而减小,积分尺度随平均风速的增大而增大;由实测数据拟合的山区峡谷功率谱密度函数模型存在低频迟滞区,山区峡谷风的湍流特性与规范推荐模型有较大差别。     

考虑路面平整度影响的车辆侧滑与侧翻临界风速

为了研究路面平整度对车辆侧滑和侧翻临界风速的影响,建立了二自由度车辆振动模型,依据路面平整度指标和路面功率谱密度之间的关系,利用傅里叶变换推导了基于公路工程技术标准的动荷载系数计算公式,在此基础上根据车辆运动模型推导了车辆侧滑和侧翻的临界风速计算公式,利用MATLAB编制了计算程序,以典型货车为例计算了考虑路面平整度影响和不考虑路面平整度影响的车辆侧滑、侧翻临界风速.研究结果表明:路面摩擦系数,车辆速度和路面平整度对车辆侧滑临界风速都有一定的影响;考虑路面平整度影响时,典型货车临界侧滑和侧翻风速都会相应降低,降低幅度为1 ～2 m/s.     

大跨桥梁实测湍流风场的大涡模拟

为实现在大涡模拟(LES)中准确评估强风湍流对大跨桥梁的作用,关键难点在于生成符合桥梁真实强风特性的入口湍流。为此应用了一种新的规则化波矢量随机流生成方法PRFG³(Prescribed-wavevector Random Flow Generator),该方法遵守连续性方程和泰勒假设,可准确模拟目标湍流的脉动风谱、湍流度和湍流积分尺度等风特性参数。首先利用西堠门大桥结构健康监测系统(SHMS)2016年内采集的风速数据,选取了该桥址区10 min时距平均风速较大但风特性不同的2个强风样本,分析得到相应的强风特性参数;然后采用PRFG³方法合成了符合上述2个实测强风特性的均质各向异性湍流,同时为验证该方法用于主梁节段模型LES入口湍流的适用性,还模拟了缩尺比为1∶50的强风湍流场,并基于OPENFOAM平台,将3类风场赋予LES入口进行了数值计算;最后将LES流场中多个监测点的湍流特性与实测结果进行了对比。研究结果表明：2个实测风场在顺风向、横风向、竖风向的脉动风谱均与Von Kármán谱接近,顺风向湍流积分尺度最大约为192 m,各脉动风分量近似符合正态分布;PRFG³方法产生的入口湍流在LES计算域内能正确传输,模拟的3类风场均有较好的均匀性,脉动风分量在各方向上的功率谱、湍流度和所有的9个湍流积分尺度均与相应的实测值吻合较好。相关湍流合成方法及LES设置可为大跨桥梁在实测强风湍流下的数值模拟研究提供参考。     

移动车辆非定常气动力时域模拟及分析

为了在时域中考虑复数导纳函数,精细化模拟作用在移动列车上的非定常气动力,提出列车复数导纳函数时频变换方法,并建立同时考虑顺风向、横风向和竖向脉动风的移动列车非定常气动力数学模型。首先,推导出相对于移动列车的瞬时风速,并将瞬时风速代入到移动列车风荷载模型中,通过泰勒级数展开和忽略脉动风速、三角函数高阶项,将移动列车非定常气动力表示成关于顺风向、横风向和竖向脉动风的函数。然后,基于有理函数逼近法,将频域的复数导纳函数展开成有理函数项表示,再通过拉普拉斯逆变换实现导纳函数的时频变换,并将变换后的时域导纳函数代入推导的气动力模型中,精细化模拟移动列车非定常气动力。最后,通过与加权函数法对比,验证基于有理函数逼近法模拟移动列车非定常气动力方法的正确性,分析复数导纳函数相位、横风向和竖向脉动风对列车非定常气动力的影响。研究结果表明：有理函数逼近法可以成功实现列车复数导纳函数的时频变换,能够在非定常气动力时域模拟中有效考虑复数导纳函数的相位特性;导纳函数能够降低气动力的峰值,其相位可以使得非定常气动力时程产生“延迟”;横风向和竖向脉动风对列车非定常气动力的贡献不容忽视,能够使得气动力峰值显著增大;在列车非定常气动力模拟中,应该综合考虑复数导纳函数以及横风向和竖向脉动风的影响。研究结果可为移动列车风荷载及风-车-桥耦合振动等相关研究提供参考。     

南广铁路西江大桥桥位处良态风特性实测研究

为给复杂地形下的桥梁抗风设计提供指导,以肇庆南广铁路西江大桥为工程背景,依托大桥风环境监测子系统,对桥位处风场进行了现场实测,并以该实测数据为分析样本,从平均风与脉动风两方面研究了其风场特性,同时针对大桥不同测点风速展开了空间相关性分析。实测结果表明:受地形影响,桥位处10min平均风速呈非高斯分布,湍流强度、阵风因子随高度增加呈增大趋势;湍流强度、积分尺度均大于规范推荐值,纵向脉动风功率谱在高频段与Kaimal谱吻合较好,而在低频段相差较大,跨中与拱顶实测相关系数与Davenport公式计算值均存在一定偏差;基于此类地形下的桥梁设计需考虑地形的影响。     

湍流DSRFG与LES风场沿计算域流向变化的影响因素

为生成满足桥梁风工程大涡模拟（LES）要求的入口湍流风场，以丹麦大带桥桥址风特性为例，采用离散再合成的随机流动生成（DSRFG）方法合成了满足目标湍流度、积分尺度、脉动风速谱及空间相关性等参数的各向异性湍流；讨论了DSRFG方法在生成湍流风场上关键参数的合理取值；基于Fluent平台，通过自主开发的用户自定义函数（UDF）程序将生成的湍流风场赋给大涡模拟的入口边界，基于LES研究了不同网格尺寸和时间步长取值，入口湍流风场在计算域流向的变化规律。研究结果表明：DSRFG方法能生成满足桥梁LES模拟要求的指定湍流特性风场，产生的风场风谱和速度分量统计值与目标值吻合较好；入口湍流风场特性在计算域流向有较好的维持，脉动风谱在低频段与目标谱吻合较好，高频段出现一定衰减，而衰减起始频率随网格尺寸和时间步长的减小而增大。最后拟合了网格尺寸与脉动风谱衰减起始频率的关系曲线，建议了LES合适的网格尺寸和时间步大小，相关研究结果可为湍流风场模拟和桥梁风工程大涡模拟提供重要参考。     

基于ANSYS的移动模架造桥机结构风振响应分析

从风载荷的特性分析入手,由Davenport脉动风速谱推导出风力的功率谱密度函数,并利用ANSYS软件的谱分析技术对特定工况下移动模架造桥机的挂架系统在顺风向脉动风载荷作用下进行了瞬态动力学方面的分析研究。结果表明:移动模架造桥机挂架系统结构在顺风向脉动风作用下其风振响应较小。     

湍流强度对火焰传播影响的大涡模拟研究

为了研究封闭空间中湍流强度与火焰传播相互作用,基于快速压缩机试验平台建立了燃烧室模型,开展了上止点缸内压力1.1 MPa和1.4 MPa及不同湍流强度下,异辛烷-空气当量比混合气点火和火焰传播过程的三维大涡模拟研究。研究结果表明:火焰发展受到周围湍流脉动的影响,火焰形态发生褶皱和变形,且随着湍流强度的增加,火焰表面褶皱和变形越发严重;同时火焰的褶皱和变形会进一步加剧湍流脉动,从而加强火焰和湍流脉动的相互作用,影响缸内的燃烧情况。     

基于SST-DDES方法的汽车外气动噪声模拟与风洞试验对标分析

随着新能源汽车行业的迅猛发展,行驶过程中发动机噪声的贡献消失,气动噪声成为了最容易引起顾客抱怨的问题。相关研究表明,通过侧窗玻璃表面脉动压力产生的湍流脉动和声场是汽车在高速行驶时的主要噪声源。基于开源软件OpenFOAM,采用SST- DDES湍流模型,分别对两款不同车型的前后侧窗玻璃24个点的表面脉动压力进行了数值模拟计算,并与风洞试验测试相结合进行验证。结果表明,仿真结果与试验结果基本吻合,证明了该方法可以有效捕捉侧窗玻璃的表面脉动压力结果,为后续的车内噪声计算打下基础,同时也有效缩短了开发周期,并降低了后期实车风洞试验的测试成本。     

大跨度悬索管桥动力特性及风振响应分析

通过建立有限元模型, 利用谐波合成法得到脉动风速时程样本, 分析悬索管桥体系的动力特性以及管桥体系在风荷载作用下的动力响应,指出悬索管桥各构件对体系动力特性的影响及在时程荷载作用下的响应特点.     

车辆气动力展向相关性传递函数及其对桥上运动车辆响应的影响

为研究运动车辆气动力的展向相关性对桥上运动车辆响应的影响,在分析运动车辆顺风向和竖向脉动风速谱的基础上,发展出一种新型的运动车辆脉动风速相干函数形式,推导出与顺风向和竖向脉动风速对应的运动车辆气动力的展向相关性传递函数,并根据“余弦规则”得到作用在运动车辆上的抖振力谱。通过建立列车-轨道-桥梁多体系统耦合振动仿真模型,以单节列车在典型的高速铁路桥梁上行驶为例,对比不同车速、不同风速与不同地表类型时,运动车辆气动力的传递函数对桥上运动车辆响应的影响。研究结果表明：当考虑上述传递函数时,车辆响应的均方根均有不同程度的降低,其中对车体横向和竖向加速度均方根的影响最为显著;当车速为40 m·s^-1时,在考虑与不考虑传递函数情况下,车体横向加速度均方根的相对误差高达40.6%,车体竖向加速度均方根的相对误差也高达36.6%;随着车速的提高,各车辆响应均方根的相对误差均逐渐变小;随着风速的提高,轮重减载率和轮轨垂向力均方根的相对误差均逐渐变大,而车体竖向Sperling指标和轮轨横向力均方根的相对误差却先增加后减小;从A类地表类型到D类地表类型,车体加速度均方根以及车体Sperling指标的相对误差均逐渐增大,而轮轨力均方根、脱轨系数均方根、轮重减载率均方根的相对误差均先增大后减小。     

泉州晋江大桥动力性能分析

以一座墩塔梁固结体系的独塔预应力混凝土斜拉宽桥——福建泉州晋江大桥为对象,根据实桥环境脉动试验和空间杆系有限元模型进行了主梁-主塔基本动力性能分析;采用振动法进行了斜拉索的固有频率和索力测试,并进行了拉索安全性能评价;根据实桥车辆强迫振动试验和考虑了路面平整度的桥梁与车辆相互作用的计算模型,分析了在移动车辆荷载作用下桥梁的动力特性,包括振动加速度计算和舒适性评价。研究结果表明,采用墩塔梁固结体系的晋江大桥面内振动频率较高,主跨或边跨均出现相互独立或影响较小的振动模态;斜拉索索力分布均匀,安全系数符合规范规定;在移动车辆荷载作用下,主梁竖向振动加速度较小,在设计行车速度下可保持较好的行车舒适性。     

基于实测数据驱动下优化参数的移动下击暴流数值模拟

为实现下击暴流风场高精度数值模拟，基于冲击射流模型开展稳态下击暴流数值模拟，引入网格滑移技术实现下沉气流移动效应的模拟，研究下击暴流移动过程中的风场演变规律；提出以实测数据为目标的下击暴流模拟参数优化方法，将目标风速时程抽象为若干特征点，通过模拟特征点与目标值的误差建立目标函数；将代理模型引入下击暴流模拟参数优化的过程以提高计算效率，并通过数值模型计算设计样本点响应来训练代理模型；通过5组测试算例验证Kriging模型的代理精度和参数优化方法的可行性，采用所提出的优化方法以安德鲁斯空军基地(AAFB)所监测的下击暴流风场为目标进行模拟参数优化，并基于此参数进行数值模拟。研究结果表明：下沉气流喷口速度U_j、喷口移动速度U_T和环境风速U_b的相对值是影响下击暴流平均风速时程时变特征的关键因素；在参数优化过程中引入代理模型替代数值模型参与优化迭代，极大地提高了参数优化的效率；基于最优参数进行数值模拟，显著提高了下击暴流数值模拟的精度。