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...     

高精度入口边界的峡谷桥址风场数值模拟

山区峡谷地区由于受特殊地形地貌条件影响使得其风场十分复杂,这些地区建立的大跨度桥梁面临着更为突出的风致振动问题,而当前规范对峡谷桥梁的抗风设计还没有明确规定。为更加深入认识峡谷风场的分布特性,基于WRF与CFD耦合模式对峡谷桥址风场进行精细化分析,在中尺度气象模式基础上结合多项式插值方法获取入口边界的平均风速,同时对峡谷桥址上游风速进行实时监测,利用实测站脉动特性互等的原则获取数值模拟入口位置的脉动特性。将平均风速和脉动风速综合考虑后利用UDF程序赋给大涡模拟的入口边界并对峡谷桥址位置风场进行详细分析,最后将模拟结果与实测结果的湍流特性进行对比。研究结果表明：考虑脉动风速后的入口边界条件相比于无脉动入口风速其湍流特性与实测值吻合更好;中国现有规范中的标准谱不适用于复杂峡谷桥址地区,如用现有规范设计山区峡谷桥梁,其结果偏不安全;来流风向与峡谷走向是引起加速效应的主要原因,峡谷上游的复杂局部地形是引起峡谷桥址风场多样性的根本原因。研究成果可供山区峡谷大跨度桥梁抗风设计提供参考。     

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。     

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。     

节段模型气动导纳的数值模拟与试验

为了对桥梁风工程中广泛使用的气动导纳进行精细化研究,针对桥梁风工程中由于沿用了经典的薄机翼气动力理论,认为气动导纳仅是量纲一折算频率的函数而与风场特性无关这个问题,首先简要回顾了二维薄机翼非定常气动力理论的基本假定,指出对于钝体桥梁断面,这些基本前提条件不再成立,因此也不存在独立于风场特性的气动导纳函数。在这一理论观点的指导下,利用节段模型风洞测压试验,在3种非均匀布置的格栅湍流场中测量了平板断面和高宽比为1∶4矩形断面的脉动升力,并识别出各自的气动导纳函数。通过比较不同风场下识别的气动导纳函数,研究了不同形式断面与风场的依赖性。然后利用CFD数值模拟,通过改变入口边界条件,在3类湍流场中对结果进行了进一步的验证。试验及数值结果表明：平板断面的气动导纳在3类风场中基本一致,表现出了流线型断面对来流特性的不敏感性,可以认为是量纲一折算频率的单一函数;相比之下,具有钝体特性的矩形断面在3类不同风场中识别的气动导纳区别十分显著,表明钝体断面的气动导纳并不能定性为断面的函数,而是由断面与来流风场特性共同确定。在桥梁风工程中,需谨慎应用源于机翼理论的气动导纳概念,试验识别气动导纳时宜考虑与实际情况相符的风场特性。     

山区桥梁风场特性分析系统的开发及应用

山区桥梁建设日益增多,而现有的抗风规范对受地形等复杂因素影响的山区风特性并未给出具体的参数取值.该文结合山西省禹门口黄河斜拉桥这一实际工程,编制了基于C++Builder平台的桥梁风场特性分析系统,对桥址处实测风速数据进行了分析计算,得到了桥址处平均风速和风向、风剖面指数、湍流度等风场特性.     

内燃机进气过程缸内湍流流场的大涡模拟

为精确描述内燃机进气过程中的缸内流场动态特性,基于非结构化动网格和有限体积法,应用大涡模拟方法对1台模型发动机进气过程进行三维瞬态数值模拟研究。计算采用动态Smagorinsky亚网格尺度模型,得到缸内速度和湍流黏度分布及其随时间的变化。大涡模拟的计算结果与试验值吻合良好,与RNAS模型相比能更精确地揭示流场的瞬变结构和流动的随机特性。     

汽车表面湍流压力脉动计算精度的研究

通过运用脱涡模拟(DES)方法对两种网格尺寸和两种几何细节的模型进行计算流体动力学(CFD)分析,获得侧窗表面的湍流脉动声压级,并与风洞试验结果对比,结果表明:1 mm网格的精度较高,而2 mm网格在2 000 Hz以后出现明显误差;造型模型在100 Hz低频段的误差稍大于整车模型,但在中频和高频段的精度等同于整车模型。Q准则显示1 mm网格可捕捉尺寸更小而涡量更大的涡核,这也正是1 mm网格在高频段精度更高的原因。考虑到计算效率,建议采用造型模型进行湍流压力脉动的计算,且在侧窗区域使用1 mm的加密区。     

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。     

利用尖劈和粗糙元技术模拟大气边界层的研究

在尖劈和粗糙元大气边界层模拟技术的基础上增加了格栅挡板这一涡旋发生器,有效地提高了风洞上方的湍流强度,利用该组合边界层发生装置建立了边界层风场.测量了模拟风场的平均风速剖面,湍流强度剖面,风谱等参数.讨论了格栅挡板增加后风场平均风速剖面和湍流强度剖面的变化.三角形尖劈阻风面积沿高度递减产生近似线性的风速剖面,粗糙元调整平均风速和湍流度剖面分布,格栅挡板提高了风洞上方的湍流度.结果分析表明:试验所得风场满足模型试验所要求的小粗糙度和大湍流度的要求.然而,模拟风场的湍流功率谱和积分尺度的高度变化规律和实际大气边界层相反,这是由尖劈下宽上窄的构造特点所决定的.     

桥梁闭口箱梁三分力数值识别中的湍流模型比选

对以苏通桥断面为例的桥梁闭口箱梁模型进行了三分力系数CFD数值识别。分别采用不同湍流模型及近壁条件进行数值模拟,并将数值模拟结果与风洞试验值进行比较。同时使用层流模型采用加密网格进行数值模拟,对不同湍流模型模拟结果进行压力等值线的比较,通过识别得到的三分力系数和压力等值线,确定出闭口箱梁绕流数值计算最合理的湍流模型。     

山区峡谷桥址地形模型过渡段优化

针对山区峡谷桥址地形模型入口边界确定问题,以贵州省湘江特大桥桥址处地形为依托,选择维多辛斯基曲线作为地形模型过渡段的基本曲线形式,采用计算流体动力学方法对不同曲线参数进行计算,并结合关联度权重确定法确定最优过渡段曲线参数。在此基础上设计并制作了几何缩尺比为1：1 500的桥位地形模型,分别进行了有、无过渡段地形模型的风洞试验,对比了地形模型有、无过渡段对桥位桥面高度处横桥向风速、风攻角以及桥梁总长1/4跨、1/2跨、3/4跨风剖面的影响。过渡段曲线的二维数值模拟结果表明：采用最优过渡段可有效降低模型边界后方气流等效风攻角,并最大程度地保持入流风速,减小过渡段后湍流度;设置过渡段后风速场分布特性与入流参考风速场分布特性的一致性较好。地形模型风洞试验结果表明：曲线过渡段使风剖面逐渐抬升,气流过渡平缓,不存在明显的加速效应,剪切层发展较慢;设置过渡段后不同风剖面位置处平均风速较无过渡段时大,湍流强度较无过渡段时低;设置过渡段对桥梁主梁高度处风攻角存在一定的影响,但有、无过渡段时的风攻角变化趋势大致相同;采用优化后的过渡段使风剖面逐渐抬升,减小了"人为峭壁"对地形模型试验结果的影响,主梁高度处横桥向风速总体大于无过渡段时主梁高度处横桥向风速。     

紊流影响下车-桥系统气动力特性风洞试验

为了研究横风作用下紊流参数对车-桥系统气动力特性的影响，以典型32 m简支梁桥和CRH2列车头车为背景，首先根据阻塞比要求设计几何缩尺比为1：25的桥梁和列车测压试验模型；然后通过在风洞试验段入口处采用"格栅条"被动紊流发生装置，模拟一系列紊流风场；最后开展不同工况下车-桥组合风洞动态测压试验，测试列车和桥梁表面风压，并积分获得列车和桥梁气动力。基于此，分析了双线轨道不同位置下，顺风向紊流度、紊流积分尺度对列车表面风压和车-桥气动力分布的影响规律，并讨论了风攻角对车-桥气动力系数的影响。结果表明：列车表面平均风压系数随紊流度的增加而减小，紊流风场中列车和桥梁气动侧力（阻力）系数均小于均匀流场；紊流度对迎风侧轨道列车的影响更为显著，而对车头气动力特性影响较小，车身侧力（阻力）系数随紊流度增加而显著降低，升力系数和力矩系数随紊流度的变化规律并不显著；桥梁气动力系数对紊流度变化的敏感程度小于列车，其侧力（阻力）系数并非随紊流度的增大而单调减小，升力系数随紊流度增加而增大，力矩系数随紊流度的变化规律并不明显；车-桥气动力系数受紊流积分尺度的影响小于紊流度，桥梁侧力（阻力）系数受影响程度大于升力系数和力矩系数；列车位于背风侧轨道时，车-桥气动力系数随紊流积分尺度变化的敏感程度小于列车位于迎风侧轨道；风攻角和紊流参数对车-桥气动力特性的影响是相互独立的，且受列车路线布置方式影响不大。研究结果为紊流风场下的行车安全性提供了数据和资料。     

数值模拟桥梁断面气动导数和颤振临界风速

从描述流体绕运动的刚性断面流动的N S方程出发,首先采用时间二阶Projection 2算法对控制方程作分裂步处理,得到的求解方程空间离散采用有限体积法,物面运动方式为自由度解耦的强迫振动,采用计算网格和刚性截面刚性连接、同步运动的动网格技术,数值模拟了振动的大带东桥绕流场,由计算的气动力按最小二乘法提取气动导数,最后计算了大带东桥的颤振临界风速。计算的大带东桥气动导数与风洞试验有很好的一致性,大带东桥颤振临界风速模拟值与风洞试验结果偏差很小,证明了本文数值方法的正确性和工程适用性。     

汽车风洞双车试验来流湍流特征研究

基于自主研发的真实道路来流参数测量系统,对多地区、多场景真实道路行驶来流湍流强度进行了测试,发现车辆道路行驶时来流湍流强度远高于风洞水平,道路平均湍流强度为4%,沿海地区湍流强度最高可达20%,在跟车或超车时湍流强度可达 28%。在汽车风洞内模拟了道路行驶跟车、超车等试验场景,对测试车辆气流环境进行了采集分析。结果表明,跟车和超车时,后车来流湍流强度较高且伴随有速度损失,湍流强度及速度损失大小与前车尺寸和跟车距离有关,湍流强度分布范围为2%～33%,与道路实测相当,且速度损失最大为19%。进一步探究了前车放置角度、风洞风速对后车来流湍流强度的影响规律,建立对后车来流湍流强度定量调节的方法。完成了双车风噪测试,结果表明,风洞内高湍流强度环境车内风噪测试调制频谱结果与道路行驶测试结果相符,车内风噪频谱曲线差异主要集中在小于70 Hz的低频段。     

菜园坝长江大桥气动弹性模型风洞试验及分析

介绍了重庆菜园坝长江大桥施工及成桥状态全桥气动弹性模型在均匀流和湍流两种流场中的风洞试验的主要内容及相应结果。评估了菜园坝长江大桥颤振、抖振和涡激振动等风振特性。结果表明,该桥成桥状态下的各种风振响应能满足设计风速下的抗风要求。主拱悬臂施工状态下主拱振幅最大,主拱1/4悬臂状态下有涡激振动现象。     

In-cylinder airflow of automotive engine by quasi-direct numerical simulation

A Computational Fluid Dynamics (CFD) program for in-cylinder airflow analysis has been developed by the authors. The feature of the developed program is that it treats turbulence flow with the quasi-direct numerical simulation (Quasi-DNS). So it is possible to present transient turbulence eddy motions in detail. For fast and high quality mesh generation, the Voxel method was employed. The computational domain is discretized by uniform cubic cells in this method. The simulation results were verified by two benchmark tests. One of them in common use is a backward step flow test, the other is an in-cylinder flow test that supposed the engine induction stroke. Good agreement was obtained between the simulation and the experimental results of these benchmark tests.