射流作用下的吸气流动流场特性

为了降低射流作用下吸气流动控制污染物所需的射流量,达到节能的目的,研究了射流作用下吸气流场的特性.通过数值模拟技术研究了射流与吸气流动夹角在90~60变化时形成稳定吹吸流场的条件,以及汇流场轴心速度和控制范围的变化规律;同时,以数值模拟的计算结果为基础,结合对轴心速度和控制距离影响因素的分析,得出了射流和吸气流夹角取不同值时的轴心速度衰减计算式和汇流场控制范围计算式.研究结果表明,在角小于70时不能形成稳定的吸气流场;当在90~70变化时,随着送风和排风动量比的增大,汇流场轴心速度增加的趋势减缓;随着角度的减小,汇流场轴心速度增加的趋势加剧.因此,可以通过减小来增强吸气流场,实现对污染物的有效控制.      

湍流积分尺度对高层建筑风荷载影响的大涡模拟

为研究湍流积分尺度对高层建筑风荷载大小和分布的影响,研究其合理取值,基于大涡模拟开展了B类地貌不同湍流积分尺度下CAARC（commonwealth advisory aeronautical research council）标准高层建筑模型绕流模拟,并将模拟结果与风洞试验进行了比较.研究结果表明:大涡模拟能较好地反映高层建筑周围风场绕流特性和表面风压分布.随着湍流积分尺度的增大,平均运动的变形率向湍流脉动输入能量,以致平均风速降低、湍流强度增大;侧面风压脉动性降低15%、分离流附着提前出现;基底扭矩谱和弯矩谱的峰值及高频段幅值均减小;层斯托罗哈数在0.4倍建筑高度以下基本相同,随高度的增加其值下降20%~30%;层平均阻力系数下降5%~10%;迎风面风压系数平均值下降2%~5%,侧面和背面下降12%~17%.湍流积分尺度对迎风面和侧面上风向的风压水平相关性、层升力和0.8倍建筑高度以下的层阻力相关性的影响可以忽略.随湍流积分尺度的增大,风压水平相关系数增大,背风面增大5%~10%,侧面下风向增大15%~25%,0.8倍建筑高度以上层阻力相关性系数增大25%~50%.B类地貌湍流积分尺度的调整系数为0.4时,计算得到的风荷载与试验结果趋于一致.      

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．     

高速列车随车移动点的脉动风速模拟

以修正Karman风速谱为目标谱, 基于最小信息准则确定线性滤波法自回归模型的阶数, 采用线性滤波法和谐波叠加法模拟了高速列车随车移动点的脉动风速时间历程, 并验证了模拟结果的可靠性, 对比了2种方法模拟脉动风速均值、方差、幅频、相频等特征变量以及风速分布规律的差异, 并分析了2种方法的计算效率。分析结果表明: 采用2种方法得到的脉动风速功率谱密度均围绕目标谱波动; 脉动风速均值约为0, 由于随机数的使用, 使得脉动风速峰值在个别时间点存在差异, 且在低频区域得到的仿真谱差异可能超过50%;不同风向角下计算所得脉动风速均值的差异小于2%, 且脉动风速的分布规律几乎一致; 当列车运行速度为80m·s-1, 且距地面高度10m处平均风速为25m·s-1时, 2种方法得到的脉动风速峰值均值间的差异小于1%, 表明2种方法均适用于模拟高速列车随车移动点的脉动风速; 2种方法所得脉动风速幅值均随脉动风速频率的增大而减小, 相位在-π~π内波动, 脉动风速分布在-3~3m·s-1内的差异仅为0.48%;采用2种方法所得脉动风速点数满足高斯分布, 且高斯分布拟合系数最大差异为3.15%;采用线性滤波法模拟所得脉动风速波动比谐波叠加法大7.89%, 其稳定性劣于谐波叠加法; 采用线性滤波法的计算时间约为谐波叠加法的1/9, 其计算效率远高于谐波叠加法。      

非稳态载荷对二维轮轨纯滚动接触应力和变形的影响

为了揭示轮轨波状表面与非稳态载荷的内在联系,利用有限元法,建立了二维弹塑性轮轨纯滚动接触计算模型,分析法向接触载荷波动值对钢轨残余应力、应变和变形的影响。模型中材料本构采用考虑棘轮效应的Jiang-Sehitoglu模型,非稳态仅考虑法向接触载荷的简谐变化,用弹塑性无限半空间表面上重复移动赫兹法向压力分布模拟反复纯滚动接触过程。发现非稳态法向接触载荷作用下产生同样波长的波状接触表面;随滚动次数的增加,残余应力增大,但很快趋于稳定,而残余应变也增大,但增大速率衰减;载荷波动值越大,波谷和波峰处的纵向残余应力越大,波谷处的轴向残余应力、残余剪应变和表面纵向位移越大,而波峰处的轴向残余应力、残余剪应变和表面纵向位移越小,波深越大。     

基于FLUENT的直流漏沙式风沙风洞研究

目前的风沙风洞大多适用于风沙地貌、风沙环境的研究以及防护治理,而用于结构风工程的风沙风洞很少,因为其需要在一定高度处能够实现风速和风沙浓度可调的均匀稳定段.为了研究直流漏沙式风沙风洞中风沙流的分布规律,运用FLUENT建立风洞模型,通过对已有的漏沙风洞试验进行数值模拟,验证了模型的正确性.进一步基于风洞风速、漏沙体积分数、漏沙速度等参数对风洞风沙流的影响规律,提出了一种新型的水平多口风洞漏沙装置.对该风沙风洞的分析表明:在试验模拟浓度的范围内,风洞风速越大,同一位置的沙粒分布高度越高;漏沙体积分数和漏沙速度主要影响单位时间内进入风洞的沙粒质量,且试验位置沙粒浓度的峰值与单位时间进入风洞的沙粒质量成正比;该风沙风洞可以得到约1/2风洞高度的沙粒浓度均匀试验段,并可以通过调节漏沙体积分数、漏沙速度和试验位置可得到试验所需的试验风速及对应的沙粒浓度,使其能很好地完成风工程中的风沙定量试验.      

格库铁路HDPE板栅栏有效防护距离

以格库铁路现场风沙试验段为研究对象, 运用数值模拟方法研究了HDPE板栅栏周围的风沙流场, 给出了不同初始风速下HDPE板栅栏有效防护距离与其孔隙率和高度的关系, 研究结果表明: 气流经过HDPE板栅栏时, 气流速度在栅栏前降低较快, 在栅栏后恢复较快, 经过一段距离后逐渐恢复到初始风速, 气流速度整体呈V形分布, 气流速度增减幅度随HDPE板栅栏孔隙率的增大逐渐减小; 在同一孔隙率下, 初始风速分别为6、24 m·s-1时, HDPE板栅栏背风侧回流区相差4.5倍HDPE板栅栏的高度; 孔隙率为60%时, 最小气流速度为8.9 m·s-1, HDPE板栅栏背风侧回流消失; 随着HDPE板孔隙率的增大, 最小气流速度逐渐增大; HDPE板栅栏的孔隙率存在不产生栅栏背风侧回流区的界限孔隙率, 为40%~60%;孔隙率小于50%时, 随着HDPE板孔隙率的增大, 有效防护距离逐渐增大, 孔隙率大于50%时, 随着HDPE板孔隙率的增大, 有效防护距离逐渐减小, 当孔隙率趋于100%时, 其有效防护距离趋于0, 因此, HDPE板栅栏的最优孔隙率为50%;随着高度的增加, HDPE板栅栏背风侧恢复到初始风速的距离增加, 同一风速下, 孔隙率为50%的HDPE板栅栏的有效防护距离是孔隙率为25%的HDPE板栅栏的1.35倍; 在现场布设HDPE板栅栏时建议使用40%~50%孔隙率的栅栏, 在经济条件允许的情况下可考虑适当增加栅栏高度, 以保证路基免受风沙侵蚀。      

基于车辆-移动轨道耦合模型的列车碰撞爬车行为

为了揭示车辆参数对列车碰撞爬车行为的影响规律,首先基于车轨耦合的基本思路,建立车辆模型和移动轨道模型,用非线性轮轨接触模型耦合车辆模型和移动轨道模型;非线性钩缓装置模型用于连接相邻的两个车辆模型;然后通过模拟两同型列车低速正面碰撞,获得了不同参数情况下车辆和轨道的动态响应;最后用车轮抬升量作为车辆碰撞爬车指标,分析了车轮抬升量对碰撞速度、车体质心高度和二系垂向刚度的灵敏度和相对灵敏度. 结果表明:在其他条件不变的情况下,当碰撞速度增大至27 km/h时,车轮抬升量陡增至36.5 mm;质心高度增大20%时,车轮抬升量增加41%;二系垂向刚度增大20%时,车轮抬升量减小16.6%;车轮抬升量随碰撞速度和质心高度的增大而增大,而随着二系垂向刚度的增大而减小;车轮抬升量对碰撞速度的灵敏度是非线性的;质心高度和二系垂向刚度的相对灵敏度分别为205%和?83%.      

强风环境下棒形绝缘子积污动态仿真分析

为探讨高速铁路绝缘子表面的积污特性,分析了污秽颗粒在强气流环境中的受力情况,建立了QBJ-25/20型绝缘子积污的仿真模型.以绝缘子伞裙表面污秽的体积分数反映其积污状况,得到了绝缘子伞裙上、下表面积污与风速及来流角度之间的关系.结果表明:在高速气流中,绝缘子表面积污量与来流角度、气流速度呈负指数关系;当来流角度在0°～90°之间时,伞裙上表面受来流角度的影响较大,而下表面受气流速度的影响更明显;积污量随污秽颗粒直径增大呈先增大后减小的趋势.     

基于PIV试验的积雪平屋面风场特性研究

为研究屋盖积雪对低矮平屋面风场特性的干扰影响，基于风吹雪风洞试验，通过3D打印获得平屋面的3D积雪形态，并以无积雪模型作为对照，系统地开展了PIV (particle image velocimetry)风洞试验，并结合LES(large eddy simulation)方法，研究了6组平屋面建筑有无积雪时的流场分布特性.试验研究表明：当无积雪时，来流在屋面前缘处分离后能形成典型的分离泡流动，分离泡内速度场存在明显逆流现象；当有积雪时，屋面上方的逆流减弱甚至消失，积雪显著地加快了流经屋面附近流场的速度，其最大速度增量约为0.6，同时，流线分布更贴合模型壁面，速度梯度增大，也相对增大了涡量值；积雪会使得屋面上方整体的时均湍动能和切应力均减小，但对屋面迎风区域的平均和脉动风压均有增大作用，其增大比值约为15%和20%.通过该研究可进一步对低矮建筑的风雪荷载作用机理展开分析，为屋盖结构的抗风雪设计提供参考.     

Investigation of Wall Pressure Fluctuations in a Turbulent Boundary Layer by Large Eddy Simulation

Large eddy simulation (LES) was used to investigate the space-time field of the low Mach number, fully developed turbulent boundary layer on a smooth, rigid flat plate. The wall-pressure field simulated by LES was analyzed to obtain the pressure statistics, including the wall-pressure root-mean square, skewness and flatness factors, which show the wall pressure distribution was not Gaussian. The profile of the auto-power spectral density and the contour of the streamwise wavenumber-frequency spectral density of wall-pressure were plotted. The "convection ridge" can be observed clearly and the convection velocity can be calculated from the location of the convection peak.     

绕方柱流速度场的数值模拟

采用有限差分法 ,对雷诺数为 2 .2× 10 4 的三维绕方柱流的速度场进行了大涡模拟。运用时间分裂控制(Split Operator)法 ,将N S方程分为对流步、扩散步和传播步。对Smagorinsky假设在近壁区的发散问题用两层模型而非通常采用的WallDampingFunction进行处理。对流项用迎风 中心差分格式模拟 ,压力方程用SOR法迭代求解。计算得到的沿对称线的时均顺流向速度的计算结果与文献上的实验结果进行了比较 ,结果吻合较好。     

Numerical study for turbulent flow of drag and flow noise with wavy wall

In this paper, a numerical simulation of flow-induced noise by the low Mach number turbulent flow with a sinusoidal wavy wall was presented based on the unsteady incompressible Navier-Stokes equations and Lighthill’s acoustic analogy. Large eddy simulation (LES) was used to investigate the space-time flow field and the Smagorinsky sub-grid scale (SGS) model was introduced for turbulence model. Using Lighthill’s acoustics analogy, the flow field simulated by LES was taken as near-field sound sources and radiated sound from turbulent flow was computed by the Curle’s integral formulation under the low Mach number approximation. Both spanwise wavy wall and streamwise wavy wall with various wall wave amplitudes were discussed to investigate their effects on reducing the drag and flow noise. The relationship between flow noise and drag on the wavy wall is also studied.     

隧道施工环境中有限空间附壁射流的试验研究

目的是研究在隧道施工中限空间附壁射流运动的规律,通过大量的试验并结合理论分析,得出如下结论：在有限空间内,附壁射流的流动区域可分３部分：附壁射流区、回流区和涡流区;有限空间附壁射流边界近似为直线,射流扩散角约为７．６７、;在射流的初始段和主体段流动都具有相似性;有限空间附壁射流的断面最大速度沿程衰减,且比半无限空间内衰减得快;有限空间附壁射流回流区第度随风管出口流量的增加而增长,并给出了计算公式。     

低速下不同入口位置塔式曝气池气液两相数值模拟

为了研究不同入口下塔式曝气池气液两相流动规律,采用欧拉双流体模型耦合群体平衡模型（PBM,population balance model）,在对计算域网格及气相分布与实验验证的基础上,研究了四种距离曝气池底部中心不同位置处的入口对曝气池内气液两相流动的影响,探讨了气含率、气泡数密度、液相水平速度等流体动力学性质,以期为塔式曝气池设计提供指导和依据.研究结果表明:欧拉双流体模型耦合PBM的模拟结果优于单一气泡尺寸的欧拉双流体模型;曝气池内气含率、气相分布、旋涡强度、液相水平速度均受入口位置影响;当入口位置逐渐远离曝气池中心时,气相分布逐渐呈之字形,旋涡强度增大,气含率及气泡羽流周期则先增大后减小;入口位置对气泡数密度无明显影响,气泡数密度在气泡直径5.95 mm下分布最多.      

Experimental Investigation into the Effect of Roll Amplitude on Roll Damping

An in-house large eddy simulation(LES) code has been developed in the previous study. In order to validate the code for simulation of roll motion, effect of roll amplitude on forced roll damping is experimentally investigated in a circulating water channel at Shanghai Jiao Tong University(SJTU). KRISO very large crude carrier 2(KVLCC2) is taken as a target ship, and a model with a scale of 1 : 128.77 is manufactured. Tests are carried out for the ship model at shallow draft with frequencies around its natural roll frequency, where natural roll frequency is attained via free roll decay. Six forced roll tests with roll amplitudes ranging from 1?to 4?are performed experimentally, and three forced roll motions are simulated with the in-house LES code for middle section of the ship model. Discrepancies between the computed roll damping coefficients and the ones from forced roll tests are quite small. By means of particle image velocimetry(PIV), velocity fields in the vicinity of the ship model, and generation and evolution of vortices near the ship bilge are measured in detail. It is shown that roll amplitude has a significant effect on the vortex behavior, and therefore on the magnitude of roll damping coefficient. Further experimental and numerical investigation into roll motions with large amplitudes is planned.     

Numerical analysis and experimental study of the effect of workpiece thickness on flow field in laser cutting

Based on Navier-Stokes equation and renormalization group (RNG) onflow model, the 3D symmetrical impinging jet model of laser cutting is established by adopting a taper nozzle and a convergence nozzle. Numerical simulation of gas flow in laser cutting is used to investigate the effect of workpiece thickness on flow field of assist gas in cutting slot. The isolines of static pressure as well as the distributions of static pressure and velocity are analyzed in details with different workpiece thickness, and the trend of dynamics characteristics of gas jet is shown in the study. For taper nozzles and convergence nozzles, the dynamic structure of assist gas being close to the lower surface of workpiece is exacerbated while the cutting quality and cutting efficiency become worse with the increasing of workpiece thickness. The parallel degree between assist gas and the axis of convergence nozzle is better than that of taper nozzle after the gas goes out of the nozzles. Two typical subsonic nozzles are designed for the cutting experiment at the end of the paper.