高雷诺数下方柱绕流特性的数值模拟

为研究高雷诺数为22 000下方柱周围流场形态及气动力特性,基于开源计算流体动力学（computational fluid dynamic,CFD）软件OpenFoam平台,采用基于动态亚格子模型的大涡模拟（large eddy simulation,LES）方法,对均匀来流作用下的方柱绕流进行了三维数值模拟.首先,通过对基于时间积分的平均积分分量的比较,验证了本数值计算的准确性;其次,深入分析了方柱周围及其尾流区的流场结构,给出了流场结构的平均和湍流特征,并在此基础上,研究了其气动力特性;最后,分析了两种长径比下表面压力的展向空间相关性.研究结果表明:雷诺数为22 000下方柱尾流区回转长度为1.37倍方柱宽度,Strouhal数为0.121,脉动升力系数为1.40;展向长度取8倍方柱宽度可更准确地获得周围湍流特性.      

碳纤维布-钢筋混凝土组合方柱的轴压试验

对纤维约束圆形截面混凝土柱的性能已有较多的研究,但我国大多数是使用方形柱或矩形截面柱,而对碳纤维布一钢筋混凝土组合方柱承压性能的研究相对较少。通过对该组合方柱的轴压试验,考虑碳纤维布间距和箍筋间距的变化对组合方柱破坏形态以及加固效果的影响,并绘制了荷载-应变试验曲线。结果表明：组合方柱的承载力提高效果明显;延性有较显著的改善;除个别柱外,碳纤维、混凝土和钢筋3者具有良好的变形协调性     

真空管道磁浮交通气动特性的尺度效应

为了探究管道列车的尺度对波系、尾涡以及气动载荷的影响，基于CFD软件建立三种模型尺度（1∶1,1∶5和1∶10），同时考虑两种悬浮间隙关系（车轨相对间隙不变和绝对悬浮高度不变）的模型；采用改进的延迟分离涡模拟（IDDES）湍流模型和重叠网格技术模拟了列车在管道动态运动，并用风洞试验数据验证了数值方法和网格策略的合理性.研究结果表明：列车尺度（雷诺数）增大，车前活塞区域变长，尾流扰动区范围缩短；雷诺数对近尾流区的涡对演化影响较小，但在远尾流区，随着列车尺度减小，涡对脉动变强，涡对强度的差异导致了车后正激波形态的差异；列车表面最大正压值和最大负压值均随着列车尺度增大而增大，悬浮间隙对最大正压值影响较小，但与最大负压值成正相关关系；尺度效应从压差阻力和摩擦阻力两方面共同影响气动阻力，整车摩擦阻力和头、中间车的压差阻力与雷诺数正相关，但是尾车压差阻力受附着激波的强度影响恰恰相反；列车尺度和悬浮高度均对升力影响较大.相对于全尺寸模型，1∶10模型（悬浮高度20 mm）的最大正压值减小3.82%，最大负压值增大3.94%，整车总阻力增大8.64%，头车升力减小101.56%，尾车升力增大15.88...     

桥梁墩柱三维绕流特性精细化研究

为了深入研究桥梁墩柱水流力的特点及产生机理,对典型桥墩模型考虑自由液面影响时的三维绕流展开了精细化研究. 采用ANSYS FLUENT 作为数值模拟工具,研究了整个墩柱阻力和升力特点,并将墩柱模型从柱底到柱顶划分为5个分段,对比了各个分段阻力、升力特点及沿着水深的变化规律,进一步分析了自由液面、底部边界对漩涡结构的影响,阐述了流场三维特性与墩柱水流力之间的关系. 研究结果表明:墩柱水流力沿着水深是非一致分布的,墩柱分为5段（c1～c5）,其中c1～c4分段阻力均值与圆柱整体受力的比值分别约为25%、30%、25%、20%,c5分段处于空气中受力贡献近似为0;另外阻力振幅、升力振幅中下部较大,而底部、中上部、液面处较小;漩涡交替脱落导致墩柱左右两侧自由液面交替起伏,自由液面对漩涡产生抑制作用,自由液面处产生多个尺度不同的漩涡,这与液面下仅有两个交替脱落的漩涡是不同的;墩柱中下部漩涡脱落比其余位置有所滞后,导致柱体不同分段处升力有明显的相位差;墩柱升力振幅与阻力均值分别为5.511 N和3.695 N,相差不大,升力引起的桥墩或桥梁的振动不可忽视.      

升力翼对高速列车列车风与尾流特性的影响

为探究在高速列车车顶安装升力翼后引起的列车周围流场剧变，以三车编组1∶10缩尺比某型CRH高速列车模型为研究对象，采用基于两方程湍流模型的改进型延迟分离涡模拟(IDDES)方法，对比分析了有无升力翼的2种高速列车时均和瞬时列车风的发展规律；利用涡旋识别方法探讨了尾迹区瞬时涡结构分布特征，通过比较尾迹区不同流向位置的列车风分布特征与尾流涡旋移动规律，验证了列车风速度峰值与尾涡非定常特性的相关性，采用频谱分析方法获得了尾迹区速度功率谱密度曲线。研究结果表明：升力翼的几何外形结构加剧了车身表面边界层分离，令列车顶部和侧表面边界层厚度增大；升力翼使列车风速度峰值增大，其中在轨侧和站台位置最大时均列车风速度分别增大了1.556和1.327倍，且相较原型列车第2个峰值位置延后；由于翼尖涡不断向下游发展和累积，升力翼列车尾流结构表现为大尺度涡对中夹杂着一对更为破碎的细小涡旋，相较原型列车，涡旋与地面之间的剪切作用更强，升力翼列车尾流时均列车风速度在展向分布上有所增大，但垂直分布上有所降低，并在水平面上出现更明显的剪切分离；升力翼列车尾迹中包含较多破碎的小尺度涡，进而影响了尾迹涡脱落频率，使之比原型列...     

横风中高速列车以及桥梁的气动特性研究

运用通用的流体动力学软件FLUENT,利用二维定常不可压缩Navier-Stokes方程、SST湍流模型,采用有限体积法分析计算了车辆断面、32 m箱型简支梁桥断面以及两者组合体在15 m/s横风作用下受到的阻力、升力和倾覆力矩系数。数值分析结果表明,在横向风的作用下,发现车辆在简支梁桥上时,车辆受到的升力系数大于车辆单体的情况,倾覆力距系数明显小于车辆单体情况,而此时简支梁桥的升力系数明显小于简支梁桥单体情况。     

缆索承重桥近距离并列索气动力的雷诺数效应

近距离并列索在工程实际中有着广泛的应用,但针对并列索的气动性能及其雷诺数效应的研究并不多,特别是在临界雷诺数区域。通过风洞试验,在雷诺数Re=0.9×105~3.2×105之间(涉及亚临界雷诺数和临界雷诺数)研究了近距离双圆柱的气动性能及其雷诺数效应。研究结果表明:近距离双圆柱的气动性能有强烈的雷诺数效应,在不同的风攻向角下,临界雷诺数的圆柱平均气动力系数与亚临界区有很大差异;在临界雷诺数区域,下游圆柱的平均升力系数可达到1.35以上,平均升力系数与阻力系数会随雷诺数的变化发生不连续突变,这应该是流态发生了变化;上游圆柱的平均升力系数可达1.0以上,平均升力系数会随雷诺数的变化发生不连续突变,这种气动力的突变与双圆柱绕流场的流态结构的变化有关。     

大风区不同路堑结构中高速动车组的气动特性

建立长路堑路段高速动车组运行模型,通过数值模拟得到不同工况下动车组气动力,分析强横风环境下路堑结构对动车组气动特性的影响.研究表明:不同路堑结构中气动阻力均随风速和车速增大而增大,深路堑中动车组气动阻力约为浅路堑的2～2.5倍;在3 m深度的浅路堑结构中,动车组所受升力为正值,升力和横向力均随横风风速增大而增大;而在10 m深度的深路堑结构中,动车组所受升力为负值,升力随横风风速增大而增大,横向力随风速增大而减小;分析车速对气动力的影响:在浅路堑结构中,除阻力外,列车车速对其他气动力影响较小;在深路堑中,动车组气动力大小均随车速增大而增大,在相同风速条件下,当风速高于15 m/s时,车速每增大50 km/h,横向力和倾覆力矩增大约50%.     

上下臂杆直径对高速受电弓气动抬升力的影响

建立了7种不同直径上臂杆和7种不同直径下臂杆的受电弓模型，对受电弓进行空气动力学数值模拟计算，采用多体动力学方法计算了受电弓的气动抬升力，从气动力及流场特性的角度研究了受电弓上下臂杆直径对受电弓气动性能、气动抬升力的影响规律。研究结果表明:开口运行工况上臂杆气动升力和受电弓气动抬升力都随着上臂杆直径增加而增大，随着下臂杆直径增大而减小，但下臂杆直径对受电弓气动抬升力的影响较小；闭口运行工况上臂杆气动升力和受电弓气动抬升力都随着上臂杆直径增大而减小，随着下臂杆直径增加而增大；开闭口运行工况上臂杆主体杆件气动阻力仅为上臂杆气动阻力的3%~10%，气动升力为上臂杆气动升力的26%~55%，下臂杆主体杆件气动阻力为下臂杆气动阻力的10%~25%，气动升力为下臂杆气动升力的43%~68%，直径的改变对上下臂杆气动升力的影响较大，对气动阻力的影响较小；闭口运行工况上下臂杆气动阻力的绝对值都大于开口运行工况。      

低雷诺数下类方柱绕流的数值模拟研究

为了改进标准方柱(直边尖角柱)的气动性能,以经过角(尖角、圆角)、边(直边、凹边和凸边)形状修正的类方柱为研究对象,采用非定常数值模拟方法,在低雷诺数下研究了6类二维柱体在不同风向角下的气动性能和流场特性。研究结果表明:对标准方柱的角、边形状的修正可明显改变其绕流场结构,会改善或劣化其气动性能;与直边柱体相比,凸边柱体的气动力系数和风压系数明显减小,而凹边柱体的气动力系数和风压系数均有增大的趋势;与尖角柱体相比,圆角化后柱体的气动力系数在所有风向角下呈整体下降趋势,Strouhal数增大;从总体上看,在研究的6类柱体中,凸边圆角柱的气动性能最好,凹边尖角柱的气动性能最差。     

近距平行跑道间隔确定方法

应用最不利环境下的尾流运动特性,研究了近距平行跑道相关平行进近模式下配对飞机斜距、进近下滑角和机型组合对跑道间隔的影响,利用最小尾流间隔标准和NASA侧风统计数据,并根据机型参数,提出了跑道中心线间距和跑道头错开间距的确定方法.分析结果表明:当配对前后机的斜向间隔标准一定时,跑道头错开间距随中心线间距和配对后机下滑角的增大而减小;当配对前后机下滑角相同时,跑道头错开间距随中心线间距和斜向间隔标准的增大而减小;当跑道中心线间距为380m,前后机下滑角均为3°,斜向间隔标准为2 780m时,长沙黄花国际机场跑道头错开间距应不小于1 483 m,符合国外已授权机场跑道参数.     

上海新电视塔风载试验研究

本文主要分析上海浦东新电视塔上的风荷载分布情况。其风洞试验在中国气动力研究与发展中心低速所８ｍ×６ｍ大型低速风洞中进行，获得了电视塔模型上的整体气动荷载和压力分布。重点探讨了柱群与球体的气动力干扰，邻近建筑物对电视塔的干扰，迎风角变化的影响以及Ｒｅ数的模拟等问题。由试验可见，列时，柱间易发生“稳态偏流”，使处于尾流区的第三柱上的压力分布发生很大变化，并容易受激振动。当存在多柱干扰时，圆柱阻力将会增     

气动翼对高速磁悬浮列车升力特性的影响

磁悬浮列车高速运行时受到较大气动升力作用,尤其是尾车向上的气动升力较大,易使悬浮性能恶化,甚至导致悬浮控制系统失效,影响列车的乘坐舒适性及运行安全性,因此亟待开展高速磁悬浮列车的尾车升力特性研究及改善工作. 对开展过风洞试验的高速磁悬浮列车进行数值模拟计算,得到的列车表面压力系数与风洞实验数据吻合较好,并加装气动翼改善高速磁悬浮尾车气动升力,研究了气动翼角度、数量对尾车气动性能的影响. 研究结果表明:仅安装一个气动翼时,其自身的气动升力随角度的增加而减小,但尾车气动升力则呈现先减小后增大的规律,气动翼角度为12.5° 时尾车升力最小,与原始磁悬浮列车相比气动升力系数减小3.9%,气动翼及尾车气动阻力略有增加;以气动翼与车体切线角度保持不变为基准在尾车安装多个12.5° 气动翼,不同位置气动翼的气动阻力基本相同,气动翼数量增加后尾车气动阻力随之增大;不同位置气动翼的气动升力存在差异,向鼻尖方向气动翼的气动升力递减,尾车气动升力随气动翼数量增加先减小后趋于稳定;各方案中安装2个气动翼的磁悬浮列车气动性能相对更优,与原始磁悬浮列车相比尾车气动升力减小4.6%,整车阻力仅增加1.4%.      

基于振动响应的高铁声屏障结构体系研究

为了研究不同开口形式的封闭式声屏障在高速列车所产生风压作用下的受力特征，以某高铁声屏障为研究对象，利用有限元软件Midas建立顶部不同开口间距的双侧封闭式声屏障及顶部不同覆盖长度的单侧封闭式声屏障整体模型；将速度为350 km/h的列车驶过时产生的脉动风压激励时程作用于声屏障结构整体模型，计算得到声屏障结构的静力响应和动力时程曲线；最后计算动力放大系数. 研究结果表明:双侧封闭式声屏障顶部增加开口间距和单侧封闭式声屏障顶部覆盖长度减小都有利于风压的释放，改善结构受力情况，随着开口间距增加或覆盖长度减小，有利作用愈加明显；对于双侧封闭式声屏障，开口2 m时立柱最大动应力是开口8 m时立柱最大应力的1.15倍，放大系数也增加0.12；对于单侧封闭式声屏障中，覆盖8 m时立柱的最大动应力是覆盖2 m时立柱的最大动应力的1.28倍，放大系数也增加0.37.      

斜拉桥顺流双排缆索的涡激振动研究

本文针对斜拉桥缆索发生涡激振动时，顺流双排缆索间的相互干扰效应进行了理论分析和实验研究。研究结果表明：当两索间距Ｌ≤５Ｄ时，处于上游索尾迹区内的下游索发生大幅振动的可能性不大；当Ｌ＝４－６Ｄ时，下游索对上游索的涡激振动却产生增强作用。这对工程实际中斜拉桥缆索的合理布置，提供了可靠的理论依据。     

流线型箱梁涡振主动吹气流动控制及作用机理

为研究基于主动吹气的流动抑振措施对流线型箱梁涡振性能的影响,进行了1∶50刚性节段模型自由悬挂风洞试验,节段模型与吹气装置连接以达到流动控制效果,分析了主梁处于最不利5°攻角时不同气孔参数下的涡振响应,并通过数值模拟重现了主梁竖弯涡振,分析了主动吹气对抑制主梁涡振的作用机理。研究结果表明:5°攻角原设计断面出现明显竖弯及扭转涡振现象,其中竖弯及扭转涡振分别有2个锁定区间,在竖弯第2锁定区间及扭转第1锁定区间出现涡振响应峰值;主动吹气的流动控制对主梁涡振响应幅值及涡振区间均有较大影响;主梁竖弯涡振在下腹板上下游或者下游吹气速率10 m·s-1时消失,最佳抑制效果达91.9%;吹气速率5 m·s-1对于扭转涡振有明显抑制作用,扭转涡振最佳抑制效果达65.4%;吹气速率对于涡振性能影响明显,吹气速率10 m·s-1的竖弯抑制效果优于吹气速率5 m·s-1,而吹气速率5 m·s-1的扭转抑制效果优于吹气速率10 m·s-1;气孔间距2.5 m工况总体涡振控制效果优于气孔间距5.0 m工况;气孔布置在下腹板的工况抑制效果优于气孔布置在上腹板的工况;当气孔布置于下游下腹板处,吹气速率达10 m·s-1,气孔间距为2.5 m时,主动吹气降低了主梁下游上下表面周期性脉动压差,破坏了下游下腹板处的负压中心,故其能有效抑制主梁竖弯涡振。      

不同排障器导流罩对高速列车阻力及升力的影响

利用风洞试验与CFD方法,比较分析某型高速动车组在四种不同排障器导流罩型式下气动特性,发现排障器导流罩以及不同型式的排障器导流罩能明显影响到列车的整车阻力及尾车升力性能.排障器导流罩可以阻止来自列车前方的气流进入转向架区域,并能够将车头前方的气流导向两侧,阻止车头前方死水区的形成.不同型式排障器导流罩对整车的阻力性能的影响最大可以到4%左右,并在大侧风条件下明显影响尾车升力性能,当侧偏角大于18°后不同型式的排障器对尾车升力性能的影响明显增加.因此合理的设计排障器导流罩至关重要.     

降雨环境下大气底层边界型风场对高速列车气动特性影响

采用大气底层边界速度型风场模拟自然风和Marshall-Palmer雨滴谱模型,应用离散相模型研究了风雨联合作用环境下列车运行时气动特性的变化情况.结果表明:雨滴颗粒的加入扰乱了列车周围气流的正常流动,减轻了列车背风侧气流漩涡的脱落,列车迎风侧和背风侧的压力差减小;降雨强度对列车气动特性影响不大,从20 mm/h增大到100 mm/h,受影响最大的横向力仅增大了9.11%;风雨耦合环境下列车的运行速度对气动阻力影响较明显,列车时速从200 km/h到400 km/h,阻力增大了102%;随着车速增大,车辆所受横向力与升力的变化规律与车辆在列车中的位置相关,头车所受到横向力明显增大,而尾车的横向力则呈减小趋势,而所受升力正好相反,头车呈减小趋势,尾车则明显升高.     

绕丝加固钢管混凝土柱轴压承载力计算

通过对缠绕不同间距钢丝绳的钢管混凝土柱试件进行轴心受压试验,研究绕丝加固钢管混凝土柱的承载力、强度、变形能力以及破坏的发展形态,并与普通钢管混凝土柱对比,研究钢丝绳用量(不同间距)对其力学性能的影响。研究结果表明:缠绕钢丝绳可以明显提升钢管混凝土柱的承载能力,提升幅度随着缠绕钢丝绳间距的减小而增大,缠绕钢丝绳对钢管混凝土柱起到了很好的约束效果,且间距越小,其约束效果越好,承载力性能提升越明显。基于相关试验结果,预测绕丝加固钢管混凝土柱的承载力计算模型,验证了该预测模型与试验结果总体一致。     

绕圆柱湍流流场及其发展的计算

为研究绕圆柱湍流流场及其发展变化,应用RNGκ-ε模型和有限体积法求解非定常雷诺平均纳维尔-斯托克斯(URANS)方程,以二阶隐式时间离散和二阶迎风空间离散格式对控制方程进行离散,采用SIMPLEC算法耦合求解平均速度场和压力场.在Re=103～107范围内对流场进行了数值模拟计算,得到了速度场、涡量场及其湍流脉动参数在下游的发展变化规律.计算与分析结果表明:在高雷诺数条件下,回流区减小,尾流区变窄,尾流在主流方向的影响区域变小,涡量向下游的衰减更慢,湍流动能和湍流耗散率在下游的影响区域也减小.