安装肋条斜拉索的涡激振动和气动力特性研究

以安装肋条斜拉索为研究对象,通过风洞试验系统研究肋条的安装方式(通长安装和间断交错安装)、尺寸和数量对斜拉索涡激振动和气动力的影响,并分析涡激振动的抑制机理.结果表明:和标准斜拉索相比,安装肋条斜拉索能有效抑制涡激振动,且间断交错安装方式的抑振效果优于通长安装方式,肋条数量为8根的控制效果优于6根和12根;增加肋条宽度和厚度都会减小涡激振动振幅;肋条斜拉索的脉动升力系数显著小于标准斜拉索,且功率谱尖峰幅值降低或不存在显著尖峰,表明间断交错肋条可以降低卡门涡脱落强度甚至完全抑制;对于气动力,在试验雷诺数范围内,安装肋条后平均气动力系数无明显雷诺数效应;相比于标准斜拉索,肋条为通长安装时均会增加斜拉索的平均阻力系数,而采用间断交错安装时,不同肋条数量、尺寸和风攻角对斜拉索的增阻减阻情况不同.当采用8根尺寸为20 mm×15mm的肋条间断交错安装时,在所有风攻角下都有良好的抑振效果,最大涡振振幅减小率可达到96.79%,且平均阻力系数均稳定在1.13附近,平均升力系数均稳定在0附近.

桥梁风工程研究中的雷诺数效应研究进展

桥梁风工程研究中的雷诺数效应问题是伴随着风洞试验方法产生的一个基础性问题,随着桥梁尺寸的增大其雷诺数也逐渐增大,风洞试验雷诺数和实桥梁雷诺数的差别对试验结果的影响越来越受重视。该研究阐述了雷诺数效应问题的由来,回顾了雷诺数效应研究的发展历程,总结了针对圆形断面、矩形断面、主梁断面等不同桥梁结构断面雷诺数效应问题的研究进展,包括结构周围流场、气动力、风致振动随雷诺数的变化,指出了桥梁风工程雷诺数效应研究中尚待解决的问题,为今后该领域的研究提供参考和建议。

基于CEEMD和统计参数的斜拉桥损伤识别方法研究

为解决仅使用互补集成经验模态分解(complementary ensemble empirical mode decomposition,CEEMD)方法的斜拉桥信号分解存在含噪固有模态函数(intrinsic mode function,IMF)分量且不能进行损伤定量的问题,提出了一种基于CEEMD与统计参数方法相结合的斜拉桥损伤识别方法。该方法基于CEEMD方法对斜拉桥动力响应信号进行自适应性分解,确定适用的白噪声幅值标准差并推导CEEMD方法的集成次数,得到各阶IMF分量;采用欧氏距离对分解的IMF分量进行谱系聚类分析以避免模态混叠现象;采用峰度统计参数的有效权重峰度指标方法滤除含噪IMF分量,提取有效IMF分量并重构为有效IMF分量和;利用变异系数统计参数、二阶中心差分法和泰勒展开式推导损伤定位指标,根据四阶统计矩峰度统计参数推导损伤定量指标。用所提方法对某斜拉桥进行损伤识别研究,结果表明:仿真分析的损伤定位识别精度为100%,损伤定量最大误差为1.80%;在高斯白噪声干扰下,损伤定位不受影响,损伤定量最大误差为1.88%;进行实桥的损伤识别,结果表明实桥主梁无损伤。

基于WRF模式的康定地区风吹雪易发性判断

为给通过地形复杂,缺少气象资料的西南艰险山区的铁路研究风吹雪易发性提供方法,以位于该区域的四川省康定市为例,采用中尺度数值天气预报模式(The Weather Research and Forecasting Mode,WRF)对该区域气象要素的时空分布进行模拟.基于WRF模式中各种参数的特点,设计4种参数方案进行计算,采用双层网格嵌套达到降尺度模拟,为了高精度解析大气边界层过程,在竖直方向、近地面1.5km高度内加密为15层,提取康定站计算结果与观测结果进行比较.结果表明,WRF模式的计算结果符合康定市气候特征,气象要素的相关系数均高于0.5;风吹雪发生概率从高到低的区域依次为康定市东部和南部边缘的贡嘎山区,内部的大雪山段,以及位于101.7°E~102.0°E位置处的铁路线路,概率分别为19%、14%和12%,其他区域的概率低于4%.

风攻角对流线型主梁涡振特性影响的试验研究

涡激振动是主梁在低风速下常发生的一种振动,可能造成主梁疲劳破坏或影响行车舒适性。为了研究风攻角对流线型箱梁涡激振动特性的影响和作用机理,采用节段模型同步测压、测振的方法,分析了风攻角对涡激振动响应、平均和脉动风压、局部气动力对涡振的贡献系数的影响。结果表明:涡振振幅随风攻角的增大呈增大趋势;不同风攻角的上表面平均压力系数不同,在-5°风攻角时最大,在+5°风攻角时最小;当风攻角为正时,主梁上表面下游区域和下表面迎风侧斜腹板前端脉动压力系数波动较大,风攻角在一定程度上影响主梁表面脉动压力系数的空间分布,这可能是涡振响应不同的原因之一;风攻角对局部气动力贡献系数有一定的影响,当风攻角为正时,主梁表面气动力对涡激力有增强作用。

带有纵向肋条斜拉索风荷载特性研究

相关研究表明纵向肋条对斜拉索风雨振有良好的抑制效果,但对斜拉索风荷载特性的影响尚未明确。在斜拉索表面布置了宽度和高度均为5 mm的2根长方体肋条,通过风洞测压实验,研究其在不同雷诺数下环向和展向平均风压分布的影响规律。结果表明:肋条使斜拉索展向风荷载在分离点产生了较强的三维性,风荷载沿展向无明显变化规律;双分离泡区内,肋条对于斜拉索的环向风荷载分布规律影响较小;肋条改变分离点的位置,加快了层流到湍流的转捩,使得临界区提前;在低雷诺数区,肋条会加强斜拉索表面流场的三维性,随着雷诺数的升高,斜拉索表面流场的三维性先增强后减弱,到达双分离泡区后,斜拉索流场的三维性趋于稳定。

带肋斜拉索涡激振动和气动力特性的试验研究

为研究肋条安装方式(通长安装与间断交错安装)对斜拉索涡激振动和气动力特性的影响规律,进行了斜拉索节段模型的风洞试验。结果表明:只要安装肋条,就能够在一定程度上抑制斜拉索的涡激振动,在试验参数范围内,斜拉索涡激振动幅值最少可以降低46.16%;当肋条为通长安装时,会明显降低斜拉索涡激振动,但是会造成起振风速的增大或振动区间的延长;当肋条为间断交错安装时,整体抑振效果均好于通长安装情况,风攻角为15°时,肋条斜拉索的抑振效果达到了96.30%,可以用于特定来流风的环境当中;当肋条为间断交错安装时,斜拉索模型的平均阻力系数稳定在1.0~1.3,平均升力系数稳定在-0.07~0.14,具有一定的减阻效果;当风攻角α=15°和30°时,整体脉动气动力系数无明显雷诺数效应,脉动阻力系数稳定在0.025附近,脉动升力系数稳定在0附近,说明安装间断交错肋条后斜拉索具有更好的气动力效应。

不同雷诺数下4∶1圆角矩形柱气动力特性及流场数值模拟研究

圆角化处理的矩形柱绕流具有复杂的气动力和流场特性。为深入了解圆角矩形柱的雷诺数(Reynolds number, Re)效应,采用基于计算流体力学(Computational fluid dynamics, CFD)的大涡模拟(Large eddy simulation,LES)方法,开展了不同Re下宽高比4∶1圆角矩形柱绕流数值模拟,研究了不同Re下圆角矩形柱的气动力系数、斯特劳哈尔数(Strouhal number, St)、风压系数和流场等变化规律。结果表明:表面风压和时均流场在Re≤4×10^(3)时,Re效应显著,但当Re>4×10^(3)时,Re效应较弱。当Re≤4×10^(3)时,升力系数均方根和平均阻力系数随着Re先增大后减小,在Re=1×10^(3)时达到最大;而St先增大后减小再增大,分别在Re=2×10^(3)时达到最大,在Re=4×10^(3)时达到最小。回流长度随着Re先减小后增大,尾流旋涡中心逐渐后移。

迎风角对跳台滑雪运动员飞行气动性能影响的研究

以探究迎风角对跳台滑雪运动员与滑雪板组成的多体系统的飞行气动性能的影响为目的,采用CFD数值模拟方法,在风速为29 m/s情况下,研究了多体系统迎风角为15°、20°、25°、30°、35°、40°六种情况下的气动性能变化情况。并在保证跳台滑雪运动员姿态以及飞行速度不变的情况下,以多体系统的升阻比作为衡量标准,对迎风角对多体系统气动性能的影响情况进行了评估。研究得出:多体系统升阻比随迎风角的增大呈递减趋势,且不同迎风角之间多体系统升阻比差异较大。在多体系统迎风角取为15°时,整个多体系统的升阻比取得最大值,有利于运动员取得良好的气动性能。此外,迎风角对跳台滑雪运动员气动性能影响的研究可为运动员比赛技巧相关的训练提供一定的指导作用。

基于动力学模态分解的方柱绕流非定常流场分析

具有方形断面的结构或构件广泛应用于实际工程中,针对方柱绕流风荷载和风致振动特性开展研究至关重要。方柱绕流的尾流效应往往涉及多种复杂流动现象,捕捉其流动主要模态对深入分析流场特性以及流动控制具有重要意义。该文基于动力学模态分解(Dynamic Mode Decomposition,DMD)方法建立了能够提取流场主要模态并进行流场重构的降阶模型。基于数值模拟获取非定常流场快照;利用DMD进行主要模态提取;基于提取的主要模态对非定常流场进行重构。结果表明:DMD方法提取的前4阶模态能够准确重构原始流场,为流动控制和结构设计提供参考。

煤棚表面风压的多尺度长短期记忆神经网络预测方法

风荷载是影响大跨度空间结构安全性和稳定性的关键因素之一,因此研究结构表面风压对煤棚结构设计具有重要意义。风洞试验是获取煤棚结构表面风压的主要方法,但其存在成本较高和耗时较长的问题。利用风洞试验积累的大量数据发展风压快速预测方法是目前的研究热点之一。该文以长短期记忆(Long Short-Term Memory,LSTM)神经网络为基础,建立了煤棚结构风压时序预测模型,该模型利用高斯平滑将实验数据分为光滑数据和脉动数据,进而分别训练大尺度网络和小尺度网络。结果表明:所提出的多尺度网络预测模型可以实现对煤棚表面风压的快速预测,且相比于传统LSTM神经网络,多尺度LSTM神经网络具有误差小、精度高等优势。因此,基于LSTM的多尺度神经网络可以为煤棚等大跨空间结构表面风压提供依据。

基于等效面积法的三孔并行海底隧道渗流场解析研究

目前对海底隧道渗流场的研究大多基于单孔隧道,考虑到实际工程常采用三孔并行的排布方式,而隧道互相靠近时渗流场会发生干扰,若采用单孔隧道模型其涌水量计算误差可能超过40%。该文对三孔并行海底隧道渗流场进行理论分析,首先分析了理论解析过程中采用等面积法将多心圆形断面简化为圆形断面的合理性;进而提出三孔并行海底隧道渗流场分析模型,以叠加原理为基础,采用镜像法推导出三孔并行海底隧道渗流场解析解,并将公式进行了退化和数值验证。研究结果表明:按照等面积法将多心圆形断面简化为圆形断面分析对隧道总涌水量影响较小;该文解析解具有一定的精度,可以快速预测三孔并行海底隧道涌水量;由于隧道间的泄压作用,三孔并行海底隧道主隧道周边涌水量分布呈现出非对称性。

后缘开缝对S809翼型气动特性的影响

我国风电产业蓬勃发展,离不开国家政策的扶持,若要想可持续发展,依靠市场机制在激烈的竞争中站稳脚步,必须发挥自身的价格优势,这才是由替代能源发展为主流能源的关键,因此降低风电度电成本、提高风力发电效率将至关重要,而发电效率与翼型的气动性能密切相关,优化提高风力机专用翼型的气动性能,是增加风力机风能利用率,提高风力发电效率的关键技术之一。对于优化风力机翼型气动性能的问题,以风力机专用翼型S809翼型为研究对象,采用在翼型后缘开缝的措施,通过数值模拟的方法,研究了雷诺数为50万时翼型开缝后气动性能的变化。结果表明:在5°~10°小攻角范围内,开缝翼型相对于光滑翼型阻力系数大幅上升;0°~13°小攻角条件下,后缘开缝措施会造成翼型的升力系数减小;在14°~20°来流攻角下,后缘开缝措施可以有效提升翼型的升力系数,阻力系数几乎不变,升阻比最大可提升11.4%。通过分析翼型在8°和18°攻角下的流线图和流场云图,在大攻角来流情况下,后缘开缝延迟了流动分离点的位置,抑制了流动分离区域,改善了翼型气动性能。

顺向正弦来流条件下圆柱气动力和绕流流场数值模拟研究

为深入了解顺向阵风来流对圆柱气动力和流场特性的影响,开展了雷诺数(Re)为1000的圆柱绕流三维大涡模拟,研究了不同频率顺向正弦来流对圆柱气动力和流场结构的影响规律,详细分析了升阻力系数、斯特劳哈尔数(St)、回流长度、分离角和尾流结构等参数的变化规律。顺向正弦来流速度为U=U_(0)+Asin(2πft),其中来流频率f的变化范围为0~0.3 Hz,U_(0)为平均速度,A为竖向正弦来流的振幅,设为0.15U_(0)。研究结果表明:圆柱阻力系数卓越频率(即主导频率)与正弦来流频率基本一致,升力系数存在3个明显的频率峰值,分别对应涡脱频率与来流频率之差、涡脱频率、涡脱频率与来流频率之和。随着正弦来流频率f增大,St先减小后增大,在f=0.25 Hz时达到最小值,而回流长度先增大后减小,且在f=0.15 Hz时达到最大值。当f≤St时,分离角不变,而顺流向最小速度逐渐增大;当f>St时,分离角逐渐增大.

基于BP算法的二维阵面推进网格划分方法的优化与应用

在计算流体力学中,网格质量和生成效率对整个算例数值结果精度及运算效率的影响至关重要.本文在BP算法非结构网格阵面推进法的基础上,为达到优化效果,利用阵元法向建立节点筛选算法对生成的网格分类筛选,并构建神经网络结构以及重新设置损失函数和激活函数.最后,利用优化后的方法生成了若干二维非结构三角形网格(以圆柱传热问题、NACA-0012翼型流动问题和一组单节理裂纹扩展问题为例),采用特定方法测试了网格质量和生成耗时,并将其与传统阵面推进法和优化前的结合神经网络阵面推进法进行对比.结果表明,在保证网格质量不下降的前提下,尤其在针对复杂外形网格划分中,优化后的方法较传统阵面推进法缩短了约43%生成时间,较优化前的结合神经网络阵面推进法缩短约25%生成时间,可见网格生成效率明显提高.

防风网对大跨度煤棚风荷载特性的影响

为了研究防风网对大跨煤棚风荷载的影响,通过风洞刚性模型测压试验,对3种透孔率的防风网下煤棚表面风荷载进行研究,分析了风向角、有无防风网和防风网透孔率对典型测点和分区的体型系数以及测点的脉动风荷载的功率谱特性的影响。结果表明:不同风向角下,结构体型系数极值出现的位置和范围差别较大;防风网对减小煤棚风荷载有较好效果,放置防风网后煤棚表面呈现为绝对值较小的负压;大部分风向角下,20%的透孔率防风网对减小风荷载效果更好;不同位置测点受来流脉动影响情况不同,煤棚迎风侧角部测点脉动风荷载无量纲功率谱数值较大,且功率谱成分复杂,放置防风网后其峰值明显减小。

透风率及积雪形态对防雪栅防护效果的影响

针对道路风吹雪灾害的工程防雪措施,采用数值模拟与现场实测相结合的方法,系统研究防雪栅透风率和不同阶段积雪形态对防雪栅周边流场的影响特性,分析不同阶段积雪的形成机理,得到防雪栅周边积雪的演化规律。结果表明:随着防雪栅透风率的增加,防雪栅背风侧低速区以及旋涡范围逐渐缩小,雪颗粒堆积的速度变慢,对于不同透风率的防雪栅,积雪均最先在其背风侧5 H~9 H范围内发生沉积(H为防雪栅高度),并逐渐向两侧延伸;防雪栅底部间隙使得气流在防雪栅底部被加速,雪颗粒不易沉积,有效延长了防雪栅被积雪掩埋的时间;防雪栅两侧-2.5 H~18 H范围雪颗粒均会发生沉积,随着积雪厚度的不断增加,积雪的增长速率逐渐趋缓。

栏杆高度对流线型箱梁涡振性能影响的试验研究

为研究栏杆高度对流线型箱梁涡激振动性能的影响并揭示其机理,通过节段模型风洞动态测压与测振试验,研究了流线型箱梁涡振响应、平均和脉动风压系数、频域特性以及局部升力对涡振的贡献系数分布情况.结果表明:安装栏杆后主梁表面的平均风压系数增大,脉动风压系数变化复杂,脉动风压卓越频率与模型自振频率基本一致,局部升力对涡振的贡献作用增大,使主梁涡振加剧;栏杆高度的变化对主梁表面平均风压系数基本没有影响,但对其脉动风压系数的分布规律及脉动压力功率谱幅值有较大影响;栏杆高度的变化,使主梁上表面前部和尾部区域的局部升力对涡振贡献程度呈现出显著差异,当贡献值增大时,主梁涡振响应增大.当栏杆高度为45%的梁高时流线型箱梁的涡振幅值最大,在此基础上适当降低或增大栏杆高度均有一定的抑振效果,降低栏杆高度效果更好.研究结果为流线型箱梁栏杆的设计和相关研究提供了依据和参考.

螺旋线对斜拉索涡激振动特性影响的试验研究

为研究不同参数的螺旋线对斜拉索涡激振动特性和气动力的影响规律,进行了针对表面无螺旋线斜拉索和缠绕不同参数螺旋线斜拉索的节段模型风洞试验,螺旋线参数包括根数、直径和缠绕间距.结果表明:斜拉索表面缠绕1根螺旋线的涡激振动振幅远大于2根或3根螺旋线;在亚临界雷诺数区,缠绕螺旋线斜拉索的平均气动阻力系数均小于无螺旋线斜拉索,最多可减小10.9%;缠绕2根螺旋线的斜拉索平均阻力系数整体比3根螺旋线小.斜拉索表面缠绕间距s=8D(D为斜拉索直径)的2根螺旋线时,缠绕直径d<15 mm螺旋线的斜拉索涡激振动现象明显;d≥15 mm的螺旋线可显著降低斜拉索涡激振动响应幅值,其脉动升力系数相较于无螺旋线斜拉索有明显降低,证明缠绕大直径螺旋线对涡激振动响应控制的有效性.螺旋线的缠绕间距对斜拉索涡激振动的影响与螺旋线直径有关,当螺旋线直径较小时,缠绕间距对涡激振动的影响并不明显;当螺旋线直径较大时,间距的大小直接影响涡激振动的抑制效果.

小波包能量传递率变异系数的斜拉桥损伤识别

为减小频带范围选择的影响,同时实现斜拉桥的损伤定位与定量,提出了一种小波包能量传递率变异系数的斜拉桥损伤识别方法。该方法基于斜拉桥损伤识别的小波包能量传递率方法,经小波包能量传递率与变异系数融合、小波包能量传递率变异系数标准化处理与中心四阶矩的量化处理等推导出小波包能量传递率变异系数的损伤指标和损伤程度指标。通过斜拉桥仿真分析对所提方法的有效性进行验证,确定最优小波包基和层数,对实桥的动力响应进行小波包分解与重构,将所得数据作为输入得到实桥的损伤指标和损伤程度指标,进而判断实桥的损伤。设定主梁损伤工况并进行斜拉桥基准有限元模型环境激励下瞬态动力分析,提取主梁的加速度数据,结合实桥的实测数据进行实桥的损伤定位与定量。结果表明:仿真损伤定位识别精度100%,损伤程度识别精度96.80%;在高斯白噪声干扰下,对损伤定位没有影响,损伤程度的误差不超过2.85%,验证了所提方法在该桥的有效性;进行实桥的损伤识别,结果表明实桥无损伤。