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。

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.

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.

倾斜栏杆对流线型箱梁涡激振动性能影响的试验研究

涡激振动(VIV)是大跨度桥梁在低风速时易发生的具有强迫和自激双重性质的自限幅风致振动现象,桥面栏杆因其会改变主梁的气动外形而对涡激振动有显著的影响。为了揭示倾斜栏杆对流线型箱梁涡激振动特性的影响及作用机理,采用节段模型风洞测压和测振试验方法,研究不同倾斜角度栏杆对流线型箱梁涡振特性和表面风压的影响,分析了主梁涡振响应、平均和脉动风压分布、局部气动力与涡激力的相关性和贡献系数以及相位差。结果表明:当人行道栏杆内倾时,倾斜角度越大,抑振效果越显著。当人行道栏杆外倾时,外倾10°的主梁抑振效果优于外倾20°的主梁;相比常规的垂直栏杆,栏杆向内倾斜20°和向外倾斜10°有显著抑振效果的原因主要有:主梁上、下表面的脉动风压系数大幅度较低,最多降低了61.54%;在主梁上表面大部分区域,局部气动力与涡激力的相关性系数大幅降低,平均降低了约33.33%;在上表面上游前部和下游尾部及下表面大部分区域的涡振贡献系数均有不同程度的降低;上、下表面各测点间相位差变化的连续性被打断,相邻测点间的相位差更加离散化。

护栏位置对流线型箱梁涡激振动的影响及作用机理

涡激振动(vortex induced vibration,VIV)是大跨度桥梁常发生的一种振动,易造成结构疲劳破坏,掌握主梁外形对涡激振动的影响十分必要。为了研究不同位置桥侧护栏对闭口流线型箱梁涡激振动特性的影响及作用机理,通过节段模型风洞试验,分别研究了桥侧护栏位置下主梁的涡激振动响应、风压分布、升力系数、气动力相位差及涡激振动贡献系数。研究结果表明,迎风侧护栏内移有利于抑制竖弯涡激振动,但背风侧护栏内移会略微增大涡激振动响应。迎风侧护栏内移会降低主梁升力绝对值,增加气动力相位差的离散性,也降低各位置的涡激振动贡献系数,这被认为是涡激振动被抑制的原因。

流线型箱梁涡激振动的气动力演化规律

涡激振动是大跨度流线型箱梁桥在低风速下常见的风致振动形式,对桥梁结构的疲劳寿命和行车舒适性有较大影响。为揭示流线型箱梁涡激振动机理,有必要研究其涡激振动的气动力演化规律。以某流线型箱梁桥为对象,通过同步测振测压的风洞试验方法,获得了+5°风攻角下主梁模型的涡激振动响应及表面测点风压时程,对比分析了涡激振动前、涡激振动振幅上升区、涡激振动振幅极值点、涡激振动振幅下降区和涡激振动后五个不同阶段模型表面的平均风压系数、脉动风压系数和涡激力的变化规律。结果表明:在涡激振动的不同阶段,流线型箱梁表面平均风压系数变化不大,而脉动风压系数分布具有明显的演化过程。涡激力在涡激振动振幅上升区、涡激振动振幅极值点及涡激振动振幅下降区有明显的卓越频率,且与结构自振频率相近,涡激振动前和涡激振动后无明显卓越频率。涡激力卓越频率对应的振幅与涡激振动位移振幅正相关,两者同在涡激振动振幅极值点处达到最大。

扁平流线型箱梁涡激振动及气动力特性分析

为了研究扁平流线型箱梁涡激振动及气动力特性受附属构件的影响,选取某准流线型桥梁主梁为研究对象,通过增减模型的附属构件来模拟裸梁和非裸梁2种断面,进行了不同风攻角下的风洞测压和测振试验。结果表明:扁平流线型箱梁的涡激振动特性受模型附属构件的影响较大,栏杆断面在正攻角下更易发生涡激振动;在相同攻角和风速情况下,栏杆断面存在更为明显的卓越频率,说明模型附属构件会对扁平流线型箱梁的旋涡脱落产生较大影响;扁平流线型箱梁平均风压系数受模型断面的影响较大,但脉动风压系数受模型断面和风攻角的共同影响;不同模型断面会对扁平流线型箱梁的平均三分力系数造成影响,但其变化趋势主要与风攻角有关。

C型环对细长圆柱减阻抑振效果的试验研究

长细比较大的圆柱结构易发生涡激振动从而引发结构安全问题,而阻力小的气动抑振措施是解决该问题的理想手段之一。为此,开展了一种C型减阻抑振环风洞试验,研究了不同直径和圆心角的C型环对不同雷诺数下的圆柱气动力的影响,并通过圆柱表面的风压分布揭示了C型环的减阻抑振机理。研究结果表明,通过减弱背风面的负压C型环可以有效减小亚临界雷诺数区圆柱的阻力,而且通过对尾流的干扰可有效抑制旋涡脱落。

一种山区峡谷桥址区风场特性数值模拟方法

为准确获得山区峡谷桥址处的风场特性,以一座在建的山区峡谷大跨度桥梁为工程背景,基于开源的计算流体动力学(CFD)软件OpenFOAM平台,提出了一种山区峡谷桥址处风场特性的数值模拟方法,改进了计算域形态,设置了地形过渡段,并利用“虚拟标准气象站”法获得了计算域入口风速条件,从而实现了高质量的山区风场数值模拟,解决了数值计算雷诺数与实际不符的难题。在此基础上,分析了大桥主梁上横桥向和顺桥向的风速及放大系数、风攻角、风向角和不同跨度处的风剖面。同时结合流线显示方法,研究了桥址处主梁风场流动机理。结果表明:该桥址处的基本风速为24.75 m/s;河道岸边的陡峭山体对气流的干扰作用很大,使风攻角、风向角和风速放大系数在桥位处发生较剧烈变化;部分来流下的风剖面形态受地形影响较大,底部出现急加速现象,风速呈现显著的剪切特性。该研究提出的数值模拟方法丰富了山区峡谷桥址处风场特性分析手段,对山区桥梁抗风设计有一定的指导作用。

风场特性测量的地形模型边界过渡形式研究

针对风场特性测量的地形模型边界过渡段形式问题,参考航空飞行器过渡段设计理论,提出了适用于地形模型边界过渡的连续性设计原则,即坐标连续、一阶连续和二阶连续。根据该连续性原则,还提出了一种基于双曲正切函数曲线的过渡段形式,并通过CFD数值模拟方法,与目前广泛采用的斜坡过渡、一阶过渡(维多辛斯基曲线)进行了对比,证明了该过渡段形式的有效性和优越性。同时还针对不同长度的边界过渡段进行了研究,结果表明随着过渡段长度的增加,气流过渡效果越好。所提出的地形模型过渡段连续性设计原则和曲线形式,为地形模型边界过渡段的设计提供了理论依据和案例支持,具有重要的意义。

基于SAP2000的立井井筒装备结构建模方法

为了开发用于计算立井井筒装备结构分析软件,首次提出基于SAP2000的立井井筒装备结构建模方法;首先依据井筒装备结构和各构件特点,将井筒装备结构分为5种类型,构建了立井井筒装备各构件位置坐标的数学模型,实现了立井井筒装备参数化建模;然后根据立井井筒装备各构件连接特点和边界特点,合理设置了模型中各构件的连接和边界,又根据立井井筒装备荷载水平力特性,确定了荷载水平力作用位置和工况组合;最后为开发基于SAP2000的立井井筒装备结构计算软件提供了依据。

波浪形斜拉索的气动力及风致振动特性

斜拉索的风荷载和风致振动问题在工程设计和抗风研究领域备受关注,探索具有较小气动力和良好抑振性能的新型斜拉索十分必要.针对某一特定几何尺寸的波浪形斜拉索,通过风洞试验方法,研究了该波浪形斜拉索的整体气动力、风压分布、局部气动力、涡激振动和干索驰振特性.结果表明:在1.00×10^(5)~3.86×10^(5)的雷诺数范围内,波浪形斜拉索的平均阻力系数总体而言小于标准斜拉索,在低雷诺数范围可减阻18%,最大平均升力系数相比标准斜拉索可降低80%;波浪形斜拉索的风压分布、气动力随雷诺数的整体变化规律与标准斜拉索相似,但展向相关性较弱;波浪形斜拉索的涡激振动性能显著优于标准斜拉索,最大振幅降低34%,最大振幅对应的风速提高了16%;干索驰振性能与标准斜拉索的结果相当,最大振幅可减小5%,但发生振动的风速范围更宽.

基于长短期记忆网络的桥梁非定常气动力预测

气动力是影响桥梁结构稳定性和安全性的关键因素之一,其演化规律受其自身非定常特性和计算机精度的影响,很难实现长时间预测。准确预测桥梁结构的气动力特性对结构设计和振动控制具有重要意义。风洞试验和数值模拟是目前气动力研究中应用最广泛的方法,但风洞试验成本高,且难以模拟复杂风场条件,数值模拟对计算资源又具有强依赖性。因此,为了实现计算量和计算精度的平衡,利用长短期记忆(Long Short-term Memory, LSTM)网络开发了一种不同风攻角桥梁非定常气动力时序预测模型。该模型以不同风攻角下0~n时刻的气动力系数为输入,以n+1时刻的气动力系数为输出。首先,基于开源Tensorflow库构建LSTM网络框架;其次,基于3°、4°和5°三个风攻角的桥梁主梁非定常气动力数值模拟结果构建训练集和测试集,并进行模型训练;最后,利用训练好的模型基于风攻角分布进行内插和外推预测。在内插预测时,基于风攻角为3°和5°时的气动力系数构建数据集对模型进行内插训练,对风攻角为4°时的气动力系数进行预测。在外推预测时,基于风攻角为3°和4°时的气动力系数构建数据集对模型进行外推训练,对风攻角为5°时的气动力系数进行预测。结果表明:LSTM预测结果与数值模拟结果随时间变化的轨迹、振幅和周期基本一致,验证了所构建模型的预测能力。为了进一步验证模型的泛化性,使用已经训练好的LSTM外推预测模型对风攻角为0°和-3°时的气动力系数进行预测,结果显示该模型可以较好地预测原始结果。因此,该算法在桥梁结构非定常气动力预测中具有应用潜力,可为工程应用提供技术支持。