三角形布置圆柱体群绕流特性与流动机理研究

基于浸没边界-多松弛-格子玻尔兹曼方法,对Re=100时等边三角形布置三圆柱体群绕流问题进行数值模拟,分析间距比(Kd)与来流角度(α)两个关键参数对流体力系数及流场特性的影响,揭示其流动机理。计算结果表明:不同流场下尾流模式分为单漩涡、单漩涡体向双漩涡过渡、不规则的双漩涡、规则的双漩涡、双漩涡向三漩涡过渡、不规则的三漩涡和规则的三漩涡模式,在α=30°时流场下游涡街更加规则,尾流模式转变更快。三圆柱所受的时均流体力系数受间隙流流速影响较大,各来流角度下随间距比(除小间距比外)的变化趋势基本一致,尾流模式转变会导致三圆柱群的流体力系数均方根值发生显著变化,在Kd≥3.5后上游圆柱流体力系数均方根值有较大起伏。除α=0°工况外,在Kd≥2.5后中游圆柱的涡脱落频率受α和Kd影响较小,数值相对稳定。

不同入射波对自由浮体结构运动特性的影响

基于DualSPHyscis开源程序,对波浪数值水池以及波浪与不同形状自由浮体结构相互作用进行了模拟,通过对造波板施加预定义函数来实现Stokes二阶规则波的产生,同时在下游边界附近处设置黏性消波区来实现消波功能.首先,验证了该方法能正确求解波浪与浮体结构的相互作用,文中还与有关的试验结果作了比较,发现效果基本一致.然后对波浪与自由浮体结构相互作用问题进行了模拟,考虑不同入射波波高、波周期与形状参数(A/B的范围为1.0~5.0),探究自由浮体结构所受波浪力的变化特性与自由度响应特性,并分析不同波参数对结构受力与自由度响应特性的影响,同时与单圆柱体浮体工况进行对比分析.另外,引入浮体周围流场分布特性、质心运动轨迹以及速度矢量分布特性,进而进一步阐述浮体受力特性与自由度响应特性.随形状参数增大、浮体结构所受最大波浪力会逐渐减小.随入射波波高增大,波能增大,浮体所具有的能量越大.

组合型浮式防波堤水动力响应与消浪性能研究

为提升方箱式浮式防波堤的稳定性和消浪效果,本文发展了一种组合型浮式防波堤,并基于计算流体动力学方法,采用黏性流体理论,建立了二维数值水槽,以组合型浮式防波堤为研究对象,并通过与方箱式浮式防波堤进行对比,重点探讨了系泊方式和波参数对组合型浮式防波堤运动响应与消浪性能的影响.此外,对浮式防波堤周围水体的涡量分布情况进行了分析,揭示了其波浪能量耗散机制.研究结果表明,组合型浮式防波堤对波浪的耗散能力远高于方箱式浮式防波堤,其主要通过能量耗散衰减波浪.相比于方箱式浮式防波堤,组合型浮式防波堤的整体运动响应较小、消浪能力较强,且系泊方式对组合型浮式防波堤运动响应与消浪性能影响较小.然而,当入射波高增加时,系泊方式对其消浪性能有较大影响.研究结果可为浮式防波堤的优化设计和实际工程应用提供参考.

隧道内超长大直径供热管道流固耦合效应分析

为了对华电银川供热项目中的供热管道系统进行优化设计,建立了三维全尺寸流固耦合力学模型,计算了超长大直径供热管道在不同支座间距下的受力、变形与支座反力,并分析了管道不同部位受力与变形的变化规律。研究结果表明,管道的入口端部位受力与变形最大,出口端部位次之,平直段部位最小。然而,支座间距的变化对平直段管道受力与变形的影响较大,对入口端与出口端部位的影响较小。另外,支座反力的变化趋势与管道受力基本一致。研究成果和施工经验可为后续类似的供热管道设计与施工提供借鉴和参考。

新形势下高校教学模式改革的探索

高等教育模式加速变革,由传统的课堂教学模式转变为线上教学模式,这对教师以及学生都是一次新的挑战。仅线上教学已无法满足学生的学习需求,教学模式将再次发生变革,逐渐向线上线下混合式教学模式转变。只要教师和学生相互配合,就会使线上线下混合式教学模式更加完善,发挥最大的作用,实现效果最大化。

串列双旋转圆柱群绕流特性及互扰效应研究

本文基于Fluent计算软件,对Re=200条件下,串列双旋转圆柱三维绕流问题进行数值模拟研究。探究不同间距比(L/D=1.5-5.0)和旋转速率(α=0.0-4.0)对旋转圆柱流体力系数、表面压力系数、流场特性以及涡脱落的影响。研究表明:流向涡主要由下游圆柱产生,当旋转速率较小(α<2)时为大涡结构,当α≥2时则转变为混合交错排列的小尺度结构;展向涡则主要由上游圆柱产生将下游圆柱包裹在内;圆柱旋转会导致尾流呈现不对称模态,尾涡向下侧发生偏移,随着转速的增加,圆柱表面以负压为主,吸力会增大从而抑制尾流的产生;随着α增大,上、下游圆柱阻力系数平均值变化规律相反,而升力系数均方根值变化规律相同;旋转速率对上游圆柱的阻力系数成分的影响较大,导致阻力系数平均值发生异号;仅在小间距比工况下下游圆柱阻力系数平均值会发生异号;当旋转速率较大时,上、下游圆柱的斯托罗哈尔数均会趋于0,随L/D增大其变化速度会加快。

双分隔板对圆柱体结构流致动力响应影响分析

基于流体计算软件Fluent,对雷诺数Re=150工况下的带双分隔板圆柱体结构流致振动问题进行二维数值模拟,主要分析了折减速度U_(r)=4.0和U_(r)=5.0工况下,双分隔板对圆柱体结构近尾流场分布、结构动力响应、流体力系数和频谱特性的影响.研究结果发现:在两种折减速度工况下,分隔板的长度对圆柱体结构的振动响应影响较小.随着双分隔板间距比n_(1)的增大,圆柱体结构的横流向振幅会逐渐减弱,但当n_(1)≥0.8时抑制作用会基本失效,并且会激发结构动力响应.同时,双分隔板对圆柱体结构的阻力的抑制效果也会逐渐减弱.然而,仅在U_(r)=4.0时会对升力产生抑制效果,当0≤n_(1)≤0.2时较为显著.另一方面,当U_(r)=4.0时,随双分隔板长度与间距的变化,圆柱体结构的尾流漩涡脱落频率会从单频率模式转为双频率模式.

基于速度修正IB-LBM的圆柱强迫运动特性研究

基于速度修正的浸没边界-格子玻尔兹曼方法(IB-LBM),对雷诺数Re=100时等边三角形布置三圆柱流致运动问题进行了数值模拟,推导并修正了速度修正的IB-LBM,验证该方法的准确性和适用性,着重分析来流角度、旋转速度和间距比3个参数的变化对圆柱流场、流体力系数以及其中顺/横流向速度的影响.结果表明:在间距比和来流角度较小的情况下,旋转速度越小,流场的尾流形态就会越规则,反之亦然,但是,来流角度的增大会使它占据影响流场特性的主导地位,使得尾流形态再次呈现规则状态;当间距比和旋转速度均变大的情况下,圆柱群间的互扰效应会随着来流角度的增大而变得更强,产生不同的旋涡脱落模式,归根结底是因为圆柱群间不同圆柱的放置方法导致了旋转方向的不同.

基于BESO算法的大型海洋垂直轴风力机支撑结构优化

大型海洋垂直轴风力机的研究对发展海洋风能具有重要意义,研究大型垂直轴风力机的合理支撑结构形式对风力发电结构安全至关重要.基于变删除率的双向渐进结构优化(BESO)算法,对大型海洋垂直轴风力机进行支撑结构优化,并通过风力机的动力响应特性分析,验证结构优化方法的可靠性.结果表明:反比例型变删除率的BESO算法能有效改善优化迭代速率,适用于垂直轴风力机的支撑结构优化设计;相比于初始结构,拓扑出的新结构模型在风荷载作用下的风致动力响应显著降低.研究成果可用于垂直轴风力机支撑结构设计优化.

带有尾缘襟翼的兆瓦级大型垂直轴风力机气动性能优化

垂直轴风力机较低的风能利用率是限制其工程化应用的主要原因,为了提高其风能转化率、降低气动荷载,针对叶尖速比为2.65的中等值条件下带尾缘襟翼的大型垂直轴风力机提出了一种改进的气动性能优化模型,采用SST k-ω湍流模型进行数值模拟.研究结果表明:与原始模型相比,考虑桨距和襟翼协同运动下优化模型的功率系数可提高12.2%;此外,桨距和襟翼的协同运动可以显著减少作用在风力机整机上的推力和侧向力,与原始模型相比分别减少了12.4%和7.5%,推力和侧向力的波动幅值也要明显低于原始模型,这将有助于降低作用在风力机整机上的疲劳荷载.该模型有望在兆瓦级大型垂直轴风力机上得到应用.

基于LSTM循环神经网络的风力预测研究

传统的风力预测模型中有线性预测模型和非线性预测模型,在具有强非线性记录数据的局部风力预测中,绝大部分的非线性预测模型比线性预测模型预测准确度更高.对于短时间内风力大小是非线性、随机性和难以准确预测的特点,该文运用一种基于长短期记忆(long short-term memory neural network,LSTM)循环神经网络的短期局部风速预报技术预测风力.首先建立以LSTM神经网络为基础的短期局部风速预测模型,然后采用TensorFlow深度学习平台进行模型参数调试,在此基础上,结合华东某局部风电场的历史数据作为输入,对模型进行训练和测试.研究结果表明,LSTM循环神经网络预测风速与实际的风速吻合较好,预测效果较好,并且深层神经网络具有强大的拟合能力,在数据预测方面有很强的应用性.

基于BESO算法的高桩承台式水平轴风力机支撑结构优化

研究大型水平轴风力机塔筒的合理支撑结构形式对风力发电结构系统安全至关重要.针对高桩承台式水平轴风力机,基于反比例型删除率的双向渐进结构优化(BESO)算法,拓扑优化风力机塔筒结构,根据计算流体动力学方法和桩土相互作用原理,建立考虑桩土作用的风力机结构风致动力响应数值模型,比较分析优化前后风力机结构动力响应特性,验证结构优化方法的可靠性.经拓扑优化得到新的高桩承台水平轴风力机支撑结构,相较于初始结构,优化后的支撑结构风致动力响应显著降低,成果可为高桩承台式水平轴风力机支撑结构设计优化提供技术参考.

平面剪切来流作用下串列布置三圆柱流致运动特性研究

基于四步半隐式特征线分裂算子有限元方法,对Re=100时,剪切来流作用下串列三圆柱体双自由度流致振动问题进行了数值计算.首先,与现有文献结果进行对比验证该方法的正确性.然后,着重分析剪切率、固有频率比和折减速度三个关键参数对串列三圆柱体结构流致动力响应及流场特性的影响.数值计算结果表明:剪切率、固有频率比与折减速度对结构振幅和运动轨迹的影响较大.随剪切率的增大,上游圆柱最大振幅的变化与单圆柱工况类似.中下游圆柱最大振幅会增大且会出现双向共振现象,同时,发生共振响应区域会扩大.随固有频率比的增大,上游圆柱顺流向锁定区间范围会减小,而中下游圆柱双向锁定区间会扩大.另一方面,均匀来流作用下,结构运动轨迹以'8'字形和不规则形状为主.随剪切率的增大,锁定区间内运动轨迹会由'8'字形转变为'雨滴'形.在大剪切率与高固有频率比工况下,中游圆柱体结构运动轨迹会出现'双雨滴'形状.最后,通过对流场特性的分析,揭示了剪切来流作用下串列三圆柱结构流致运动响应的内在机理.

上游静止方柱尾流对下游方柱体尾激振动效应影响

基于半隐式特征线分裂算子有限元法,对低雷诺数下串列布置上游静止方柱–下游双自由度运动方柱体结构的尾激振动问题进行了研究.首先与现有文献结果进行对比验证该方法的正确性.然后着重分析了雷诺数(Re)与折减速度(U_r)两个关键参数对下游方柱尾激振动响应的影响,同时将计算结果与单方柱工况进行了对比.数值计算结果表明,雷诺数和折减速度对下游方柱的振幅、振动频率和运动轨迹等动力响应特性的影响较大.随着雷诺数的增大,双柱系统的互扰效应从以涡激效应为主逐渐转变为尾激效应发挥主导作用,从而导致下游方柱的振动响应增强.单方柱工况结构运动轨迹均呈'8'字形.然而,下游方柱的运动轨迹会随着雷诺数的增加而变得复杂.雷诺数较小时(Re=40, 80),下游方柱的运动轨迹基本为'8'字形.雷诺数较大时(Re=120, 160, 200),下游方柱的运动轨迹会出现双'8'字形.同时,下游方柱的尾流场特性主要呈现2S, 2S*, 2P,2T, P+S和稳态6种模式.最后,通过对流场特性进行分析,揭示了串列双方柱系统尾激振动效应的作用机理.

冲击荷载下纸质结构模型的优化分析

以湖南省第三届大学生结构设计竞赛为背景,本届结构设计竞赛主要考察纸质结构模型承受钢珠颗粒冲击荷载的能力.首先运用ANSYS软件进行结构选型,然后通过加载冲击实验对结构参数进行优化,同时改进制作方法来提高结构模型的荷质比.这套优化过程可对今后类似的结构设计竞赛提供参考.

某带钢塔高层建筑结构风致动力特性分析

采用计算流体动力学中的非稳态分析,对某带钢塔高层建筑工程所处的区域风场进行计算,获得了作用于其表面的时程风荷载,再将荷载施加到该结构的有限元模型上进行动力响应分析。再对不同钢塔基频与场地风向角等因素下的风致动力性能与位移响应能量密度谱进行分析。研究结果表明,当钢塔基频与主体结构基频相近时,钢塔尖部的位移值达到最大,鞭梢效应最为强烈;不同风向角时塔尖位移迥异,由位移响应极值确定的最不利风向角为135°工况。塔尖位移响应频谱特性对建筑群的互扰效应与风向角的变化较为敏感,并会对结构的振动响应产生影响。当旋涡脱落频率与结构频率接近时会引起钢塔较大的耦合振动,设计时应注意避开不利环境,减小风致动力响应。

剪切来流作用下圆柱体结构物的双自由度流致振动

基于四步半隐式特征线分裂算子稳定化流体有限元方法,对二维线性剪切来流作用下弹性支撑圆柱体结构物双自由度流致振动问题进行了数值计算,着重研究雷诺数Re=150时,不同参数(频率比、剪切率与折减速度)对圆柱体结构物振动响应及其流场的影响.计算分析表明,随剪切率的增加,圆柱体结构物2个方向的频率锁定区间扩大,结构发生共振现象的范围亦增大;折减速度对圆柱钝体最大振动幅度的影响较大,在锁定区间内,圆柱振动位移较大,否则较小;在高频率比工况下圆柱运动轨迹呈‘8’字形;当频率较低时,圆柱运动轨迹随剪切率的增大由‘8’字形渐变为‘雨滴’形;在剪切来流作用下圆柱尾流模态为双单涡(2S)与涡对(P)+单涡(S)两种泄涡模式.

串列双圆柱体绕流特性与互扰效应研究

基于大涡模拟(LES)方法对亚临界雷诺数(Re=3900)下三维串列双圆柱体绕流问题进行了数值计算。首先,通过求解单圆柱算例来验证计算模型及参数的正确性。然后,着重分析了不同间距比对双圆柱体的流体力系数的影响,并阐述了双圆柱体流场特性变化及其互扰效应内在机理。研究表明:雷诺数Re=3900时,串列双圆柱体绕流临界间距比在3.9~4.0之间;随着间距比的增加,双圆柱体临近流场中二次涡团形成的区域与三维涡结构均会发生变化,导致其结构表面所受的流体力系数在时间与空间上变化的规律性逐渐减弱;达到临界间距比时,流体力系数的变化会呈现出较强的规律性。

亚临界雷诺数下串列三圆柱体绕流特性研究

基于流体计算软件Fluent,本文采用Smagorinsky亚格子模型的大涡模拟(LES)方法,对Re=3900时串列三圆柱体群绕流进行了三维数值模拟。首先,通过求解单圆柱算例来验证计算模型及参数的正确性。然后,分析了间距比对三圆柱体群绕流特性的影响。数值结果表明:随着间距比的增大,剪切层会出现再附着、卷起再附着和无再附着三种形式,同时尾涡第一次卷起位置也会逐渐向上游移动。此外,圆柱体尾流区顺流向时均速度分布由“U”型变为“V”型,横流向时均速度近尾流区分布呈反对称,远尾流区反对称现象会逐渐减弱。在L/D=4.1~4.2范围内,串列三圆柱体群所受的流体力会发生突变。上中游圆柱体平均阻力系数会增大,与双圆柱体工况类似;然而,下游圆柱体会减小。最后,三圆柱体的升力系数主频率值基本一致,并随着间距比的增大而增大。

多塔高层建筑风荷载互扰效应研究

以鄂尔多斯国泰商务广场工程为背景,基于雷诺平均方法(RANS)和标准k-ε湍流模型,对多塔高层建筑周围的风场进行了数值模拟,得到不同风向角下建筑表面风载体型系数.然后,对串列与并列布置两种工况下的风场分布特性进行了分析,且阐明了塔楼之间风场的互扰机理.通过与风洞试验结果的对比表明数值模拟的结果能较准确地获取多塔高层建筑结构表面风压分布,为此类建筑结构的抗风设计提供一定依据.