Numerical Study of the Transition Between Reentrant Jet and Twin Vortex Flow Regimes in Ventilated Cavitation

Contrary to natural cavitation,ventilated cavitation is controllable and is not harmful.It is particularly used to reduce the drag of the hydraulic vehicles.The ventilated cavitation is characterized by various gas regimes.The mechanisms of ventilated cavitation are investigated in the present work with CFD based on a 2D solver.The attention is especially focused on the transition between the reentrant jet and twin vortex regimes.The results confirmthat the product of ventilated cavitation number and Froude number is lower than 1(σcFr<1)in the twin vortex regime,while it is higher than 1(σcFr>1)in the reentrant jet regime,as reported in the literature.Further analysis shows that ventilated cavitation is significantly influenced by the natural cavitation number.

分体箱梁中央隔涡板涡激振动抑制机理研究

借助风洞试验和计算流体力学对分体钢箱梁的涡激振动性能及中央隔涡板的抑振效果与机理开展研究,对比不同形式(水平隔涡板、一道竖向隔涡板、两道竖向隔涡板)和尺寸中央隔涡板的抑振效果,并根据流迹与速度云图对不同形式中央隔涡板的抑振机理进行分析。结果表明:开槽顶部水平隔涡板能够阻碍开槽处的气体对流,降低开槽内部及断面周围气流速度,增加旋涡移动和脱落难度,从而在一定程度上抑制涡激振动,抑振效果随隔涡板宽度增大而增加;开槽内部竖向隔涡板能够将旋涡稳定在隔板分隔出的几个小区域内,避免产生稳定的旋涡脱落,进而有效抑制涡激振动,设置两道半高竖向隔涡板比设置一道全高竖向隔涡板效果更好,但需对两板间距进行优化。

双幅钢箱梁竖弯涡振气动力演变特性

双幅钢箱梁桥是工程实践中一种常用的大跨度连续梁桥型式,但并列双箱复杂的旋涡脱落和交互作用可能引发显著的涡激振动现象,影响结构的疲劳性能和行车舒适性。本文以某六边形双幅钢箱连续梁桥为工程背景,对大比例节段模型开展了测振、测压风洞试验,对比了双幅钢箱梁在不同间距下竖弯涡振全过程(涡振前、上升区、振幅极值点、下降区及涡振结束)的分布气动力演变特点,提出了有效控制双幅钢箱梁桥涡振的气动措施。研究表明,双幅钢箱梁桥涡振锁定区间长、振幅大,+3°为最不利攻角,涡激力的倍频效应与间距和双幅箱梁涡振的振幅均有关。在小间距及低风速时,上、下游梁背风侧的分布气动力对涡激振动起到增强作用;在大间距或较小间距且高风速时,开槽附近上表面和下游梁斜腹板位置的分布气动力对涡激力起主要增强作用,也是双幅钢箱梁产生大幅涡激振动的诱因。提出了槽间裙板与两端风嘴组合的综合气动控制措施,通过切断槽间涡的传播途径从而降低桥面处分布气动力对涡激力的贡献,该措施可有效减弱双幅钢箱梁桥的竖弯涡振。

大跨度双幅非对称平行主梁涡激振动干扰效应研究

在双幅式桥梁的建设中,公路与铁路同层并排布置的大跨双幅非对称主梁属于较特殊的设计。由于公路桥与铁路桥的动力特性不一致、主梁尾流特性差异较大以及非对称双梁间存在特殊且显著的气动干扰,使得非对称双幅主梁的涡激振动特性更为复杂。为系统探究干扰效应对主梁涡振性能的影响,以一座大跨度公铁两用双幅桥为研究背景,开展了双幅主梁涡激振动风洞试验与流固耦合数值模拟,其中公路梁为Π型叠合梁,铁路梁为流线型箱梁。研究结果表明:公路梁位于迎风侧时出现了较大幅值的竖弯和扭转振动,且风速区间与结构振动频率具有典型涡振“锁定”特征,而位于背风侧时,振动现象基本消失;铁路梁位于迎风侧时未见明显振动现象,而位于背风侧时,试验观察到了大幅振动,且振幅具有迅速上升又迅速下落的特点,无明显“锁定”区间。数值流场表明,公路位于不同位置处(迎、背风侧)时,主梁附近涡结构的尺度与分布均有明显不同。当位于迎风侧时,下桥面腔内大尺度漩涡的存在以及涡结构的周期性变化是位于迎风侧时产生涡振的主要原因;当位于背风侧时,受干扰效应影响,下桥面腔内漩涡尺度减小,升力振荡频率改变,涡振锁定现象消失。铁路附近流场及压力分布表明:当位于迎风侧时,主梁附近流场稳定,自激升力近似为直流力;当位于背风侧时,受公路尾流的干扰,铁路表面存在较大面积的负压区,公路尾流的脉动导致了铁路气动升力的振荡,因而产生了大幅振动。研究了双幅非对称平行主梁间气动干扰效应对涡振性能的影响,揭示了涡振及气动干扰机理,为类似桥梁的工程设计提供了参考依据。

不同风攻角下分离式双箱梁涡振气动力演化和局域相关性研究

通过弹簧悬挂节段模型同步测振测压风洞试验模拟结构涡激振动,以1座大跨度斜拉桥的分离式双箱梁为研究对象,测定均匀流场中不同风攻角下的涡振响应及表面风压。基于局部特征区域气动力与断面总体气动力的局域相关性概念,分析竖弯涡振时上游断面迎风侧下斜腹板、下游断面迎风侧斜腹板及顶板这3个关键局部特征区域的气动力演化特性及其与整体总气动力的同步演化关系。研究结果表明:当改变来流攻角时,在分离式双箱梁涡振过程中,不仅会使浸没在流场中的绕流状态、旋涡作用位置发生改变,还会使局部气动力与整体气动力的相关性发生改变。虽然断面不同区域的局部气动力与总体气动力的振动卓越频率相同,但其高阶谐波分量对应频率参与涡振作用的比例却随着风攻角变化而发生变化。另外,分离式双箱梁下游断面迎风侧斜腹板区域与整体断面的涡振特性有着较强的同步演化关系,在实际工程中需重点关注。

分体式钢箱梁竖向涡振检修轨道气动措施风洞试验研究

双分体式钢箱梁具有良好的颤振性能,但在常遇风速内易发生涡激振动。为研究双分体式钢箱梁的涡激振动性能及其抑振措施,以某跨径为658m的双分体式钢箱梁斜拉桥为背景,通过节段模型风洞试验,开展检修轨道与中央格栅等一系列独立气动措施以及多种联合气动措施对主梁涡振性能的优化研究。试验结果表明:1)在常遇风速下,原始断面在5个来流攻角(α=0°,±3°,±5°)中均观测到大幅竖向涡激振动,需采取抑振措施来抑制主梁涡激振动,结构阻尼提升至1.48%时涡振振幅仍未满足限值要求,完全消除主梁涡激振动需将阻尼比提升至2.3%;2)优化检修轨道位置能有限减小主梁竖向涡激振动,减少幅度在12.8%~29.6%之间;3)在分体式双箱梁中央开槽处添加中央格栅能大幅减小主梁竖向涡振振幅,相较原始断面减少了60%以上;4)检修轨道与中央格栅联合减振效果不如独立添加中央格栅气动措施,但这2种气动措施联合稳定板能有效控制主梁涡激振动,且相较原始断面,主梁涡振振幅下降了78%以上,在此基础上对中央开槽的封堵率以及检修轨道与外侧斜腹板之间的间距进行优化,最终得到一种双分体式钢箱梁断面涡激振动抑振措施,使主梁竖向涡振振幅减少了96.9%。研究成果可为双分体式钢箱梁涡激振动抑制气动措施方案提供参考。

水平中央隔涡板透空形式对分体箱梁涡振响应的影响

分体箱梁断面因其优异的颤振性能近年来在大跨度缆索承重桥梁中多有应用。对涡振问题比较严重的分体箱梁,采用气动措施削弱开槽处的大尺度漩涡是控制涡振的最有效手段。通过大比例节段模型风洞试验,对比了不同形式水平隔涡板对分体箱梁的涡振控制效果。比较结果显示:在透空率接近的情况下,采用两侧水平隔涡板比各种打孔板的涡振控制效果都要好,如果要采用打孔板达到两侧水平板近似的涡振效果,透空率需要再减小26%左右;如果采用打孔板,板上的孔越是不均匀,涡振控制效果越好,而孔的形状对涡振影响不大。

阻流比对平行壁面间圆柱绕流尾迹演化的影响

为了揭示阻流比对圆柱绕流尾迹演化特性的影响,采用多块O型网格,对低雷诺数下较宽阻流比范围的平行壁面间圆柱绕流进行数值模拟研究,讨论不同阻流比下壁面对圆柱绕流尾迹形态和尾迹转捩的影响,得到尾迹转捩临界雷诺数、双子涡和旋涡脱落的特征参数。研究结果表明:圆柱绕流尾迹转捩和尾迹形态受阻流比影响显著,尾迹转捩的第一、第二临界雷诺数随阻流比而增加,当阻流比超过临界值后,尾迹中出现2个附着于壁面的回流区;斯特劳哈尔数和阻力系数均值随阻流比而增加,而升力系数均方根在不同阻流比范围内则呈现出不同的变化规律。

宽幅分体箱梁涡振性能及其抑振措施

为研究宽幅分体箱梁桥梁涡激振动特性及其相应振动抑制方法,以某主梁总宽度为64.1 m的分体箱梁大跨悬索桥为工程背景,在均匀流场下对1∶70缩尺比节段模型进行了风洞试验.首先研究了主梁成桥态在0°、±3°和±5°五种不同来流攻角下的涡激振动特性;其次,考察了单一气动措施(包括设置水平气动翼板、封闭中央开槽、隔涡网以及检修车轨道导流板),以及各种组合措施对主梁涡激振动的影响,检验了这些措施对主梁颤振性能的影响.研究结果表明:宽幅分体式双箱梁在5个风攻角下均发生了竖向自由度涡激共振,其中最不利攻角为3°,竖向振幅最大值为0.69 m,超过《公路桥梁抗风设计规范》限值的70%;设置隔涡网和采用组合气动措施后,较原始主梁,涡振振幅下降50.7%~98.6%;尽管抑振措施使主梁颤振临界风速降低6%~15%,但仍满足抗风设计要求.

边条翼布局流场及其双垂尾抖振特性研究

对边条翼双垂尾布局模型的流场进行了激光片光源显示实验研究.实验在西北工业大学NF-3风洞三元实验段进行.实验记录了沿机身轴向从边条到垂尾后缘共8个剖面位置的流动状态.测试迎角范围10°～35°,风速4 m/s.通过边条涡流场随迎角的发展和破裂特性与前期双垂尾抖振实验获得的模型垂尾抖振响应特性的对比分析发现：垂尾翼根弯矩、翼尖加速度响应随迎角的变化均与边条涡的发展状态、是否破裂以及破裂程度密切相关.从而得出结论：边条涡破裂是引起边条翼布局双垂尾抖振的主要原因.

基于自由尾迹和升力面方法的双旋翼悬停气动干扰计算

建立了一个同时适合于共轴式、横列式及纵列式直升机双旋翼气动干扰分析的计算方法。在该方法中,为更好地模拟气动干扰特性及桨尖三维效应,桨叶模型采用了升力面/涡格法,尾迹则使用畸变的自由尾迹模型。通过旋翼下洗速度的计算值与可得到的实验值对比,验证了计算方法的有效性。应用该方法,以横列、共轴、纵列式双旋翼为例,分别计算了悬停状态双旋翼的尾迹特性及诱导速度变化,给出了部分尾迹边界,并对计算结果进行了分析。最后,给出了几点结论。

半开口分离双箱梁涡振性能及其气动控制措施研究

基于某主跨820m混合梁斜拉桥,利用刚体节段模型风洞试验结合计算流体动力学(CFD)数值模拟,系统研究了半开口分离双箱梁的涡振性能并进行一系列气动控制措施的探讨。该断面成桥状态在+3°或+5°风攻角下会产生大幅竖弯涡振,来流上游侧检修道栏杆处的气流分离起主导作用,检修车轨道对竖弯涡振有放大作用,这主要源于其后方连续产生的小尺度漩涡在断面下部开口内汇聚,形成了能量集中的大尺度漩涡。采用不同形式的检修道栏杆或改变风嘴角度对竖弯涡振控制效果不理想,将风嘴向外延伸可以有效降低振幅,但要保证检修道栏杆不移动,工程实用性较差。下中央稳定板基本没有抑制效果;水平翼板和抑流板都能有效控制竖弯涡振,其中水平翼板可以延缓漩涡能量的集中降低涡振振幅,但不能完全抑制振动,而且大攻角下会延长涡振风速区间;抑流板则直接通过抑制断面上表面漩涡的形成而有效控制涡振发生。

边条翼布局双垂尾抖振特性与机理风洞实验研究

对两种平面形状的边条翼布局模型分别作了双垂尾抖振实验和涡流场激光片光源显示实验研究。抖振实验测量了两种模型双垂尾的翼根弯矩响应和翼尖加速度响应,涡流场显示实验记录了两种模型上典型位置上的涡流场发展状态。通过边条涡流场随迎角的发展和破裂特性与模型垂尾抖振响应特性的对比分析发现:(1)垂尾翼根弯矩、翼尖加速度响应随迎角的变化均与边条涡的发展状态、是否破裂以及破裂程度密切相关;(2)主翼后掠角较大的情况下,机翼前缘涡与边条涡相互干扰,不但加快了涡的破裂使得双垂尾抖振起始迎角减小,而且使得垂尾的抖振响应较大。

双垂尾对边条翼布局大迎角升力影响机理研究

对边条翼双垂尾布局的垂尾导致大迎角升力减小现象的机理进行了研究。采用CFD方法分析一个类似于F-22战斗机的模型,发现在低速大迎角条件下,脱体涡流经垂尾外侧;垂尾下部附近气流方向向后并向外;垂尾外侧存在低压区,而垂尾内侧和垂尾间的机身上表面存在高压区。认为脱体涡在垂尾外侧表面产生吸力,在涡核下方诱导出向外的速度分量,致使垂尾处于"侧滑"气流中,从而使其表面压力内高外低,除了产生指向外侧的法向力外,也传递内侧高压至机身上表面。外倾垂尾上向外的法向力和机身上表面的高压区,是减小大迎角升力的直接原因。

边条翼布局双垂尾抖振表面脉动压力风洞实验研究

对边条翼布局双垂尾发生抖振时的表面脉动压力进行了风洞实验研究。实验在西北工业大学NF-3风洞进行。实验迎角范围：10°-40°，风速：50m／s。实验测量了垂尾内外侧表面各9处的脉动压力，并将脉动压力沿表面积分近似得到垂尾的根部弯矩响应。实验同时测量了垂尾根部应变、翼尖前缘及后缘的加速度响应。实验结果表明，通过不同测量方法得出的垂尾抖振响应规律一致，得到的垂尾抖振起始迎角相同，这表明垂尾的抖振响应是由边条涡破裂流作用在垂尾表面的脉动载荷引起的；随迎角增大，边条涡破裂流的能量不断增加，且越来越集中于低频范围，但当迎角过大时，边条涡的破裂点远离垂尾，破裂涡的能量耗散很大，从而作用在垂尾表面的脉动载荷减弱。

半开口分离双箱梁断面涡激共振及气动优化风洞试验研究

潭州大桥主桥为314m独塔双索面斜拉桥,主梁采用半开口分离双箱断面钢箱梁结构,为研究该桥特殊主梁断面的风致振动问题,提出有效的控制措施,通过制作该桥主梁节段1∶40缩尺模型进行一系列风洞试验,研究分析了主梁半开口分离双箱梁断面的涡激共振响应特性、漩涡脱落原因及其气动优化措施等。结果表明:半开口分离双箱梁断面在+3°风攻角下发生大幅竖弯涡振,振幅超过公路桥梁抗风设计规范的限值;来流上游侧人行道墙式防撞护栏是导致涡激振动发生的最主要原因,检修车轨道和检修道栏杆对竖弯涡振起放大作用;设置检修车轨道遮风板可以一定程度降低涡振振幅,但作用有限。使用高透风率的钢结构人行道防撞护栏能够有效降低竖弯涡振振幅,可满足桥梁抗风设计规范的要求。

大攻角下分离双钢箱梁间距对涡振特性的影响

以某座分离双钢箱梁桥为背景,开展了一系列的节段模型风洞试验。首先分析了-5°^+5°间8个不同风攻角下单箱梁的涡振特性,然后详细研究了+5°风攻角下分离双箱梁在16个不同间距(双箱梁的净间距D与单箱梁宽B之比D/B的变化范围为0.025~4.0)时的涡振特性,并将结果与单箱梁的结果进行了对比。研究发现,间距对上游箱梁和下游箱梁涡振特性的影响均可大致分为4个区间。

双涡互旋的数值模拟试验

本文应用准地转正压无辐散模式对双涡的相互作用进行了数值模拟试验.试验结果表明:(1)只考虑相对涡度平流的情况下双涡以互旋为主,而且随着初始间距的缩小,互旋越来越明显.双涡的相互作用与它们的初始间距以及它们的强度和结构有密切的关系.(2)双涡的移动加速和减速都是出现在它们移动方向改变的时刻,当移动方向向逆时针方向变化时移速减慢,否则加快.

水流作用下双圆柱墩混凝土梁桥的动力响应实测与数值模拟

西藏达林大桥为一座7跨桥面连续的混凝土梁桥,下部结构采用双圆柱桥墩。2018年7月,在水流作用下达林大桥桥墩及桥面出现了显著的顺桥向振动。该文报道了水流作用下大桥的动力响应实测与数值模拟研究。实测表明:桥梁顺桥向振动表现为桥梁一阶纵向模态为主的拍振,横桥向为随机微振动;顺桥向最大加速度约为0.08 m/s^2,梁端最大位移约为1.56 mm。基于一阶纵向振动模态参数,将双圆柱墩梁桥简化为单自由振动体系,在2 m/s~10 m/s流速范围内(折减流速Ur=1.69~8.45、雷诺数Re=2.6×10^6~1.3×10^7)进行了二维流固耦合数值模拟,得到了桥墩双圆柱升阻力系数以及不同结构阻尼比时的涡振响应。并对桥墩振型与水流流速剖面等三维效应进行修正,得到了墩顶位移随流速变化的关系。结果表明:上游柱尾流对下游柱的脉动涡激升力有显著增强作用,在3 m/s~6 m/s流速范围内双圆柱桥墩出现了涡激振动。在考虑三维修正后,ζ=0.01工况下墩顶位移数值模拟结果与实测值较为吻合。随着阻尼比ζ的增加,涡振最大振幅变小,锁定区间基本不变。

边条翼布局双垂尾抖振的数值模拟

对边条翼布局的双垂尾抖振进行了较为深入的数值模拟研究。模拟来流马赫数为0.2,迎角为10°-40°。通过非定常Euler方程计算各迎角下的非定常流场及垂尾根部弯矩系数。并将随时间脉动的根部弯矩系数进行计算得到根部弯矩系数均方根值,从而得出根部弯矩响应大小随迎角的变化曲线。结合流场特性对该布局双垂尾抖振的发生机理及抖振响应随迎角的变化规律作了深入分析。结果表明：该边条翼布局双垂尾抖振主要是由于边条破裂涡作用在垂尾上的脉动载荷引起的。最后,将垂尾根部弯矩响应的计算结果与该模型双垂尾抖振的风洞实验结果作了比较,结果符合得较好。