超大型冷却塔风-雨双向耦合作用机理和气动力分布研究

传统研究大多仅关注风单项驱动雨对于结构表面的冲击效应,均忽略了暴雨对脉动风湍流效应的反作用。针对国内已建成210 m世界最高超大型冷却塔,以风-雨双向耦合算法为核心,基于计算流体动力学(CFD)方法采用连续相和离散相模型分别进行风场和雨滴的模拟迭代。首先,对比研究9种不同风速和雨强组合对塔筒表面风驱雨量、雨滴附加作用力和雨致压力系数的影响规律,揭示风雨耦合场中塔筒速度流线、湍动能强度、雨滴运行速度和轨迹的作用机理,并针对不同工况的塔筒表面压力、雨荷载以及不同高度和角度下的等效压力系数进行了定性和定量的对比分析。在此基础上,提炼出最不利风雨组合工况,并基于非线性最小二乘法原理,以子午向高度和环向角度为目标函数拟合给出了超大型冷却塔等效压力系数的计算公式和对应的二维空间曲面。研究结论可为此类超大型冷却塔在极端气候下的表面荷载精确化取值提供依据,同时加深对风雨共同作用机理的理解。

考虑风-沙双向耦合作用大型风力机体系气动力分布研究

大型风力机体系属于典型风敏感结构,在风沙条件下易产生极端荷载效应,沙粒的附着亦会影响风的湍流特征并对体系产生附加冲击力,现行规范和文献均缺乏对大型风力机体系风-沙运动特征的系统研究。以南京航空航天大学自主研发的5 MW水平轴风力机为对象,采用改进的k-ε湍流模型模拟来流风场,同时添加DPM自定义沙粒模型实现与来流空气的双相耦合,基于中、强、特强沙尘暴天气典型风速与沙粒粒径的组合工况,系统分析风-沙共同作用下水平轴风力机叶片与塔架的三维流场特性、表面沙粒分布、压力系数与载荷分布,最终提炼出风-沙荷载特征值随环境参数的变化规律。研究表明:相较于风荷载,沙荷载主要对风力机塔架中下部产生冲击作用;风沙共同作用后,大粒径沙粒在风力机塔架迎风面底部产生的荷载效应尤为显著,部分区域沙压系数可达0.517;沙粒冲击荷载与风荷载的比值最高可达22.57%。主要研究结论可为大型风力机结构风沙荷载取值提供科学依据。

端部状态对斜置圆柱气动力分布的影响

在有限长度圆柱气动力测试风洞试验中,端部状态的变化对气动力有很大影响。在雷诺数为6.43×10~4时,通过刚性模型风洞测压试验对3种端部状态下的斜置圆柱气动力特性进行研究,基于平均风压系数沿斜置圆柱的轴向和周向分布规律,分析端部状态对斜置圆柱气动力测试结果的影响。结果表明:斜置圆柱表面风压沿轴向可分为近上游端部区、中间区和近下游端部区;由于马蹄涡的存在,在近上游端部区的背风面,风压沿轴向有一个突变,端部状态对马蹄涡强度有很大影响;在中间区,背风面风压沿轴向出现交替变化,可能是由于在近上游端部区形成的旋涡受到轴向流作用向中间区流动导致的,端部状态对交替风压变化的幅度和阻力系数有很大影响;当下游端部封闭时,近下游端部区的迎风面和背风面风压都会出现突变,且迎风面的突变幅度更大,下游端板对近下游端部区迎风面的风压分布影响更大。

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。

流线闭口箱梁断面涡振过程分布气动力演变特性

涡激振动是大跨度桥梁在低风速下较常见的风致振动现象,探究涡振机理是桥梁涡激振动效应评价与控制的重要前提.为深入研究涡振机理,立足于涡振发展的完整过程分布气动力与结构行为同步演变特性分析,深入揭示了分布气动力及其结构行为作用机制.以典型大跨度桥梁闭口流线型箱梁断面为对象,实现了弹性悬挂节段模型同步测力、测振和测压风洞试验.针对典型涡振过程风速关键结点,对比研究了涡振发生前、锁定区上升区、振幅极值点、下降区以及涡振后等不同时期箱梁表面分布气动力演变特性.研究表明,涡振过程箱梁分布气动力特性具有明显的变迁历程,集中体现在涡振锁定区内外表面气动力特性具有显著差异,压力系数根方差、振动卓越频率处压力系数等统计参数与涡振振幅高度相关,气动力与涡振振幅具有明显同步演化关系,尤其是上表面下游、下表面与下游风嘴转角附近区域气动力演变特性显著,是引起涡振的主要原因.该研究为涡振机理研究提供了一种新的思路和方法,未来可应用于其他类型主梁断面.

风雨耦合下大型冷却塔流场特性与表面气动力

现行冷却塔结构抗风设计均忽略了降雨带来的影响,但在强风暴雨极端气候条件下,暴雨亦会直接影响塔筒内、外表面气动力并改变脉动风的湍流效应,而传统研究大多仅关注风驱动雨对于结构表面的冲击效应。为解决该问题,以国内已建世界最高220 m大型冷却塔为例,以风-雨双向耦合算法为核心,首先采用计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)技术对冷却塔周围风场进行数值模拟,并将表面风压分布与规范及实测曲线进行对比验证了风场模拟的有效性;再添加离散相模型(Discrete phase model,DPM)并进行雨滴和风场的同步迭代计算。在此基础上,系统研究了塔筒内外表面风驱雨量、雨滴附加作用力和雨致压力系数等影响规律,揭示了风雨场中塔筒表面速度流线、湍动能强度、雨滴运行速度和轨迹的作用机理。最终提出了基于风雨双向耦合算法的风-雨致等效压力系数新模型及其分布特性。研究结论可为此类冷却塔在极端气候下的表面荷载取值提供参考。

中央开槽箱梁断面扭转涡振全过程气动力演化特性

中央开槽箱梁因其优越的颤振性能而在大跨度桥梁建设中得到应用,但中央开槽存在引发结构大幅涡振的气动稳定性问题。以典型大跨度桥梁中央开槽箱梁断面为对象,进行弹簧悬挂节段模型风洞测压、测振试验。对比研究了扭转涡振锁定风速全过程起振点、上升区中点、振幅极值点、下降区中点及涡振结束点等涡振发展过程箱梁表面气动力演化特性。研究表明,箱梁表面气动力在涡振过程不同阶段具有明显的变迁历程,气动力特性与涡振响应有明显的同步演化关系。分布气动力对涡激力的贡献与扭转涡振振幅呈正相关关系,均在振幅极值点风速达到最大,下游箱梁上下表面后部区域及上游箱梁上表面前部区域对涡激力贡献较大,前两者起增强作用,后者起抑制作用,这些区域的气动力是引起中央开槽箱梁扭转涡振的主要原因。与闭口箱梁上下表面下游分布气动力对整体涡激力贡献相互抵消效应相比,中央开槽使得下游箱梁上下表面分布气动力均对整体涡激力起增强作用,这是中央开槽箱梁相比闭口箱梁涡振效应更加突出的重要原因。

由抛助推器故障引起非对称条件下的运载火箭气动伺服弹性分析模型

在运载火箭抛助推器故障造成结构刚度、质量分布和气动力分布不对称条件下 ,建立了运载火箭气动伺服弹性分析的数学模型 ,以及非对称情况运载火箭结构弹性振动特性分析有限单元法模型 ,并求解了其频率和振型。应用

风⁃雨耦合环境超高层三塔连体建筑雨压分布研究

以中国东南沿海某超高层三塔连体建筑为研究对象,以风‑雨双向耦合算法为核心,基于计算流体动力学技术采用连续相和离散相模型进行风场和雨场的迭代模拟。首先基于9种风雨组合工况进行三塔连体建筑非定常脉动风场模拟,探讨超高层三塔连体建筑平均风压分布、表面速度流线和流场干扰机理。然后对比研究不同风雨组合工况下主塔表面雨滴附着数量、雨滴冲击力和雨压系数的分布规律,揭示风‑雨耦合场中结构表面速度流线、雨滴运行轨迹和最终速度的作用机理。最后提炼出超高层三塔连体建筑最不利风‑雨组合工况,并给出对应的雨压系数取值建议。研究表明:风‑雨耦合环境下超高层连体建筑迎风面雨荷载作用最为显著,此时雨荷载与风荷载最大比值可达23.81%,局部测点最大雨压系数达到0.301,100 a重现期风速和强大暴雨组合为风‑雨耦合作用的最不利组合工况。

分布式非线性气动力模型弹性飞机动力学研究

建立了线性与非线性两种分布式气动力模型,在弹性飞机模型上添加所建立的气动力模型,验证了整个系统的有效性。对所建立的模型进行着陆及突风扰动动力学仿真,对比线性及非线性气动力模型的飞机动力学响应的差异,结果表明非线性气动力模型能够更合理地计算飞机大迎角状态下的气动载荷及动力学响应。

弧翼飞行器柔性飞行动力学研究

以一种弧翼布局飞行器为背景,介绍了飞行器的特性;建立了线性分布式气动力模型,添加到全机的三维有限元柔性模型上,进行飞行动力学的仿真分析。研究了分布式气动力模型对弧翼布局飞行器的柔性飞行动力学特性造成的影响。通过对不同响应情况下的飞行状态的仿真计算与分析,总结出了采用分布式气动力建模的大展弦比弧翼飞行器的柔性飞行动力学的变化规律。

基于大涡模拟考虑叶片停机位置大型风力机风振响应分析

为研究停机状态下不同叶片位置对大型风力机塔架-叶片体系风振响应的影响,以某3 MW大型水平轴三叶片风力机为研究对象。基于大涡模拟(LES)方法对叶片八个不同停机位置下的风力机体系流场和气动力性能进行了数值模拟,并通过与国内外实测数据对比验证了该方法的有效性;结合有限元法对考虑叶片不同停机位置的风力机塔架-叶片耦合模型进行了动力特性和风振响应时域分析。主要结论为:不同叶片停机位置对风力机塔架绕流特性和气动力分布影响显著,塔架中上部风振响应受叶片不同停机位置的影响最大,尤其是迎风面和背风面的脉动位移均方差响应较大,相应最大值出现在工况八下塔顶350°位置;最大塔底弯矩出现在工况二的环向330°位置;工况五下三叶片叶尖顺风向位移响应峰值>2.5 m;研究表明在进行大型风力机抗风设计时应考虑不同叶片停机位置的影响。

叶片停机位置对风力机塔架绕流及尾流特性影响

上风型风力机叶片的绕流和旋转直接影响塔架周围的流场,以南京航空航天大学自主研发的3 MW水平轴风力机塔架-叶片体系为研究对象,采用大涡模拟(LES)方法对叶片不同停机位置(共计八种计算工况)下风力机塔架绕流和尾流特性进行了数值模拟,并与国内外脉动风压实测曲线进行对比验证了LES方法的有效性。在此基础上,对比分析了叶片不同停机位置对风力机塔架表面压力系数、整体升力及阻力系数、绕流和尾流特性的影响;研究表明叶片停机位置对塔架绕流及气动力分布的影响显著,其中工况五的停机位置最为不利,工况一的停机位置最为有利。主要研究结论可为大型风力机在停机状态下的抗风设计提供参考依据。

考虑叶片桨距角和干扰效应的大型风力机体系风致效应研究

以某5 MW大型风力机为对象,首先基于大涡模拟(LES)技术进行考虑不同叶片桨距角影响的大型风力机体系非定常流场和气动力模拟,并与规范及实测结果进行对比,验证大涡模拟的有效性。在此基础上,结合有限元方法系统分析不同叶片桨距角下风力机塔架-叶片耦合体系的动力特性、风振响应、屈曲稳定性能和极限承载能力。研究表明:0°叶片桨距角下塔架显著干扰区段迎风面0°处出现负压,叶片顺风向位移响应极值最大值为3.98 m。随着叶片桨距角的增大,塔顶径向位移、各叶片顺风向位移和叶根剪力的均值和均方差均呈逐渐减小的趋势,且叶片桨距角在30°~50°范围内出现显著变化。叶片桨距角为0°时风力机体系风致响应最为不利,当叶片桨距角为90°时,体系屈曲性能和极限承载力最为不利。

考虑叶片偏航和干扰效应大型风力机体系风振响应与稳定性分析

叶片偏航和干扰会显著改变大型风力机表面气动力分布模式,进而影响风力机体系的风振响应和稳定性能.以某5 MW大型风力机为研究对象,首先采用大涡模拟(LES)方法进行了最不利叶片位置下考虑6个偏航角(0°、5°、10°、20°、30°和45°)影响的风力机体系流场和气动力模拟,并与规范及国内外实测结果进行对比验证了大涡模拟的有效性.在此基础上,结合有限元方法系统分析了不同偏航角下风力机塔架-叶片耦合模型的动力特性、风振响应和稳定性能.结果表明:不同偏航角下塔架径向位移均值和均方差的最大值均出现在塔架环向0°和180°处,最大塔底弯矩均出现在环向20°处.0°偏航时各叶片顺风向位移响应极值均大于2.7 m,随着偏航角的增大,塔架顶部径向位移、叶片顺风向位移和叶片根部内力的均值及均方差均逐渐减小,而临界风速则呈现先减后增再减小的趋势.综合表明:0°偏航角下风力机体系气动性能和风振响应均最为不利,45°偏航角下风力机体系的稳定性能最为不利.

风-雨荷载下大型冷却塔内压作用

为了探讨暴风雨气候下降雨对大型冷却塔的影响,本文展开了风雨两相流模拟以及内表面气动力研究。以某210 m高超大型冷却塔为研究对象,以风-雨耦合算法为核心,基于计算流体动力学方法分别采用连续相和离散相计算模型展开风场和雨场的数值模拟。在此基础上,研究9种不同风速-雨强组合对塔筒内表面雨量、雨荷载和等效内压系数等的影响规律,揭示风-雨耦合作用下塔筒内部速度流线和雨滴轨迹的作用机理,最终提炼出最不利组合工况并分析其等效内压系数分布特性。研究表明:风-雨荷载下冷却塔塔顶内表面背风区的雨致压力系数不能忽略,最大数值可达0. 003 8。结论可为此类冷却塔在极端天气下的内表面压力取值提供参考。

超大型冷却塔施工全过程流场作用机理分析

已有关于冷却塔表面风荷载的研究均忽略了施工全过程的影响,以国内某在建210 m高超大型冷却塔为工程背景,综合考虑工程进度与计算精度建立8个冷却塔施工全过程三维实体模型.采用大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)方法获得了施工全过程冷却塔周围流场信息和三维气动力时程,将成塔风压与规范及国内外现有实测曲线进行对比,验证了数值模拟的有效性.在此基础上,对比分析了超大型冷却塔施工全过程外表面流场分布随高度增长的变化规律,归纳总结了冷却塔施工全过程外表面压力系数与层阻力系数三维分布规律,探讨了各施工工况典型截面尾迹流线、涡量云图及湍动能分布差异与产生原因,最终揭示了超大型冷却塔施工全过程三维绕流与风压分布的演化规律.主要结论为进一步理解超大型冷却塔施工全过程流场演化规律与风荷载取值提供科学参考.