模拟台风异常路径(Ⅰ)——Rankine涡模型

本文提出一个用Ｒａｎｋｉｎｅ涡模型模拟对称和非对称台风的方法·考虑到台风和Ｒａｎｋｉｎｅ涡之间物理性质的相似性，从定性上分析了这一方法的可行性·参照Ｙａｎｃｙ台风的观测数据。

基于尾流振子模型的柔性悬挂立管涡激振动分析

为了分析深海采矿柔性立管涡激振动响应特性,提出了一种高效的针对特殊边界的处理方法.基于欧拉梁模型和尾流振子模型,结合有限差分方法,系统研究不同边界条件、中间仓质量和海流剪切参数对深海采矿立管涡激振动的影响规律.结果表明:悬挂立管底部会产生较大位移,与传统两端铰接立管相比,相同激励下悬挂立管会激发出更高阶的振动模态,从原本5阶模态升至6阶;随着中间仓质量增加,立管振动的主导模态会随之降低,在同一模态下,悬挂立管底部位移逐渐减小,从0.460降至0.405,当模态转换时,底部位移均方根会迅速增大,由0.405升至0.413;底部位移随着均匀流速的增加呈现出波动趋势,在一定流速范围内,位移随流速线性变化;随着剪切参数增大,在同一模态下,立管底部的位移逐渐减小,当模态转换时,底部位移会增加.

基于半解析涡环模型的农用单旋翼直升机流场快速计算

农业航空领域中,定量获取风场(流场)速度分布对单旋翼直升机辅助授粉作业、农药施用效率提升具有重要意义。基于此提出一种半解析理论方法能够快速完整计算单旋翼流场速度。以涡环模型为基础,将农用直升机旋转桨盘下的尾涡系等效为涡环连续叠加所形成的圆柱涡面,再由涡环速度诱导公式半解析计算直升机旋翼空间各点速度。理论模型与仿真和文献试验数据比较,结果表明:涡环模型简单快速,普通计算机(CPU 2 GHz,内存2 GB)上2.8 s完成计算;悬停时与计算流体力学仿真结果下洗速度径向平均误差小于1.9 m/s,平均相对误差小于39.1%,轴向平均误差小于2.26 m/s,平均相对误差小于54.6%;悬停时,诱速从中央往桨尖递增;前飞时,平飞速度越大诱速越小;流场主要影响因素依次为前飞速度、旋翼半径、飞机总重、空气密度。为定量计算农用直升机旋翼风场、辅助授粉作业和田间施药喷头布置提供一种快速方法和参考。

基于Omega涡识别理论的自适应空化流动模型

液体火箭发动机涡轮泵内存在多种空化类型,其发生机理有所不同,现有数值计算方法通常采用同一套模型预测所有类型空化,导致预测精度不足。为提高复杂空化流动的计算精度,提出了自适应空化流动模型。基于先进的Omega涡识别理论和ZGB空化模型建立了相变系数自适应调整方法,以涡轮泵内两种典型空化(附着空化和泄漏涡空化)为对象,利用翼型实验对模型进行了验证。首先对比了几种涡识别方法的差异,发现Omega方法对阈值不敏感且物理意义明确,适合作为相变系数的取值依据;分析了相变系数对附着空化和泄漏涡空化的影响规律及两种典型空化的形成机理。结果表明:自适应模型相比ZGB模型,对泄漏涡空化的预测精度在大间隙下提升了约181%,小间隙提升了约27%,对附着空化的预测更接近实验结果;附着空化是吸力面脱落涡形成的原因,间隙泄漏流场的涡带和剪切层空化是由间隙泄漏涡和分离涡共同作用形成的。

Rankine涡平移模型下低层房屋龙卷风荷载的分析

应用Rank ine涡运动理论,结合我国的龙卷风灾,探讨气流速度和压力沿平面的分布规律,分析建筑风荷载,表明了龙卷风各水平面左侧旋涡压强沿径向按递减,递增、递减变化,对建筑物风压力、风吸力、扭转的实用计算进行了探讨,可供建筑结构抗风设计参考。

适用于工程仿真的大涡模拟与化学反应模型

针对大尺度气体爆炸工程问题数值模拟的需求,基于层流火焰厚度与初始压力的关系,改进了传统的增厚火焰模型,使增厚因子能够根据当地压力自动调整大小.同时,基于开源程序Canter和遗传算法,提出了能够准确计算层流火焰速度、火焰面厚度及其随压力变化的多组分单步化学反应模型.集成发展的大涡模拟、化学反应模型与多组分反应流有限差分计算程序,开展了封闭管道氢气空气爆炸数值模拟.通过与试验对比,研究了大涡模拟模型、网格大小、化学反应模型对计算结果与效率的影响.结果表明:相比于详细反应模型,新单步氢气空气简化反应模型节省了60%的计算时间,极大提高了气体爆炸三维数值模拟的计算效率.

悬浮隧道考虑竖向弹性约束的子结构模型与涡振响应特性

通过将跨内支撑锚索与连接边界条件简化为竖向弹性约束,采用尾流振子考虑均匀流作用下结构的流固耦合效应,研究多跨锚索支撑式悬浮隧道的涡振特性。基于Euler-Bernoulli梁理论建立可考虑跨内/边界竖向支撑刚度对涡振特性产生影响的悬浮隧道管体子结构模型,分析多组跨内锚索支撑刚度与边界约束刚度组合下管体的涡振响应规律。研究结果表明:当两类约束刚度增大、结构固有频率增大时,高阶模态越难以被激发,能有抑制涡振响应的作用;当锚索支撑刚度较小和较大时,靠近端部位置的涡振响应幅值随边界约束刚度的增大而减小,且跨度范围内的涡振响应峰值关于中点对称,当锚索支撑刚度中等且相邻阶次频率相差较大时,管体位移由单一模态主导,当相邻阶次频率接近时,在涡振锁定区间内可观察到由模态耦合所导致的“凹陷”和“凸起”的非线性现象;不同位置之间跨内位移响应的极大值在边界约束刚度较小、较大时分别出现在两端、中点位置。

基于大涡模型的床面形态与水流相互作用过程模拟研究

为判断动床弯道中二次流和涡结构模型的模拟精度,基于Barbhuiya的90°水平弯道冲刷水槽试验,比较了大涡模型(LES)和RNG k-ε模型对弯道冲淤过程中床面形态模拟的精确程度,发现LES模型结果更加精确。基于LES模型模拟结果,通过使用Q准则识别二次流产生的底部涡结构,分析了涡结构对床面冲刷淤积的定量影响。结果表明:在清水冲刷动床弯道的过程中,Q值介于30~50之间时底部涡趋于稳定存在,Q值大于50时会明显影响床面冲淤;强大稳定的涡结构会使床面形态逐渐稳定,床面冲刷和淤积速率趋于一个定值,床面冲刷和淤积速率不超过2×10^(-6)m/s。进一步分析弯道内剪切流速与床面形态的关系,发现弯道内存在两类高剪切流速区域,当第一类区域剪切流速值大于第二类时,床面会出现深度大于0.10 m的明显冲刷坑。研究结果可为弯道中冲淤平衡和床面形态模拟提供参考。

文丘里喷嘴空化流大涡模拟亚格子模型对比研究

针对文丘里喷嘴不同机制下可压缩空化流开展了大涡模拟(LES)研究,并对比讨论了3种常用的亚格子模型的适用性。结果显示,各模型在预测回射流机制和凝结激波机制的流速与空化云脱落周期上表现良好。在空化云演化过程中,WALE模型在两种机制下的模拟吻合度最佳,SL模型预测溃灭过程提前,蒸汽相体积分数偏小;KET模型吻合度最差,溃灭过程以及周期内脱落存在时间延迟。初步发现回射流机制下的喉部压力功率谱密度分析服从-5/3标度律,凝结激波机制服从-7/3标度律。

基于不同涡黏模型的三心拱巷道风流数值模拟研究

为了研究不同湍流模型在预测U形钢支护三心拱巷道截面风速分布的差异性,选取相同边界条件下风洞实测风速与基于标准k-epsilon模型、标准k-omega模型、Spalart-Allmaras模型等3种湍流模型的仿真风速进行比较。结果表明,上述3种湍流模型均能大致描述巷道风流特征,巷道截面处风速实测值与仿真值的绝对误差与入口风速呈正相关关系,与壁面距离呈负相关关系;以绝对误差平均值和均方根误差为评判准则,标准k-epsilon模型在模拟巷道风速时与现场实测风速数据的拟合度较高,Spalart-Allmaras模型次之,标准k-omega模型拟合度较低。

流线型箱梁涡激共振响应模型尺寸效应

针对闭口流线型钢箱梁涡激共振响应风洞试验研究中存在的尺寸效应问题,依托广东南沙至中山高速公路洪奇门特大桥,采用风洞试验和计算流体动力学相结合的方法进行研究.首先分析了两种几何缩尺比下闭口流线型箱梁节段模型风洞试验中涡激共振响应的差异;然后,采用流固耦合数值模拟方法计算了不同缩尺比闭口流线型箱梁断面涡振响应.结果表明:闭口流线型钢箱梁涡激共振响应存在明显的模型尺寸效应,表现为常规比例(λ_(L)=1/60)主梁节段模型涡振振幅大于大比例(λ_(L)=1/30)主梁节段模型涡振振幅;二维数值模拟计算得到的涡激共振响应锁定风速区间、振幅与风洞试验结果吻合较好,验证了数值模拟方法的精度,同时也表明模型长宽比及试验阻塞率的差异不是闭口流线形箱梁涡激共振尺寸效应的主要影响因素;随着主梁断面模型缩尺比的增大,其涡激共振响应总体呈现下降趋势,且不同缩尺比下主梁断面静态绕流流场的涡脱频率分布存在显著差异.

大跨度铁路桥附属构件对不同宽高比矩形断面涡振性能的影响

在已建成的大跨度鳊鱼洲长江大桥原设计宽高比为6.7∶1的四线铁路桥矩形箱型主梁断面的基础上,通过调整断面宽高比,设计宽高比为4∶1的二线铁路和宽高比为9∶1的六线铁路桥矩形箱梁断面。通过节段模型风洞试验,在0°,±3°和±5°风攻角的均匀来流下,对以上3种常用二线、四线和六线铁路桥矩形箱梁断面与对应相同宽高比纯矩形断面之间的涡振特性关系,以及铁路桥附属构件对不同宽高比矩形断面涡振性能的影响进行研究。结果表明:在宽高比分别为4∶1和6.7∶1的矩形断面上布置铁路桥附属构件能增大断面在负风攻角下的涡振振幅,在-5°风攻角下竖向涡振振幅增大率高达277.5%,但对正风攻角下的涡振响应起到一定的抑制作用,而在宽高比为9∶1的矩形断面布置六线铁路桥附属构件则能明显增大该断面在各风攻角下的涡振振幅,其扭转涡振振幅增大率均在48.3%以上;铁路桥附属构件对矩形断面涡振性能的降低作用随着断面宽高比的增大而提升,针对气动外形较钝的二线和四线铁路桥箱梁,可参考相似宽高比矩形断面涡振特性,并重点考察箱梁在负风攻角下的涡振响应,而针对宽高比较大的六线铁路桥箱梁,由于附属构件影响较大,参考相似宽高比矩形断面涡振特性的意义较小,均应详细研究其在各风攻角下的涡振性能。

基于能量竞争载荷模型的海洋立管双向涡激振动时域预报方法研究

海洋立管是深海油气开发中用于连接海底井口和水面浮体的唯一通道。立管在洋流作用下极易发生涡激振动(vortex-induced vibration,简称VIV),发展快速经验性涡激振动时域预报方法对立管的安全设计具有重要意义。通过柔性立管模型试验,结合载荷重构方法和最小二乘法,识别建立了能量竞争载荷模型下的经验水动力载荷系数模型。应用识别建立的经验水动力载荷系数模型,发展形成了海洋立管顺流向及横流向双向涡激振动时域预报方法。将预报结果与试验结果对比,结果表明:基于能量竞争载荷模型的海洋立管双向涡激振动预报方法能够有效预报海洋立管涡激振动主导模态、主导频率、流向平均位移响应和涡激振动位移响应等力学行为特性。研究成果对发展更为有效的涡激振动预报手段具有有益参考。

大跨PK断面钢箱梁斜拉桥涡振性能及优化措施研究

红莲大桥主桥为主跨580 m的双塔斜拉桥,中跨主梁采用PK断面钢箱梁,该类主梁断面易发生涡振,需对其涡振性能及抑振措施进行研究。基于该桥有限元动力特性分析结果,制作PK断面钢箱梁1∶60缩尺比节段模型进行测振风洞试验,研究桥梁原始设计断面主梁的涡振性能,讨论增加结构阻尼比(增加至0.010和0.027)措施的涡振抑振效果,并对增设稳定板、水平导流板、部分封闭桥面栏杆等不同气动优化措施及组合对主梁涡振性能的影响进行分析。结果表明:原始设计PK断面钢箱梁的涡振振幅明显超过规范限值;增大结构阻尼比虽然可以有效抑制涡振响应,但阻尼比增加至0.027时竖弯涡振振幅仍然显著;在桥面检修栏杆上缘外挑1.6 m宽水平导流板可将涡振振幅降低到可忽略的水平;采用在检修栏杆上缘外挑1.1 m宽水平导流板、优化桥面燃气管道位置、调整防撞护栏下部封闭高度为0.42 m,或移除检修道栏杆底座、错列布置封闭检修道栏杆和防撞护栏等组合措施,虽不足以完全抑制涡振的发生,但可将涡振振幅控制至明显小于规范限值。

旋涡空化水动力学特性研究进展与展望

涡空化作为一种在推进器叶顶涡心处产生的空化现象,在推进器原型上往往最早出现,其一旦发生将会严重影响舰艇的声隐身性能(噪声增加10 dB以上),在很大程度上限制了舰艇临界航速的进一步提升,因而长期以来一直是空化水动力学领域研究的重点与难点课题之一.本文首先简要介绍了旋涡空化流动相较于其他形式空化流动的特点,并以梢涡空化为主要对象,系统阐述了旋涡空化初生、发展的演变行为与流动机理研究,从空化三要素的角度深入讨论了其影响因素与作用机制.在此基础上,本文分别对旋涡空化流动中尺度效应、流动控制等关键问题的相关研究进展进行了回顾,较为系统地梳理了旋涡空化尺度效应的内在原因以及旋涡空化流动控制方法与控制思路.最后,本文针对目前旋涡空化研究领域关注的重点与难点问题,对旋涡空化流动研究中采用的实验测量及数值模拟技术进行了总结与展望.

基于ARIMA模型的涡轴发动机排气温度预测

为保证直升机飞行安全、降低维护成本,通过监测发动机排气温度变化预测剩余寿命。首先在发动机实际外场使用数据中经采集、筛选、换算后得到有效分析数据;并将排气温度作为时间序列数据,从自身的相关性出发,通过历史数据预测未来趋势,建立了基于ARIMA模型的排气温度预测模型;运用该模型对某型涡轴发动机实际外场使用数据进行建模预测,结果显示短期波动较大,长期趋势精度较好。

均匀流作用下柔性悬垂管涡激振动响应特性试验研究

温差能发电是近年海洋可再生能源研究的热点,悬垂取水管作为温差发电装置中提取深层冷海水的关键结构,其涡激振动响应特性尚不明确。本文开展了均匀流下悬垂管的涡激振动水池模型试验,利用光纤光栅应变传感器测量涡激振动应变响应,通过模态分析法、小波变换等数据处理方法研究悬垂管的幅值和频率特征。分析试验结果发现:均匀流作用下,悬垂管的涡激振动位移响应最大幅值主要位于悬垂管底部;柔性悬挂立管IL(in-line)和CF(cross-flow)主导频率基本满足二倍频关系,但是在模态转换的流速工况下会出现IL和CF方向主导频率相同的现象,同时伴随着明显的“行波”、“多频响应”以及“时间共享”特征;处理得到背景洋流作用下悬垂管的CF和IL方向斯特哈尔数分别为0.15和0.30,略小于以往两端铰支柔性立管试验结果,该值将为悬垂输水管涡激振动预报研究提供参数输入。

双合成射流前体非对称涡控制技术及模型自由飞实验验证

为推进前体非对称涡流动控制方法在飞行器大迎角飞行控制方面的应用,提出并发展了一种基于双合成射流的前体非对称涡控制技术。研发了一套机载型双合成射流控制装置及模型自由飞验证机,通过风洞半自由飞及模型自由飞实验,验证了利用前体非对称涡控制技术实现尾旋改出和大迎角姿态控制的可行性;同时,依靠飞行测控系统和机载压力测量系统,实现飞行器姿态及前体表面压力的同步测量,可对前体非对称涡控制效能进行有效评估。风洞半自由飞实验结果表明:在60°迎角下,双合成射流可有效控制前体非对称涡相对位置,产生偏航力矩,实现大迎角航向操纵。在模型自由飞实验中,该技术可在常规方向舵失效的迎角下实现尾旋改出,可控尾旋角速度达到173(°)/s;依靠该技术,验证机可在大迎角飞行时进行快速偏航操控,由控制输入到偏航角速度改变的时滞小于0.5 s。

风琴管喷嘴空化水射流流场的大涡模拟

针对空化水射流流场空化云演化采用RANS方法模拟不准确的问题,采用大涡模拟(Large-eddy simulation,LES)对风琴管空化喷嘴流场进行数值模拟。基于Mixture多相流模型和Zwart-Gerber-Belamri(ZGB)空化模型,分别采用SM模型(Smagorinsky-Lilly model,SM)、壁面适应的局部涡黏模型(Wall-adapted local eddy-viscous,WALE)和代数壁面模型(Wall-modeled large eddy simulation,WMLES)3种不同的亚格子模型,对风琴管喷嘴空化水射流流场进行数值模拟,分析空化水射流特性、空化云演化规律及脱落频率。结果表明:WALE模型可以较为准确模拟空化云演化周期,与高速摄像拍摄结果吻合较好;在喷嘴内圆柱段以及扩散段壁面附近产生涡环,加快了空化泡析出,WALE模型较好的模拟了涡环结构;涡量分析表明涡流在喷嘴出口附近出现,射流的末端空化泡破碎产生扰动,大尺度涡演化为小尺度涡,WALE模型模拟出涡的破碎范围较SM模型更大,WMLES模型未捕捉到小尺度涡。

基于旋涡漂移假设的流线型闭口箱梁竖向涡振机理研究

旋涡脱落和漂移是桥梁涡振发生的关键流场特征,有必要从涡动力学的角度揭示涡振机理。以典型流线型闭口箱梁为例,从气动力做功能量角度,构建简化涡模型,并结合基于风洞试验的断面表面气动力时频特征和基于数值模拟方法的断面周围流场特性,揭示流线型闭口箱梁多阶涡振机理,验证上述模型。研究表明:分离涡斯托罗哈数表征旋涡气动力做功能量特征,其可表达为旋涡漂移速度与来流风速比值的正整数倍,即同一分离点可对应多个涡振锁定区。流线型箱梁断面存在3阶竖向涡振锁定区,其中,第2阶和第3阶涡振锁定区均由来流经过断面前缘附属设施时产生的大尺度旋涡,在分离点至断面尾缘之间发生周期性漂移诱导与维系。在第2和第3阶涡振锁定区内分离涡分别耗费约2个和1个振动周期完成从分离点至截面尾缘的漂移,即二者分别由该分离点诱发的2阶和1阶简化涡模式主导。该研究验证了简化涡方法推演桥梁断面周围旋涡演变特性的合理性。