考虑模型抖振力跨向不完全相关性效应的气动导纳识别

首先通过考虑节段模型上抖振力跨向不完全相关性效应推导了节段模型风洞试验中作用在模型断面上的分布抖振力谱和由底支式天平测到的模型总抖振力谱之间的关系。然后,以准平板断面为例,进行了格栅湍流场节段模型的测力和同步测压试验,获得了模型总抖振力谱以及模型抖振力跨向相关性函数。接着,采用等效导纳法以及抖振力自谱和抖振力脉动风速交叉谱综合残量最小二乘法分别识别了准平板节段模型等效气动导纳和六分量气动导纳,讨论了模型抖振力跨向不完全相关性效应对气动导纳识别结果的影响,并把识别得到的准平板断面气动导纳与平板断面气动导纳的理论结果——Sears函数进行了比较。结果表明：忽略抖振力跨向不完全相关性效应（即假设节段模型分布抖振力沿跨向完全相关）而直接采用平均抖振力作为断面上分布抖振力的传统方法会导致气动导纳识别结果偏小,并且,其偏小程度会随着频率的增加而增加;此外,相对于抖振升力和扭矩相关的气动导纳分量而言,由于抖振阻力的跨向相关性比抖振升力和扭矩的跨向相关性显得更弱,因此抖振力跨向不完全相关性效应对阻力相关气动导纳分量识别结果的影响更大;利用识别得到的六分量气动导纳反算的作用在模型上的分布抖振力谱与试验中实测结果非常接近,经抖振力跨向不完全相关性效应修正后的竖向脉动风速对应的升力和扭矩气动导纳分量的识别结果与Sears函数也比较接近,从而验证了用于六分量气动导纳识别的自谱-交叉谱综合最小二乘法的可靠性。     

大跨斜拉桥主梁断面气动导纳的实测研究

以苏通大桥为研究背景,通过专门研制的一套测压装置,利用测压法对苏通大桥主梁断面气动导纳进行了现场实测研究,并将现场实测结果与风洞实验结果及Sears函数进行了对比研究。结果表明:现场实测结果与风洞实验结果接近,与Sears函数有交叉,在低频范围内远小于Sears函数,在高频范围内逐渐与Sears函数靠拢,表明对于气动导纳来说,风洞实验结果是可靠的,且传统上利用Sears函数代替气动导纳函数进行桥梁结构抖振响应分析时得出的结果将过于保守,因此,对大跨桥梁进行抖振响应分析时,应针对气动导纳函数进行专门的实验研究。     

桥梁断面气动导纳的数值识别方法研究北大核心CSCD

针对一种气动导纳的数值识别方法进行研究。基于二维不可压缩URANS方法,选用SSTk-ω湍流模型,通过在来流中给定单一频率的竖向谐波速度分量,计算相应的桥梁断面气动力荷载时程,识别桥梁断面的气动导纳。首先考查来流脉动特性在计算域内的自保持能力,随后再对平板和桥梁断面的气动导纳进行识别,所得结果与理论解和试验值相比较,并讨论流场初始化条件的影响。结果表明:足够小的网格尺寸和时间步长是来流脉动不发生明显衰减的必要条件;平板的气动导纳识别结果与Sears函数高度吻合;数值识别的桥梁断面升力气动导纳在低频段与Sears函数一致,在高频段略低,但与试验值较接近;力矩气动导纳与Sears函数有较大差异,但与试验值基本吻合;流场初始化条件对计算效率有影响。     

三类气动导纳数值识别方法的适应性研究

针对气动导纳函数的数值识别方法,借助于CFD,在简谐脉动来流、湍流和竖向阶跃来流下对平板断面和箱梁断面的导纳函数函数进行研究。首先,在无断面存在的空流域内详细研究了简谐脉动来流、湍流和竖向阶跃来流的传播特性及其数值计算方法。其次,对有断面存在的情况进行了数值计算。最后,识别得到了平板断面和箱梁断面在三种不同来流下的气动导纳函数。结果表明:对平板断面,三种方法识别得到的气动导纳函数与Sears函数吻合良好,验证了三种数值计算方法的可行性;对箱梁断面,简谐来流和湍流下识别的气动导纳差别不大。相比之下,完全基于线性叠加原理的阶跃来流方法产生了实质性的偏差,表明该法不宜用于钝体断面。计算效率方面,湍流的计算效率适中且对任意断面适用;简谐脉动来流的计算效率最低,适用于气动导纳与风场无关和弱相关的断面;竖向阶跃流方法具有计算时间短的优势,但它仅能用于气动导纳与风场完全无关的断面。     

桥梁断面气动导纳的数值识别方法研究

针对一种气动导纳的数值识别方法进行研究。基于二维不可压缩URANS方法,选用SSTk-ω湍流模型,通过在来流中给定单一频率的竖向谐波速度分量,计算相应的桥梁断面气动力荷载时程,识别桥梁断面的气动导纳。首先考查来流脉动特性在计算域内的自保持能力,随后再对平板和桥梁断面的气动导纳进行识别,所得结果与理论解和试验值相比较,并讨论流场初始化条件的影响。结果表明:足够小的网格尺寸和时间步长是来流脉动不发生明显衰减的必要条件;平板的气动导纳识别结果与Sears函数高度吻合;数值识别的桥梁断面升力气动导纳在低频段与Sears函数一致,在高频段略低,但与试验值较接近;力矩气动导纳与Sears函数有较大差异,但与试验值基本吻合;流场初始化条件对计算效率有影响。     

桥梁断面气动导纳风场依赖特性的数值研究

基于二维不可压非定常RANS模型,分别计算了平板断面、箱梁断面、双边肋断面在简谐脉动来流和宽频湍流中的非定常气动力,并识别出各自的气动导纳函数。在此基础上,通过考察断面在三种不同脉动幅值来流作用下的气动导纳,研究了不同脉动幅值对各类断面气动导纳的影响。结果表明,在竖向简谐脉动来流下,平板断面的气动导纳与Sears函数吻合良好,证明数值识别气动导纳的可行性;湍流作用下,平板断面识别的导纳函数有着实质性的不同,表现出很强的随机跳跃性。与平板断面类似,箱梁断面的气动导纳接近Sears函数。在不同幅值的简谐脉动来流下,平板断面和流线型箱梁断面识别的气动导纳基本一致,表现出了流线型断面对来流特性的不敏感性。计算结果表明,具有显著分离流的双边肋断面,其气动导纳具有明显的来流风场依赖性,表明钝体断面的气动导纳并不能定性为断面的函数,而是由断面与来流风场特性共同确定。     

考虑桥塔风效应的斜拉桥时域抖振分析

大跨度桥梁频域及时域抖振分析中通常仅考虑主梁的脉动风效应.本文根据大跨度斜拉桥结构形式及振动型态的特点,结合自然风的相关特性,对大跨度斜拉桥三维脉动风场进行简化,从而基于谱解法同时模拟了主梁及桥塔的脉动风速场.基于模拟的随机风场对结构风荷载进行时域化,进而建立系统运动控制方程.由于自激力的存在,结构的运动控制方程为非线性方程,本文提出了一种迭代方法来考虑由自激力引起的运动方程的非线性.为考察桥塔脉动风速场的影响,分别进行了考虑桥塔风场和不考虑桥塔风场两种情况下桥梁抖振响应的分析,两种方法的分析结果表明,考虑桥塔风场将显著增大桥塔横桥向抖振响应.     

翼型及钝体的气动导纳

自20世纪60年代Davenport提出钝体气动导纳概念之后,气动导纳一直是钝体空气动力学研究的焦点之一.本文通过大量风洞试验,研究了湍流场中NACA0012翼型和七种典型钝体截面的非定常气动力,试验中首次采用同步脉动压力测量技术,气动导纳的识别采用统计理论.试验得到如下两个主要结论:对于某一给定的几何断面,非定常气动力与湍流各脉动分量存在着不同的气动导纳:流线型体的气动导纳对攻角变化较敏感,而对钝体的影响不太明显.     

薄板结构气动导纳试验研究

结构的气动导纳是决定结构上气动荷载的重要参数。常用的Sears’气动导纳函数只描述了导纳与频率的关系。设计了拉条模型试验验证结构的气动导纳不单与频率有关，还与结构的特征尺寸、风场的特征参数有关。获得的三维气动导纳公式定量描述了导纳与频率n、湍流积分尺度Lw和薄板宽度B的关系。     

强台风登陆过程大跨桥梁风特性特征及其抖振响应分析

台风环境条件的风场特征对沿海大跨桥梁结构的风致响应影响显著.结合强台风黑格比(0814)的登陆演变全过程风场逐时记录数据,对台风气候条件下的实测近地平均风特性(平均风速、风向角和风攻角)和脉动风功率谱进行了统计分析,研究了中心过境强台风的风场演变特征.随后分别采用规范谱和实测台风谱对位于台风影响区内的一座大跨斜拉桥(主跨448?m)进行了三维风致抖振响应分析,研究了台风演变过程中桥梁结构抖振响应特征.采用实测台风谱计算的桥梁抖振响应与仅考虑规范谱的结果差异显著.进一步研究了来流大攻角效应对桥梁抖振响应的影响,结果显示,结构竖向和扭转抖振位移分别为仅考虑规范谱响应结果的204.12％和264.87％,横向位移增加67.27％.研究表明:强台风气候条件下,来流大攻角和高频湍流能量卓越的脉动风速对桥梁抖振响应影响突出.因此,关于桥梁风致抖振的相关研究亟需慎重对待,并应加强桥梁风致安全评估.     

利用CFD计算技术进行机翼模型气动特性分析

计算流体动力学方法（CFD）已经成为空气动力学领域重要的计算方法。利用该方法进行机翼模型Naca0012的数值模拟,包括计算模型的气动力系数以及气动导数。采用了效果很好的新型网格控制算法,通过自有程序处理流固耦合边界问题以及商用软件的求解器模块进行整体区域的数值计算。在证明了方法的有效性之后,又通过多种振幅奈件下的数值模拟结果,对以往广泛采用的理论方法的有效性进行了探讨,研究了机翼模型气动导数随振幅变化而变化的情况。     

5000m特大跨度悬索桥空气动力稳定性风洞试验研究

伴随跨海大桥建造时代的来临,特大跨度悬索桥的空气动力性能研究日益紧迫,设计了中跨跨度为5000m的宽开槽和窄开槽钢箱梁悬索桥方案,实现了5000m特大跨度钢箱梁悬索桥的节段模型风洞试验,研究了宽开槽和窄开槽两种方案的颤振性能,识别了其颤振导数、颤振风速、颤振频率、三分力系数等重要参数;其次在风洞试验中研究了多种稳定板组合方案对窄开槽钢箱梁的颤振控制作用,发现中央稳定板和上稳定板的组合能将颤振临界风速提高50％;最后提出了适用于特大跨度悬索桥的二维颤振Straight—forward Method分析方法,对风洞试验进行了数值模拟,验证了该方法和节段模型风洞试验对于5000m悬索桥分析结果的一致性。最终研究认为：中央开槽达到足够宽度的方案与窄开槽附加稳定板的方案都能为跨度5000m的悬索桥提供足够高的颤振失稳临界风速,并能满足世界上绝大多数台风区的要求。     

一种减小再入飞行器侧向气动非线性的布局优化方法

为改善升力式再入飞行器在跨声速段出现的侧向气动特性非线性问题,发展了一种基于Kriging代理模型的自适应迭代气动布局优化方法。设计了一种常规升力式再入飞行器布局,计算了该布局在跨声速段的侧向气动力,分析了可能影响侧向气动特性的机翼布局参数。根据气动布局优化流程,计算了气动布局样本气动特性,建立了布局参数到侧向力矩系数导数的代理模型,完成了以减小飞行器侧向非线性为目标的布局优化设计。优化布局的气动特性计算结果表明,所发展的方法是可行和有效的。该项研究为再入飞行器减小侧向气动非线性提供了新的布局设计途径,有利于降低控制系统设计难度,保障飞行安全。     

测定颤振导数的机械导纳法

本文通过风洞试验,研究了均匀来流下几种典型节段模型涡激振动对自由衰减法获取颤振导数的影响,提出了克服这种影响的初步方法——机械导纳法。并且在研究涡脱落频率基础上,提出了颤振和涡激振动的区别方法。     

5000m特大跨度悬索桥空气动力稳定性能理论研究

为研究5000m特大跨度悬索桥的三维空气动力稳定性能,首先实现了考虑竖向、侧向和扭转向三自由度自激力和静风荷载的三维全桥全模态颤振分析方法;其次根据风洞试验获得的气动参数对宽开槽和窄开槽两种方案进行了三维颤振性能分析,并与风洞试验和二维颤振分析结果进行了逐项对比,认为二维和三维颤振分析对于5000m悬索桥有可比性;然后实现了特大跨度悬索桥三维三重非线性静风性能分析方法,并对该方案进行研究发现5000m悬索桥的动力失稳先于静力失稳出现,静风稳定性能不控制设计。最终研究结论：从三维分析的角度看,中央开槽达到足够宽度的方案与窄开槽但设稳定板的方案都能给跨度达5000m的悬索桥提供足够高的颤振失稳临界风速,并能满足世界上绝大多数台风区的要求,5000m特大跨度悬索桥的设计由空气动力稳定性能控制。     

The flutter of an airfoil with cubic structural and aerodynamic non-linearities

The flutter of a two-dimensional airfoil in a supersonic flow field, with cubic structural and aerodynamic non-linearities, is investigated using an efficient algorithm of normal form, which combines the normal form theory and the center manifold theory together. First, the stability of the linearized system is analyzed in the neighborhood of an equilibrium point, which shows that the flutter instability is resulted by the Hopf bifurcation. Then the normal form of Hopf bifurcation is deduced by applying the symbolic procedure of the new normal form algorithm to the perturbation equations. Analyzing the obtained coefficients of normal form shows that for a given system, the Hopf bifurcation can change from super-critical type to sub-critical type, consequently the flutter instability changes from “benign” type to “catastrophic” type, as the flight Mach number increases. Numerical simulations verify the dependence of response on initial conditions. Finally, the effects of the structural and aerodynamic parameters on the character of flutter instability are analyzed.     

小宽高比钢桁架悬索桥颤振稳定气动措施的试验研究

以某主跨730m、宽高比小于4的钢桁架加劲梁悬索桥为研究对象,通过风洞试验考察了上中央稳定板、下中央稳定板、下横梁稳定板、导流板、双中央稳定板、双下稳定板等气动措施对主梁颤振临界风速的影响。结果表明：选取一定的尺寸（或角度）,上中央稳定板能大幅提高0°和3°迎角下的颤振临界风速;下中央稳定板能大幅提高0°和-3°迎角下的颤振临界风速;下横梁稳定板对颤振临界风速的影响较小;主梁两侧栏杆上的稳定板能在一定程度上提高颤振临界风速;在桥面上下同时安装中央稳定板对于各个迎角均能大幅提高颤振临界风速;在下横梁上布置双稳定板,能在一定程度上提高0°和-3°迎角下的颤振临界风速,但同时降低3°迎角下的颤振临界风速。     

叶尖间隙对跨声速压气机叶片气动阻尼的影响

为了分析叶尖间隙对压气机气动阻尼的影响,基于相位延迟边界条件,建立了跨声速转子的气动阻尼计算模型,研究叶尖间隙对其流场及气动阻尼的影响。计算该转子在设计间隙条件下的气动性能、叶片模态以及颤振边界,和实验数据吻合较好,比较不同叶尖间隙(1.6%,3.2%,5.0%叶尖弦长)的转子气动性能,发现间隙增加使转子效率和压比均有显著的下降;对叶片表面非定常压力研究表明,叶片非定常压力对叶片振动的响应具有强三维特性,同时叶片间相位角(IBPA)和叶尖间隙流对其有显著的影响,由于叶尖间隙增加使叶尖流动的影响加强,导致叶尖区域由于振动造成的一阶谐波压力幅值相对减小,大间隙趋于恶化压力面的稳定性而对吸力面的影响在不同的叶片间相位角时不同;对于气动阻尼,在不同的叶片间相位角区域,叶尖间隙对其影响有显著的差异,甚至会产生截然相反的规律,特别是在设计状态,对于该转子,大间隙提高了叶片最不稳定状态的气动阻尼。