大跨度桥梁龙卷风荷载物理模拟的关键相似参数

为识别大跨度桥梁主梁断面在龙卷风作用下的风荷载特性及其主要影响实验参数,在龙卷风风场特性模拟的基础上,基于龙卷风模拟装置和刚体模型测压实验方法,对流线型扁平钢箱主梁表面风压分布、断面三分力系数等风荷载特性进行了识别,并讨论了涡流比、高宽比等龙卷风相似参数对风荷载识别结果的影响。结果表明,桥梁主梁在模拟龙卷风作用下的风荷载特性与常规边界层风洞实验结果明显不同。高宽比对风荷载特性的影响程度远大于其对风场特性的影响。不同涡流比下,高宽比对风荷载特性的影响程度不同。高宽比和涡流比是影响桥梁主梁龙卷风荷载的关键相似参数。风荷载模拟结果及其关键相似参数的影响规律将为桥梁抗龙卷风设计提供基础气动参数数据。     

独柱式变截面倾斜桥塔气动特性风洞试验研究

独柱式桥塔易发生风致振动,当塔柱倾斜且采用变截面形式时,风的作用下常表现出复杂的三维流动效应。为考察独柱式变截面斜塔静动力气动性能,通过桥塔刚性模型测力风洞试验测试了不同风向角下桥塔气动力系数,对比分析了桥塔三维绕流的影响。通过桥塔气弹模型测振风洞试验,测试了涡激振动起振风速及振幅,对比了来流风向及阻尼比对桥塔涡激振动的影响。研究结果表明,桥塔整体气动力系数及断面等效气动力系数沿塔高的变化规律受来流风向角的影响显著,顺桥向风作用下倾斜桥塔易发生横桥向涡激振动,提高结构阻尼比,可有效抑制涡振。     

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.     

大跨度悬索桥静风失稳形态及机理研究

基于MSC.MARC和PYTHON脚本语言在综合考虑静风荷载非线性和结构几何非线性影响的基础上,利用风荷载增量与双重迭代(结构几何非线性收敛迭代和风荷载三分力系数收敛迭代)相结合的方法,对大跨度悬索桥空气静力行为和失稳全过程进行了分析.通过分别加大三分力系数中某个分量的方式,揭示了气动力系数对静风稳定性的影响,讨论了不同初始攻角下大跨度悬索桥梁静风失稳的发展路径,并对比分析了静风稳定线性和非线性两种计算方法的差异.     

超大型双曲冷却塔风荷载特性风洞试验研究

结合韩城第二电厂冷却塔风洞试验，在模拟大气边界层和周边地貌的情况下，研究了不同风向角下，超大型冷却塔风荷载特性及高大地面建筑群的影响。给出了风荷载高度变化系数、风压分布特性及其三维效应区域、地面附着物影响和风荷载体形系数，与《建筑结构荷载规范》中B类地貌上述参数有较明显差异，对双曲冷却塔、特别是超大型双曲冷却塔工程结构设计，有重要的参考价值。     

桥梁断面雷诺数效应

雷诺数效应是流体力学的传统基础性问题,随着桥梁跨度的增加,桥梁断面雷诺数效应研究日显重要.在近两个数量级的雷诺数范围内测量了两类桥梁断面的三分力,以及表面压力.研究了桥梁裸体断面三分力系数及表面压力系数的雷诺数效应,宽高比对裸体断面三分力系数,以及表面压力系数雷诺数效应的影响.近流线型桥梁断面的阻力系数、升力系数都有明显的雷诺数效应,Ⅱ型断面阻力系数雷诺数效应与近流线型断面规律相反,雷诺数对两类断面的表面压力分布具有较大影响.宽高比对三分力系数雷诺数效应有明显的影响.     

灾害天气下大跨屋盖多模态随机离散风致响应研究

研究了具有空间相关性随机风荷载有色噪声过程的数学模型,讨论了用随机白噪声过程滤波生成脉动风荷载的方法。高阶振型对大跨屋盖随机风致响应的贡献不可忽略。本文根据模态解耦原理并结合精细时程积分法,提出了多模态随机离散精细积分法,推导了大跨屋盖风致响应与风效应系数的计算公式。通过大跨屋盖刚性和气弹模型风洞试验,计算了屋盖随机风致动力响应时程。同时研究了大跨屋盖的荷载风效应系数和位移风效应系数的分布情况,结果与有限元分析较吻合,验证了多模态随机离散精细积分法的正确性,证实了该方法是一种简便、快速、准确的大跨屋盖风致响应计算方法。     

苏通长江大桥主梁断面三分力系数的雷诺数效应

以苏通长江大桥为研究背景,研发了一套测压装置,通过测压法对苏通长江大桥施工状态主梁断面三分力系数进行了现场实测研究,并把现场实测所得结果与风洞试验结果进行了对比,研究了雷诺数对三分力系数的影响。结果表明：雷诺数对阻力系数影响较大,现场实测值比风洞试验所得值小约15％,对升力系数及力矩系数影响较小。因此,针对特大桥梁,在利用风洞实验获取三分力系数时应尽量使雷诺数接近实际情况,否则结果可能偏于保守。     

分段吹气高层建筑的减阻性能数值研究

为减小高层建筑的风致阻力,改善结构的抗风性能,本文采用CFD方法研究了分段吹气高层建筑模型的风荷载减阻性能,分析了侧风面和竖向开孔位置、吹气孔高度hi和吹气速度Vci等参数对减阻性能的影响。结果表明:孔洞位于离侧风面前缘3%宽度时模型的减阻性能优于其它侧风面开孔方案;分段吹气模型的最佳竖向开孔位置发生在0.425m高度处;保持Vci不变时,增加hi使得模型顺风向的阻力折减系数和基底弯矩折减系数增大,且风压减阻效率随hi的增加而减小并逐渐趋近于1.0;当吹气流量或顺风向吹气动量不变时,分段吹气模型的风压减阻效率均不如全高吹气模型。基于最大减阻效率和最小吹气功率比较了分段和全高吹气模型的减阻性能,发现后者的减阻性能优于前者,然而对于某些考虑局部风压的折减,我们可在高层建筑中上部设置吹气装置来改善其局部风压特性。最后,拟合了减阻效率(ηDR和ηMR)关于吹气孔中心高度、hi和Vci的经验公式,为分段吹气控制的应用提供参考。     

格构式塔架三维动力风荷载的风洞试验研究

通过底座天平测力风洞试验,测量了三种典型的格构式塔架(输电塔、通讯塔和电视塔)的顺风向、横风向和扭转向动力风荷载。由于模型本身的质量不够轻、刚度不够大,一阶共振力的影响不可忽视,本文作者推导了消除模型一阶共振影响的实用公式,进而得到格构式塔架顺、横、扭三维广义荷载谱和均方根广义力系数。最后,本文分析了这三种格构式塔架的动力风荷载特征,得到了几点重要的结论。     

Derivation and validation of a similarity law for free-flight wind tunnel tests of parallel stage separation

Aiming at the safety problem of the stage separation of parallel reusable high-speed air vehicles, this paper studies the unsteady test method and focuses on deriving a similarity law of parallel stage separation free-flight wind tunnel tests. The new similarity law considers the influences of aerodynamic force and gravity on the motions of the two stages, as well as the influence of aerodynamic interference between the two stages on each other’s motion. From the perspective of multi-angle physical equations, the conditions to ensure that the two-stage separation trajectory of a wind tunnel test is similar to that of a real air vehicle are derived innovatively, so as to ensure the authenticity and credibility of wind tunnel test results. The similarity law is verified by an HIFiRE-5 air vehicle, and the separation trajectories of wind tunnel tests and the real air vehicle are obtained by numerical simulation. The research shows that the similarity law derived in this paper can ensure that wind tunnel free-flight tests have the ability to predict the two-stage separation characteristics of real parallel vehicles. By analyzing the separation trajectory curve of the typical state, it is found that the new method can ensure that the trajectory error of a wind tunnel test does not exceed 1%, which indicates that this method is credible. The establishment of the new method lays the foundation for subsequent wind tunnel tests and provides support for research on the safety of the stage separation of parallel reusable air vehicles.     

磁悬浮助推发射气动力分析及风洞试验

通过分析磁悬浮助推发射装置的空气动力特征, 提出了其气动外形设计的合理原则.分析了磁悬浮橇体和支撑分离机构的气动外形方案, 并确定了优化的气动外形设计参数值.考虑地面效应模拟的同时, 在FD-06风洞中进行了缩比模型试验.结果表明, 升阻力系数随着马赫数或运载器迎角的增大而增大, 装置有上仰的趋势, 迎角为0°时, 阻力系数较小, 各系数的变化也较小.      

风速场模型对风-车-桥系统耦合振动特性影响研究

侧向风的作用会增大车—桥耦合振动系统的响应。本文将风、车、桥三者作为一个相互作用、协调工作的耦合振动系统,建立了风—车—桥系统空间耦合分析模型。以京沪高速铁路南京长江大桥为工程背景,采用自行研发的桥梁结构分析软件BANSYS对比研究了不同风速场模型对车辆及桥梁动力响应的影响,剖析了自然大气中平均成份和脉动成份在耦合振动系统中的作用。分析结果表明,在风—车—桥系统耦合振动分析中,采用空间真实相关的脉动风速场是必要的。     

刚性模型风洞试验确定大跨屋盖结构风振系数的多阶模态力法

风流经过大跨屋面时,由于气流分离在屋面的大部分区域产生强大的吸力,并引起柔性屋面结构的振动,因此大跨屋面结构抗风设计需考虑风振响应和风振系数.本文根据振型迭加原理,提出了利用刚性模型风洞试验确定大跨度柔性屋盖结构风振响应和风振系数的多阶模态力法,并推导了风振响应和风振系数的计算公式.该方法可以考虑高阶振型的贡献.通过与气动弹性模型风洞试验结果以及直接时程法相对比,发现多阶模态力法能够得出令人满意的结果.     

基于日最大风速记录的建筑群风环境评估方法

提出将各风向的风速比与日最大风速概率分布相结合,进行风环境评估,并按照风速大小划定建筑功能区域的基本方法。首先利用地面风速探头在风洞中对建筑群周边区域的风场进行定量测量,得出不同风向下各测点的风速比。再根据多年日最大风速记录和广义极值分布函数族,得出不同风向的日最大风速概率分布参数。由此即可求出各测点日最大风速超过风速阈值的概率。参照风环境评估准则,可对各区域的舒适度进行定量评估,并对其进行功能分区。通过对某高层建筑群的实验研究,验证了该方法的有效性和简便性,研究结果对建筑设计有直接的指导意义。     

高速风洞动导数试验精准度提升研究

随着高机动性飞行器的发展,准确获取飞行器的动导数尤为重要,进而对传统动导数试验技术的精准度要求越来越高。然而,在高速风洞试验中,由于模型尺寸小、气动载荷大、振动幅值小,与低速动导数试验相比,高速动导数试验面临的困难更大。为了提高高速动导数的试验精准度,针对以上特点,对模型在振动过程中的受力情况、振动机构设计以及信号干扰等问题进行了详细分析与总结,并应用于型号试验中,试验结果显示高速风洞动导数重复性精度提高至10%以内。通过所做的研究工作,高速动导数试验技术得到了提升,同时,文中对高速动导数试验技术的未来发展趋势也做了简要介绍。     

风洞 MDOE 的形式实验设计方法研究

MDOE 风洞实验方法能够用相对于传统实验方法更少的吹风次数，获得更高精准度的数据。为了解决现有基于参数模型的 MDOE 方法获取较强非线性气动规律能力的不足，需要发展基于非参数模型的 MDOE 方法。本文对基于非参数模型的 MDOE 的形式实验设计方法进行研究。通过“虚拟”风洞实验的方法，对两种常用的“空间填充设计”———拉丁超立方设计和均匀设计应用于风洞实验的适用性进行对比，并在此基础上发展了几种对均匀设计的优化改进方法，可以进一步提高样本点设计质量，使其满足风洞实验的要求。研究表明：均匀设计较拉丁超立方设计更为稳健、均匀，更适合基于非参数模型的风洞 MDOE 方法；在均匀设计方法基础上，根据风洞实验的特点发展了优化方法，包括边界点补充、样本点密度调整和重复点设计，能够将已有的“先验信息”应用于实验设计中；所发展的形式实验设计方法所需的测量点要少于 OFAT 方法的测量点（如示例中所用的测量点数仅为 OFAT方法的66．7％），且能够充分和准确地对较剧烈的非线性变化规律进行采样。本文对风洞 MDOE 的形式实验设计方法的研究结果，为后续发展基于非参数模型的风洞 MDOE 方法奠定了基础。     

垂直轴风力机桨叶气膜加热的数值研究

为观察风力机叶片在前缘开孔和不开孔两种情况下旋转叶片表面成膜情况,基于双向多流管理论模型,采用 MATLAB 软件编写程序及 Fluent 进行数值模拟,将程序计算结果与数值模拟结果进行比对,基于数值模拟分析两种模型在不同孔射流速度下的气动特性及流场情况。结果表明,数值模拟能够很好地反映流场特性,在来流风速及转速一定的条件下,孔射流速度过大会极大地削弱旋转叶片的气动性能,过小又不能形成很好的气膜保护。研究结果对 H 型垂直轴风力机防除冰叶片的设计具有一定的参考意义。     

高超声速风洞变雷诺数试验技术研究

为满足高超声速飞行器气动力雷诺数效应研究需求,在CARDC的Φ1米高超声速风洞中开展了变雷诺数试验技术研究.该项试验技术是利用Φ1米高超声速风洞采用高压下吹-真空抽吸驱动运行方式、风洞运行参数范围宽的特点,通过宽范围内调节风洞运行总压而大幅改变模拟雷诺数.研究采用了单点变雷诺数试验技术和连续变雷诺数试验技术两种手段来开展高超声速飞行器气动力雷诺数效应模拟.单点变雷诺数试验是通过一系列不同雷诺数条件、不同试验车次的试验结果,获得气动特性随雷诺数的变化规律;连续变雷诺数试验时,控制风洞总压从高到低连续变化,测量获取模型处于某一姿态角条件时气动力随雷诺数的变化规律.本文介绍了变雷诺数试验的风洞开车方式、试验及数据处理方法等,并开展了某升力体飞行器和某弹头模型雷诺数效应试验研究.研究结果表明:采用单点和连续变雷诺数试验技术相结合的方式,能较为完整、准确地获得飞行器模型气动力随雷诺数的变化规律.     

城市风场环境中的无人机快速航迹规划方法

密集的城市障碍环境以及复杂的城市风场干扰对航迹规划的实时性和航迹跟踪的准确性提出了严格要求,为此提出一种城市风场环境中的小型无人机(UAVs)快速航迹规划方法。首先,为了保证航迹规划的高效性,对固定翼无人机运动学方程进行了合理简化。其次,由于障碍环境中的最优航迹难以直接完全塑造,因此根据状态受限的最优控制理论给出了可以使用螺旋线与直线构建近似最优航迹的结论,并据此提出了一种针对城市环境的三维航迹规划方法。然后,通过对无人机运动学模型的分析,从规划角度提出了风场干扰下的航迹设计准则。仿真实验中,首先通过算法对比实验,验证了航迹规划方法的高效性;然后使用六自由度(DOF)飞机模型分别在无风场干扰和有风场干扰的环境下进行了航迹跟踪实验,实验结果证明了风场干扰下航迹设计准则的有效性。