基于测力和测压试验的气动导纳识别结果比较

气动导纳是大跨度桥梁抖振分析的重要参数,通常通过格栅湍流场测力或测压风洞试验进行识别。然而,测力试验中天平和节段模型系统的固有振动和测压试验中测压管路系统的频响效应都会对气动导纳的识别结果产生影响。本文通过格栅湍流场测力和测压试验、采用抖振力自谱和抖振力脉动风交叉谱综合残量最小二乘法识别了准平板断面的气动导纳,其中,在基于测力试验的气动导纳识别中考虑了模型抖振力跨向不完全相关效应的影响,在基于测压试验的气动导纳识别中考虑了按Bergh-Tij deman理论公式修正或者不修正测压管路系统频响特性影响的2种情况。在此基础上,通过考察气动导纳实验识别结果之间的差别及其与平板断面气动导纳理论解Sears函数之间的差别,研究了天平模型系统固有振动以及测压管路系统频响效应对识别结果的影响。结果表明:天平模型系统的共振会显著放大气动导纳的识别结果;而由于测压管路的固有频率一般要显著高于天平模型系统的固有频率,因此,与基于测力试验得到的气动导纳相比,基于测压试验所得气动导纳总体上更加合理,可用导纳的折算频率范围更广。此外,在一般大跨度桥梁抖振分析所关心的折算频率范围内,考虑测压管路频响特性修正后,气动导纳有一定降低。     

主动来流条件类平板断面气动力荷载效应分析

利用日本宫崎大学11×9多风扇主动控制来流风洞和高精度动态天平测力设备,测量了类平板断面在正弦风波来流条件三分量气动力荷载,比较了不同来流平均风速、波动幅值、脉动频率和积分尺度等参数条件下类平板断面荷载效应.报导并证实了大气边界层物理风洞固定壁面边界反射效应所产生的倍频放大效应;在获得并验证正弦风波加载离散频率荷载效应可线性迭加的有效频段区间内,初步比较了来流积分尺度和风速湍流度效应对于气动荷载效应的影响,阐明典型节段模型风洞试验结果与传统随机抖振气动力理论的差异.     

端板对二维矩形风洞试验模型气动特性的影响

在节段模型风洞试验中，两端设置端板可以有效减小端部效应对风压分布的影响，从而保证气流在模型周围的二维流动，其中端板尺寸是影响端板效果的主要参数。为了明确不同尺寸端板对矩形断面气动特性的影响，以桥梁节段模型中最常见的3种宽高比（B/H分别为1、5和10）的二维矩形断面为研究对象，通过刚性模型测压试验，研究了端板尺寸对各模型的气动力、风压分布和斯托罗哈数St的影响。研究结果表明:模型的端部效应不仅仅对端部附近的风压有影响，对中间位置处风压的影响也不容忽视，设置端板是获得准确试验结果的重要保证；随着断面宽高比（B/H）逐渐增大，端部效应影响的程度和范围逐渐减小；随着端板尺寸的增大，模型背风面风压绝对值逐渐增大并趋向一稳定值；抑制端部效应的最小端板尺寸与结构的风迎角有关，风迎角增大，所需的端板也相应增大；有无端板对斯托罗哈数St也有明显影响。     

矩形断面非线性驰振自激力测量及间接验证中若干重要问题的讨论

采用专门研制的小型动态测力天平，通过弹簧悬挂节段模型内置天平同步测力测振风洞试验，对3:2矩形断面的非线性驰振自激力进行了测量。比较了基于实测自激力重构的节段模型位移响应时程与试验结果，从而对自激力测量精度进行了间接的验证；讨论了在进行这种验证时考虑节段模型系统等效阻尼和刚度参数非线性特性的重要性、非风致附加自激力和风致自激力在动态力中的占比、忽略非风致附加气动阻尼力和惯性力的非线性特性对自激力测量精度的影响等若干重要问题。结果显示:对于3:2矩形断面，非风致附加自激力在测得的总动态力中的占比超过了风致自激力的占比，因此从测得的总动态力中提取自激力时必须扣除非风致附加自激力；非风致附加气动阻尼力和惯性力的非线性对驰振自激力测量精度有一定影响，值得考虑；节段模型系统等效阻尼和刚度参数的非线性对节段模型驰振位移响应的重构精度有明显影响，在验证自激力测量精度时必须加以考虑。     

大比例主梁节段模型涡激振动风洞试验分析

节段模型风洞试验是预估大跨度桥梁主梁涡激振动响应的有效途径之一.大比例主梁节段模型(通常为1:15~1:20)几何尺度更大,试验雷诺数更接近实桥值,同时在模型加工制作方面也可更精确地模拟主梁细节.通过一扁平钢箱梁1:20大比例节段模型试验,优化了检查车轨道位置,分析了涡激振动典型现象如振幅、涡振区与阻尼、Scruton数关系,迎角与斯托劳哈数St关系,双竖向涡振区等,为节段模型涡振试验结果向实桥拓展提供理论与试验基础.     

飞翼无人机低速着陆状态抖振响应研究

基于RANS方程和SST湍流模型,采用飞翼无人机升力系数判据、俯仰力矩判据和表面极限流判据等对抖振始发迎角度进行了预测估计。基于较为详细的结构模型和气动模型,构造了结构与气动的耦合求解技术,同时采用弹簧近似光滑和局部重构组合方法对气动的动网格技术进行更新;然后分别在时频域内分析了飞翼无人机的抖振载荷响应。研究结果表明:基于CFD的RANS方程、SST湍流模型及各类判据预计刚性飞翼无人机在低速大迎角状态下的抖振始发迎角可以得到较为合理的结果;采用升力系数判据、俯仰力矩系数判据预测的抖振始发迎角与表面极限流判据预测的始发迎角相比要保守一些;而表面极限流判据方法能给出翼面气流流动的细节,采用此判据可以分析对比不同迎角下的翼面气流流动变化情况;与气动弹性及嗡鸣响应相比,抖振是一种强迫振动,其响应频率并不单一。     

基于风洞试验的大跨度悬索桥涡振性能研究及评价

目前研究大跨度桥梁涡振性能的主要手段是节段模型风洞试验,而如何利用试验结果对桥梁进行全面细致的评价也需予以关注.以某大跨度悬索桥为工程背景,在阻塞度较小的XNJD-3大型风洞中进行1∶20大比例尺节段模型涡激振动试验,分析了阻尼、风迎角等因素对涡振响应的影响.最后考虑高阶振型的影响,将振幅换算到高阶模态,引入《公路桥梁抗风设计规范》以及英国BS5400规范对桥梁的涡激振动性能进行评价,为今后利用节段模型试验结果来评价实桥的涡振性能提供了借鉴.     

桥梁节段模型测力试验的模型支撑形式问题

首先从一百多年来由于风载引起许多桥梁被毁的事实出发,简单地阐明了桥梁模型风洞试验的重要性。为此,当今全世界许多桥梁专家在桥梁节段模型测力试验和全桥模型风振试验方面做了大量工作。本文重点讨论桥梁节段模型测力试验中模型的支撑形式。最初,利用航空风洞进行试验时,模型的支撑都是底壁支撑,随着专用桥梁风洞的建造和试验技术的发展,在这些专用风洞中普遍采用侧壁支撑,其中包括侧壁单臂支撑和双侧壁支撑。文章还叙述了这些形式的特点和应用。     

镇江-扬州南汊大桥抗风特性研究

介绍了拟建中的镇江—扬州公路大桥南汊悬索桥的节段模型风洞试验的主要内容、试验结果和颤振计算分析结果 ,据此评估了该桥的抗风特性     

利用LSCE方法识别桥梁气动导数研究

在节段模型自由振动法识别桥梁气动导数风洞试验中,采用LSCE识别方法,无需迭代和设定初始值而实现整体识别.对具有理论解的理想平板气动导数进行识别仿真研究,结果表明:对不含噪声信号识别结果与理论解完全一致,对含有20%噪声的低信噪比信号识别除了A*4以外也都有较好的一致性,表明LSCE方法具有较高的识别精度和良好的抗噪声性能.风洞试验研究结果进一步证明了该方法具有较好的识别效果.     

临界雷诺数区准椭圆形覆冰导线风压特性研究

采用刚性模型进行测压试验,得到了不同雷诺数下准椭圆形覆冰导线的风压分布规律,通过对比平均风荷载、脉动风荷载及风荷载谱等参数,分析了雷诺数对风荷载以及横风向驰振稳定性的影响。当雷诺数达到临界区,与亚临界区的对应值相比,平均阻力系数下降、平均升力系数随风向角变化幅度大且在某些对称工况产生横风向平均升力系数;平均风压系数分布对风向角等参数更为敏感。旋涡脱落由亚临界区的规则脱落变为不规则脱落,周向风压相关性减弱,特征频率消失。临界区内平均升力系数急剧的下降段使得结构更易发生横风向驰振。     

高宽比为5的悬臂正方形棱柱气动力特性

通过风洞实验研究了一端固定于壁面、另一端为自由端的三维正方形棱柱气动力特性。实验中模型宽度 d =200mm,高宽比为5,来流风速为U ∞=13m/s。基于U ∞与 d 的雷诺数Re d =1.73×105。研究发现,三维方形棱柱时均阻力系数(CD )与升力系数根方差值(C′L )都明显小于二维方柱的对应值,且三维方形棱柱的涡脱落频率也相对较低。三维方柱绕流与气动力存在2种典型状态:一种是类似卡门涡街的展向涡交替脱离状态,此时柱体阻力较大,且升力出现大幅周期性波动;另一种是展向涡呈准对称状态脱落,此时阻力较小,而升力无明显周期性波动。第一种状态所对应的 C′L 明显大于第二种状态的对应值,在柱体下半部分前者 C′L 为后者2倍左右,2者差异随着向自由端的靠近而逐渐减小。此外,当第一种状态发生时,有限长棱柱气动力的展向相关性也明显强于第二种状态。上述2种典型状态交替随机出现,使有限长棱柱气动力具有明显的非平稳特性。     

共轴刚性旋翼气动干扰特性风洞试验研究

针对共轴刚性旋翼上下旋翼间复杂气动干扰问题,利用4 m直径共轴刚性旋翼缩比模型开展了悬停及前飞状态风洞试验研究。试验中,采用两套六分量天平对共轴刚性旋翼的上下旋翼进行分开测力,并测量了相同操纵量输入时的孤立单旋翼气动力。通过分析双旋翼状态下的上下旋翼与孤立单旋翼的气动力的对比结果,研究了共轴刚性旋翼在悬停及前飞状态下的气动干扰特性。在此基础上,还进行了升力偏置对气动干扰影响的试验研究。结果表明:随着旋翼前进比的增大,上下旋翼之间的气动干扰逐渐减弱,共轴刚性旋翼的非对称气动干扰会使得双旋翼升力偏置增大。     

雷诺数对圆柱气动力和流场影响的试验研究

通过刚性模型测压风洞试验，研究了圆柱的气动阻力、气动升力系数和风压系数随雷诺数的变化规律，从流场分布的角度分析了气动力变化的原因，并研究了雷诺数影响下的流场在圆柱轴向的相关性。结果表明:在亚临界雷诺数区域，在时间平均上流场沿模型两侧呈对称分布，雷诺数对平均阻力系数和流场影响较小，平均升力系数基本为零。在临界雷诺数区域，随着特定区域大负压区的出现，流场不再对称，出现不容忽视的平均升力和脉动升力。在超临界雷诺数区域，随着对称侧大负压区的出现，流场恢复对称状态，平均升力基本消失。雷诺数对流场的轴向相关性有显著的影响。在雷诺数较低时（亚临界区域），卡门涡在轴向上的尺度相对较大，而随着雷诺数的提高，该尺度逐渐减小，各断面流场的相关性降低。     

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6.43×104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。     

脉冲型风洞用加速度计测力天平

在工作时间＜３ｍｓ的脉冲型风洞中的试验模型上选定位置处，安装加速度计来进行力和力短的测量。对于高焓脉冲型风洞模拟再入飞行，研究高超声速真实气体效应是十分必要的。