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。     

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。     

基于气动参数之间关系的桥梁断面气动导纳识别

气动导纳的准确估计对大跨桥梁抖振分析具有重要意义.目前在识别方法、试验技术等方面均有诸多进展,但尚未建立识别全部气动导纳函数的方法.针对这一问题,基于气动导数与气动导纳之间的关系,结合根据紊流风场中的抖振响应同时识别桥梁结构气动导数和气动导纳这一思路,首先采用随机子空间法识别得到紊流风场中桥梁结构的气动导数,然后利用气动导数与气动导纳之间的近似关系获取与竖向脉动风分量对应的气动导纳函数,最后根据抖振力谱和脉动风速谱来确定与水平向脉动风分量对应的气动导纳函数.实例研究表明,本文方法对流线型断面气动导纳的识别是可行的.     

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.     

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。     

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。     

非定常自由来流对飞机模型气动特性的影响

在国内首座非定常风洞中，研究了不同幅值、不同频率脉动的非定常自由来流对飞机模型气动特性的影响。结果表明，当来流减速时，升力系数增加，当来流加速时，升力系数减小；随着迎角的增大，非定常自由来流对升力系数的影响增大；当来流脉动频率一定时，随脉动幅值的增大，升力系数增大；当脉动幅值一定时，随脉动频率增大，升力系数增大。因此在研究飞机机动飞行的同时，考虑飞行速度变化的影响是十分必要的。     

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。     

均匀湍流场下矩形断面流场及气动参数数值模拟

采用大涡模拟方法数值模拟了两种矩形断面(B/H=1,B/H=2)在不同湍流来流下的流场及气动参数,采用谐波合成方法生成与目标谱一致的脉动入口风速.数值计算结果表明来流湍流对断面的流场及气动参数有较明显的影响,通过与均匀来流的计算结果作对比可以看出,湍流导致断面的阻力系数减小明显,其主要原因为背压区负压系数的增加,与实验的结果较一致;从流场分布看湍流主要影响断面尾流涡的形成,这种影响会影响尾流涡的形成.     

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。     

脉动来流对涡轮非定常气动性能影响机理

以周期性脉动来流模拟旋转爆震燃烧室出口流场,研究了来流脉动幅值和频率对GE-E3高压涡轮级非定常内流特性的影响机理。结果表明:来流脉动幅值的增加会加强涡轮内部流场的非定常性,放大流场参数的时空差异;随着脉动频率的增加,涡轮内部流场的脉动幅值逐渐减弱,不同动叶时均载荷分布趋于一致。在来流脉动频率为5 244 Hz的条件下,来流脉动系数逐步增加到04时,涡轮效率降低1399%;而在来流脉动系数为03的条件下,来流脉动频率逐步增加到10 488 Hz时,涡轮效率降低1557%。来流脉动幅值和频率的增加会加剧端壁二次流动和叶栅流动分离,并使得动叶进气攻角偏离设计状态,降低涡轮的工作效率。     

大气湍流中的悬索桥颤振时域分析

综合考虑结构几何非线性、不同来流条件下气动力等因素对悬索桥气动稳定性的影响,利用风洞试验得到的颤振导数和对随机风场的时程模拟来计算桥梁的自激气动力和抖振力,对均匀流和大气湍流中大跨度悬索桥颤振问题进行了时域分析,结果与风洞试验结果基本一致,证明了本方法的可行性.分析表明:湍流将降低大跨度流线形主梁断面悬索桥的颤振稳定性;计算自激气动力时应当考虑随时间和空间随机变化的脉动风速的影响.     

共轴对转螺旋桨的非定常气动干扰

为优化共轴对转螺旋桨的气动性能,研究前后桨之间复杂的非定常气动干扰,使用非定常雷诺平均Navier-Stokes （URANS）方程的数值模拟方法,以及滑移网格技术,对6×6构型的共轴对转螺旋桨进行了三维非定常气动干扰计算,获得了共轴对转螺旋桨的气动特性变化规律,并给出了优化气动外形及运行控制的建议。计算结果表明:来流马赫数为0.38的情况下,由于非定常气动干扰导致的整个共轴对转螺旋桨的拉力系数和功率系数的脉动幅值为1.5%左右,推进效率的脉动幅值在0.1%左右。一个旋转周期内,前后桨均出现了12次周期波动,后桨由于能够吸收一部分前桨产生的切向滑流能量,推进效率比前桨更高一些,而且能够提高整个桨的效率。另外通过压力系数以及轴向速度的径向分布情况看,70%左右的桨半径位置上非定常气动干扰强度相对较大。      

矩形截面超高层建筑横风向气动阻尼的风洞试验研究

通过15个超高层建筑气动弹性模型的风洞试验,利用随机减量法从模型的风致加速度响应中识别了横风向气动阻尼比,并通过比较验证了识别结果的正确性。在此基础上,研究了矩形截面超高层建筑横风向气动阻尼的变化规律,考察了湍流度、高宽比、宽厚比对建筑结构气动阻尼比的影响。研究结果表明:来流湍流度和建筑的宽厚比是影响高层建筑横风向气动阻尼比至关重要的参数,而高宽比主要通过改变振动幅值来影响横风向气动阻尼;横风向气动阻尼比随折减风速变化的正负峰值大小基本随来流湍流度的增大而减小,气动阻尼比由正转负对应的折减风速随湍流度的增大而增大;宽厚比对横风向气动阻尼比的影响很大,当B/D1、B/D=1及B/D1时,气动阻尼比的变化规律几乎完全不同。基于这些研究数据,对横风向湍流度为0.67%~17.06%的风场中、高宽比5~10及宽厚比1/3~3之间的矩形截面超高层建筑,给出了适用于低折减风速区的横风向气动阻尼比经验公式。     

喷流噪声声源识别与声源机理分析方法进展

喷流噪声是航空气动噪声的主要来源,会造成严重的环境污染和健康威胁。缺乏对湍流涡如何产生 噪声辐射这一物理过程的深刻理解,是难以设计出高精度噪声预测方法和高效降噪装置的根本原因。本文总结公开发表文献中喷流噪声的声源识别与声源机理分析的研究进展和局限。从噪声由湍流脉动产生这一因果 律出发,指出未来研究仍需要对噪声和湍流脉动建立合理的物理模型和控制方程,进行合理的分离,并将噪声 脉动表示为背景湍流的广义函数,从动力学角度揭示非定常湍流涡演化产生噪声辐射的物理机理。     

非定常自由来流对二维翼型气动特性的影响研究

利用计算软件和实验测量方法,研究了非定常自由来流对静态二维翼型气动特性的影响,分析研究了来流速度脉动频率变化对气动特性产生的作用.结果表明,来流速度以短周期脉动时,升力系数随来流速度的减小而增加;来流速度以长周期脉动时,升力系数随来流速度的减小而减小.分析表明这与前缘分离涡在翼面上的传递过程有关.又利用二维翼型动态实验台,研究了非定常自由来流对做动态运动的二维翼型气动特性的影响.结果表明,来流风速的脉动使升力系数的迟滞包线进一步扩大,最大升力系数增加.     

非定常自由来流对静态三角翼气动特性的影响

在南航非定常风洞中,运用动态测力、测压和流动显示技术,详细研究了非定常自由来流对静态三角翼气动特性的影响和三角翼背风面空间流场结构的变化.研究结果表明,在不同攻角下,随来流速度的脉动三角翼气动特性产生的变化不同.非定常自由来流对静态三角翼气动特性产生的影响,主要是由于来流风速的变化对三角翼上翼面的流动结构产生的影响所造成,特别是在静态失速攻角前后,这种影响最为明显,它使原先翼面上的破碎涡流变成了集中涡流.     

扰动来流下声控机翼分离流动的研究

本文介绍在扰动来流下声控机翼流动的试验装置、低速大攻角时的声控效果以及附面层中流动参数的变化规律,并由此得出：随着来流湍流度的增加,因声激励而产生的附面层中大尺度有序结构涡（ＬＳＯＳＶ）的脉动速度幅值Ｖｌ、湍流度增量ｕ′ａ／Ｕ∞以及升力系数增益△ＣＬ均将迅速减小,而激励声压级有效阈值ＳＰＬｅｆｆ则随之逐渐增大。周期性脉动来流在沿机翼附面层流动中急剧衰减,并对机翼分离流动（包括有或无声控）基本上没有什么影响。     

湍流强度对S型风力机气动性能影响的研究

上游的建筑物、风力机群等会造成其下游一定空间范围内风场的速度、方向和湍流强度等参数的变化,这些参数变化会引起下游风力机气动性能的改变.其中的湍流强度指标是重要参数之一,本文即研究来流湍流强度对S型风力机气动性能的影响.利用fluent软件采用标准k-ε湍流模型和SIMPLE算法,数值模拟三种不同湍流强度对S型垂直轴风力机的性能影响.结果表明S型风力机风能利用性能随着来流湍流强度的增加而减小,在风力机处于湍流强度为10％的条件下,最大功率系数要比在低湍流强度0.2％下低50％左右.因此在实际风场中,欲增加风力机的气动性能,需要尽量减少风力机上游能够增强湍流强度的扰动物体.