关于风洞中用尖劈和粗糙元模拟大气边界层的讨论

尖劈和粗糙元广泛地应用于风洞试验中的大气边界层模拟，该技术成功模拟了不同地貌特征的平均风速和湍流度剖面。随着风工程研究的深入，了解尖劈和粗糙元模拟过程中的作用机理有助于准确地模拟各种大气边界层湍流功率谱和尺度特性。试验表明：尖劈利用其迎风平板的分离流产生湍流涡旋，迎风板的宽度决定了涡旋的大小和湍流脉动强度，同时迎风板阻塞比沿高度递减产生近似线性的风速剖面；粗糙元用于模拟实际地面的摩擦效应，调整平均风速和湍流度的剖面分布。遗憾的是，尖劈下宽上窄的结构特点决定了该技术模拟的湍流功率谱和积分尺度的高度变化律与实际大气边界层相反。基于对模拟机理的认识，异型尖劈上部形状有助于模拟大比例模型试验要求的湍流风场。     

风洞模拟近地面大气边界层

本文通过大气边界层风洞的模拟实验，介绍一种在风洞中模拟近地面大气边界层的方法。根据大风地区的现场实测资料，对大气的风剖面及湍流度等有关参数，提出了一些特殊的要求。常规的模拟方法难以保证与实际风环境的相似，为此专门研制了一种在保证平均风剖面相似的前提下，可使气流产生大湍流度的装置，简称湍流度调节器。通过对模拟边界层的平均风速，湍流度及风速谱的测量分析，证明与实际风区大风环境的风结构相当一致。为解决实     

大气边界层风速竖向相干函数实验研究

采用尖劈、格栅和粗糙元组合的被动湍流发生装置在TJ-2风洞中模拟了大气边界层流场,测量了模拟流场的平均风速剖面,湍流度剖面,湍流积分尺度和脉动风速功率谱等风场特性参数,重点分析了风速的竖向空间相干曲线。针对风速竖向空间相干曲线存在低频“掉头”的现象,给出了修正的指数衰减函数来进行拟合,完善了用传统的简化指数衰减函数来进行拟合时在低频处的不足,结果表明：笔者给出的风速竖向空间相干函数拟合效果更好。     

大气边界层风洞流场特性的模拟

风洞中大气边界层模拟的准确度是保证风洞试验结果准确度的重要因素。本文采用了一种新型曲边梯形尖塔,并结合粗糙元等被动装置对风洞大气边界层模拟进行了研究,模拟出我国规范中的A、B、C和D类四种地貌并将结果和已有的研究结果进行比较。结果显示：所采用新型结构尖塔可以显著提高风洞大气边界层中部以上高度的湍流度,整个湍流度剖面基本覆盖了西方主要国家规范对此项指标的建议值。文中还调试出平均风速剖面不变而湍流度分布可变的流场,为开展相关的结构抗风研究奠定了基础。     

翼型风洞侧壁干扰的数值模拟研究

运用Navier-Stokes数值模拟对翼型模拟试验对风洞侧壁干扰进行模拟，将简单代数湍流模型扩展用于机翼／风洞侧壁结合区流动，分析了风洞实验侧壁干扰问题的形成机理和影响翼型实验侧壁干扰的各种因素，如翼型展长、风洞侧壁边界层厚度及侧壁边界层抽吸等，对实验结果的影响，得出了一些有用的结论。计算格式空间采用中心有限体积离散，时间采用多步Runge-Kutta时间步长格式进行积分。计算结果证明了该方法的可行性和优越性。     

网格湍流CAARC模型风洞实验

对大气湍流边界层的真实模拟是风工程风洞模拟实验所要满足的基本条件之一，平均速度剖面，湍流度剖面，积分尺度和风谱是反映大气湍流边界层流动的四个最基本的因素。本文首先研究了不同孔隙率的均匀网格湍流场的流动特性，得到湍流度，积分尺度以及风谱的变化规律，然后在变化基中某一个因素而保持另外三个因素不变的条件下，研究了处于均匀网格湍流场中的CAARC模型风荷载响应的变化，从而确定每个因素的独立变化对模型所受风荷的影响。实验结果表明湍流度和积分尺度对结构物所受风载都有很重要的影响，在风洞大气湍流边界层模拟中应该予以充分的考虑，否则将会引起风荷载实验结果的偏差。     

梯形翼高升力构型的数值模拟技术

基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程和结构网格技术,采用亚跨超声速平台(TRIP3.0),数值模拟了美国国家航空航天局(NASA)梯形翼构型。研究了控制方程、网格密度、流动转捩和初始条件等不同影响因素对气动特性的影响。风洞试验是2002年在NASA Langley 14ft×22ft亚声速风洞中完成的,试验结果包括了基本气动力和力矩、表面压力系数和边界层速度型分布。计算结果与试验数据的比较表明:求解完全的RANS方程,提高了翼梢涡的模拟精度;网格密度主要影响翼梢涡的强度;转捩模型提高了边界层的模拟精度,进而提高了升力系数、俯仰力矩系数的模拟精度;最大升力系数及失速迎角对初始条件具有依赖性。     

地面粗糙度对下击暴流风剖面特征影响

地面粗糙度是大气边界层中反映下垫面形态的重要指标,也是影响近地风场特征的重要因素。为研究地面粗糙度对下击暴流风剖面特性的影响,基于计算流体力学方法建立了下击暴流三维足尺模型,通过实验对数值模型进行了验证。通过调整粗糙元高度及分布密度来模拟自然界地面不同的粗糙类别,数值模拟了具有不同地面粗糙长度的下击暴流近地风场。结果表明:在距离风暴中心较近的位置(r≤1.0 Djet),地面粗糙度对下击暴流风场的影响并不明显,各径向位置的最大风速值和最大风速所在高度都基本不受地面粗糙度影响;在下击暴流冲击地面后沿径向发展的过程中,经过粗糙的地面,产生能量耗散效应,地面粗糙度对于下击暴流风剖面特征的影响逐渐显著,不同地貌下的竖直风剖面产生较大差异;在近地面高度,地面粗糙度对下击暴流径向风剖面影响显著且影响范围大,沿径向发展的方向下击暴流的风速随着地面粗糙长度的增加而下降更迅速;随着距离地面高度增加,地面粗糙度对径向风剖面的影响主要体现在远离风暴中心的区域。尽管下击暴流形成后沿径向扩散过程存在强度自然衰减过程,但在距离风暴中心较远的径向位置,当遭遇强下击暴流时,下击暴流引起的近地面强风仍然具有很大的威胁和破坏性,因此地面粗糙度对下击暴流风剖面特性的影响不能忽略,需要在风剖面模型中考虑地面粗糙度的修正。     

西堠门大桥桥位处风场特性实测分析

利用安装在西堠门大桥上的超声风速仪和螺旋桨式风速仪对西堠门大桥桥址区风场特性进行了长期连续现场观测。基于现场实测结果,对季风气候下桥位处的脉动风湍流强度、阵风因子、湍流积分尺度、脉动风速功率谱密度、平均风速剖面以及脉动风速空间相关性等参数进行了分析。这些观测结果可为我国沿海地区风场特性研究提供借鉴和参考,并为其他相似大跨度桥梁设计和施工提供借鉴。     

球壳型屋盖在冲击风作用下的抗风设计参数及CFD分析

雷暴冲击风具有和大气边界层显著不同的风场特性。为与抗风设计习惯一致,提出了与大气边界层风场类似的冲击风水平风荷载下静力风荷载表达式,并给出了相应的风压高度变化系数和体型系数的计算方法。以球壳型大跨屋面为具体研究对象,采用CFD数值模拟方法,研究其在冲击风作用下随结构参数和冲击风参数改变的冲击风体型系数变化规律,并将结果与大气边界层风洞实验中的结果进行比较。最后还给出了球壳屋面位于冲击风正下方时,屋面体型系数及风压高度变化系数的取值。     

基于近海海面观测的台风黑格比风特性研究

根据在博贺海洋观测站测得的0814台风黑格比三维风速时程,首先探讨了实测数据质量的判别准则及处理方法,进而研究了平均风场特性:风剖面、风攻角、梯度风高度以及脉动风场特性:湍流强度、阵风因子、时间尺度、积分尺度、脉动风速谱等。研究结果表明:近海海面指数律风剖面指数a远小于建筑结构荷载规范推荐值;台风风场结构本身存在3°～7°正攻角;在近海海面上阵风因子均值为1.23;顺风向湍流强度平均值为0.10,三向湍流强度的比值为1∶0.80∶0.43;水平向时间尺度基本上均小于30s,竖向时间尺度均小于10s;纵向和横向积分尺度较为接近,大于竖向积分尺度;不同区域的实测风速谱与各经验风速谱均存在一定差异,与von Karman谱吻合相对较好。     

非定常气动力非线性微分方程建模方法

为准确描述过失速机动中非定常气动力特性,研究了以非线性微分方程为基本结构的非定常气动建模方法.基于动力学系统建模思想,分析揭示该模型的物理机理,并发展和改进了基于风洞强迫振荡试验的模型参数辨识方法:基于小振幅试验数据,采用线性回归参数辨识方法辨识确定气动模型中特征时间常数等线性参数;基于大振幅试验数据,采用遗传算法全局...     

大型飞机穿越微下击暴流风场的实时仿真(英文)

为在飞行模拟器中高逼真度地模拟在扰动风场中的飞行,研究了大型飞机在起飞着陆阶段遭遇微下击暴流风切变的实时仿真。基于涡环和Rankine复合涡原理建立了参数化三维微下击暴流模型。通过涡环倾斜和多涡环叠加方法实现了各种复杂微下击暴流风场的模拟。基于Boeing747-100飞机建模数据,系统推导了含风切变影响的六自由度动力学模型,给出了扰动风下气动模型修正的一般方法。对该机遭遇微下击暴流时实施纵向和横侧改出分别进行了控制器设计与仿真。研究结果表明,建立的三维微下击暴流模型可扩展性强,可用于模拟实际复杂风场。含风切变影响的大型飞机动力学模型合理有效。针对飞机从不同位置穿越风场,可采用不同的改出策略。整个模型可应用于飞行模拟器的实时飞行仿真。     

坝陵河大桥桥位深切峡谷风剖面实测研究

用相控阵声雷达风廓线仪对坝陵河大桥桥址处深切峡谷中风剖面进行了实地观测,结果表明：在地形复杂的山区深切峡谷中,平均风剖面受峡谷地形影响较大,形态有时显得较为复杂而不规则,呈现锯齿形、正切变形或逆切变形等多样化。在峡谷的上半部,平均风速较大时其剖面相对较为规则,但不符合规范中描述平坦地貌平均风速剖面的幂函数形式,而具有e指数函数的变化规律。此外,统计显示,风向角在低空范围内受峡谷地形的影响要比在高空范围内严重,其在低空范围的变化幅度也要比在高空范围的变化幅度大。风迎角的散布范围和绝对值大小均随高度的增加呈减小的趋势。观测得到的峡谷湍流度大于平坦地貌湍流度的规范推荐值,同时峡谷湍流度具有一定的随机性,并且这种随机性随高度的增加而变大。     

马赫数2～4连续可调风洞数值模拟及静态标定试验

型面旋转连续可调风洞可以获得出口马赫数连续变化的出口流场,其结构简单、易于调节、响应迅速,成为目前国内外的研究热点,具有很好的发展前景。本文针对某优化设计的出口马赫数2~4的变马赫数风洞喷管,进行了全流场三维数值仿真校核,并进行了风洞流场静态标定试验,获得了该连续可调风洞在不同马赫数下的流场品质及流场均匀区大小。结果显示:该连续可调风洞在马赫数2~4下的出口流场均匀性良好,流场品质满足固定几何风洞流场的国军标要求;试验得到的不同马赫数工况下均匀区大小均大于理想菱形区的2/3,均匀区马赫数标准差在马赫数2~3工况下小于0.01,在马赫数3.5工况下为0.013 6,说明该连续可调风洞可以实现马赫数的连续变化,且具有良好的流场品质,可用于后续的风洞试验。     

GRIB数据及其在航迹预测中的应用

四维航迹预测的准确性是轨迹运行与空管决策支持的基础,而高空风数据支持下的气象建模是提高航迹预测准确性的关键。通过解析GRIB格式的风数据,获取各高度层的风速和风向,同时依据风对地速、航向的影响进行四维航迹预测建模,利用浦东机场的进场航班实现仿真验证,将预测结果与实际雷达轨迹对比,验证了风影响下四维航迹预测的准确性。     

光学头罩超声速绕流流场光学传输效应风洞试验研究

在Ma=3连续超声速风洞中,开展了光学头罩绕流流场光学传输效应的风洞模拟试验方法研究,进行了现场振动测量与隔离,研制了专用试验装置,采用哈特曼传感器和剪切干涉仪两种手段进行了光学传输效应的试验测量。试验中,针对试验装置各部分的不同组合状态,进行了大量的测试,研究了试验装置有效性以及试验数据重复性,着重分析了探测光束的PV值与RMS值。结果表明：导流板可明显抑制风洞洞壁边界层干扰,试验装置与方法可行,对于连续式风洞中模型绕流流场光学传输效应测试有一定参考价值。