龙卷风风场特性的CFD数值模拟

基于计算流体动力学方法建立了龙卷风发生装置的数值计算模型,对具有单涡结构的龙卷风风场特性进行了研究.分析了切向风速沿径向和高度的分布规律,并将切向速度沿径向的分布与Rankin涡模型和参数化气旋模型理论公式进行对比,验证龙卷风风场数值模拟结果的合理性.进一步研究了入口风速和入口角度改变对龙卷风风场特性的影响,并给出了各个数值计算模型近地面核心半径、最大切向风速和涡流比,进而可以获得不同尺度和不同强度的龙卷风风场.该方法为龙卷风风场模拟提供了新的研究途径,并可应用于建筑物的抗龙卷风设计研究.     

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.     

雷暴冲击风荷载的大涡模拟

雷暴冲击风具有同常规的大气边界层风完全不同的风场特征.为研究雷暴冲击风场中建筑物的风荷载,采用大涡模拟(LES)方法对方形截面高层建筑进行了雷暴冲击风场数值模拟,获得了高层建筑在雷暴冲击风作用下的风荷载参数.同时,对雷暴冲击风场进行了数值模拟,所得结果与理论结果吻合良好,验证了方法的可靠性.     

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。     

降雨对桥梁主梁静力特性的影响

针对大跨桥梁主梁风雨联合作用现象,从静力学角度出发,分析风雨联合作用下桥梁主梁荷载的三个组成成分———风雨致静力三组分,以及桥梁主梁风雨致静力相对于纯风作用下风致静力增量,并给出了测试方法,通过在大气边界层风洞中搭建风雨联合作用试验系统,以一开槽双箱桥梁主梁节段模型为试验研究对象,完成节段模型在风雨联合作用下的静力特性试验,进而获取降雨对桥梁主梁风致静力作用的影响规律。试验结果显示:在较大的负攻角下,雨的冲击力对桥梁主梁风致阻力分量影响较大;在较小的负攻角及正攻角下,空间雨滴和主梁表面水膜附着引起的风场改变对桥梁主梁风致阻力分量影响较大。雨的质量、冲击力以及空间雨滴和主梁表面水膜附着引起的风场改变对桥梁主梁风致升力均有一定影响。空间雨滴和主梁表面水膜附着引起的风场改变对桥梁主梁风致扭矩影响最大,其次是雨的质量作用,最后是雨的冲击力作用。试验结果表明:降雨对桥梁结构的风致静力的影响主要取决于空间雨滴和主梁表面水膜附着引起的风场改变。     

实测下击暴流作用下大跨斜拉桥抖振响应分析

为研究大跨斜拉桥在下击暴流作用下的抖振响应,以赤石大桥桥址处实测下击暴流风时程数据为基础,采用小波变换法提取下击暴流时变平均风速,得到随时间变化的调制函数,以Kaimal谱为目标谱,采用谐波叠加法模拟桥址区脉动风速并加以调制,实现了桥址区下击暴流风时程模拟。在此基础上,分别进行下击暴流风场和大气边界层风场作用下的大跨度斜拉桥施工状态静风响应和非线性时域抖振响应计算。结果表明:模拟下击暴流风速时程与实测下击暴流风速时程吻合较好。下击暴流风场模拟脉动风时变功率谱的幅值明显大于大气边界层B类风场模拟脉动风时变功率谱幅值。当桥面高度处下击暴流风与大气边界层风速相同时,考虑下击暴流时变平均风效应计算得到的桥梁主梁梁端静风效应的最大值,约为采用10min常值平均风计算的桥梁主梁梁端静风效应最大值的1.20倍左右;下击暴流风作用下桥梁主梁梁端、桥塔塔顶抖振响应均方根(RMS)值分别比大气边界层风场作用下的计算值大,最大比值约为2.8。     

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.     

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。     

冲击风作用下大跨屋盖多模态随机风致响应研究

雷暴冲击风是一种近地面短时产生的瞬态强风,它与传统的边界层风场特征具有明显的差别,冲击风将会引起屋盖的强烈振动,甚至发生破坏.本文根据混合随机模型,详细研究了冲击风风场的数值模拟方法.应用Wood竖直风剖面方程与Holmes经验模型模拟平均风场,使用稳态高斯随机过程模拟脉动风场,模拟的风场与实际的雷暴冲击风较为一致.结合多阶模态加速度法和等效风荷载原理,详细推导了大跨屋盖随机风致响应的计算方法.结合边界层风洞试验,比较冲击风产生的表面风压特性,计算得到屋盖冲击风致动力响应时程,并研究了冲击风作用下大跨屋盖荷载风效应系数和位移风效应系数的分布特点.研究结果可作为评估大跨屋盖冲击风致响应的一种参考.     

1000kV特高压钢管构架雷暴冲击风致振动响应研究

1000kV钢管构架属于风敏感结构,风与结构的相互作用十分复杂,风荷载常常是设计的主要控制荷载。本文以某一特高压钢管构架为工程背景,详细研究了冲击风风场的数值模拟方法,应用Wood竖直风剖面方程与Holmes经验模型模拟平均风场,以及使用稳态高斯随机过程模拟冲击风脉动风场,使得模拟的风场与实际的雷暴冲击风较为一致。利用精确的有限元模型,获得了结构的自振动力特性,在时域内得到了构架风致振动响应时程。研究了结构位移平均值、位移均方根值和加速度均方根值的分布特点,同时计算比较了不同风场时构架典型节点的风振系数。通过研究,揭示了1000kV钢管构架的风致振动特性,结果可作为构架结构抗风设计的参考。     

航空发动机限寿件概率失效风险评估的等效应力转化

提出一种从整个飞行循环出发并基于全局的限寿件等效应力转化方法,将转化后的等效应力作为概率失效风险评估的输入条件,从而获得更为精确的失效风险结果。首先通过流固耦合数值模拟获得限寿件在整个飞行循环的瞬态应力,然后基于雨流计数法及线性累计损伤理论编制转换程序,将限寿件模型全部节点上的瞬态应力转化为等效应力,最后作为概率失效风险分析流程的输入条件确定寿命期内的概率失效风险。相同飞行循环条件下,与基于局部最大应力的转化方法相比,全局等效应力转化方法获得的失效风险更低。该方法的提出,为我国民机型号概率失效风险评估时作为关键输入数据应力的确定给出了定量参考,有力支撑了适航取证。     

一级旋流入射半径对小尺寸旋流杯下游流动特征的影响

为探索一级旋流入射半径对小尺寸旋流杯下游流动特性的影响,采用PIV测速技术对小尺寸旋流杯下游速度分布特征进行了试验测量。结果表明:不同入射半径的一级旋流会形成扩张流场或扩张-收缩-扩张流场;入射半径方向相反、数值不同将对旋流杯下游流动产生不同影响;旋流杯下游流场涡量分布与同一方案的速度分布相似,旋流杯出口平均涡量较强的旋流沿流向涡量逐渐衰减,且速率变缓;不同一级旋流入射半径的旋流杯方案的平均涡量变化趋势基本一致。在所研究的试验状态下,一级旋流入射半径对小尺寸旋流杯下游速度和涡量分布特征产生了较大的影响。     

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。     

切削过程有限元仿真研究进展

得益于高性能计算机和软件技术的发展,数值仿真为深入理解切削过程、研究刀具磨损、提高加工表面质量等提供了强大的技术支持。总结了现有几种本构模型的特点,对构建切削仿真有限元模型中的几个关键问题进行了分析和总结,综述了有限元仿真技术在金属切削过程中切屑形成研究、切削温度和切削力、刀具磨损、刀具优化和残余应力预测以及加工表面显微组织演变模拟等方面的研究成果。最后,系统地分析了切削过程有限元仿真研究中存在的问题,探讨了该研究领域未来的发展趋势和需要进一步探索的热点问题。     

基于高斯过程回归的连续式风洞马赫数控制

在风洞实验中保持实验段马赫数的稳定对实验的成功具有重要意义。传统的PID控制算法具有一定时滞性,不能满足连续变迎角实验模式下马赫数的控制精度要求。针对这一缺陷,提出了一种基于高斯过程回归的前馈控制策略,结合PID控制器共同完成马赫数控制任务。首先,对原始数据执行了预处理操作,将数据集中的异常数据进行清洗并且对清洗后的数据进行标准化;其次,选取迎角、实时马赫数、实验段截面积作为高斯过程回归模型的输入,压缩机转速作为输出,采用随机划分数据集与分组划分数据集两种策略进行建模,并将高斯过程回归与常用回归模型的预测精度进行了比较;最后,给出了利用高斯过程回归预测结果及预测置信度进行PID反馈控制的方法。实验结果表明高斯过程回归对风洞实验数据具有很好的建模能力,基于高斯过程回归的前馈控制与PID结合的控制策略能够提高连续变迎角模式下的马赫数控制精度。     

有局部稀薄气体效应的高超声速流动数值模拟

近空间高超声速飞行器当飞行高度和速度足够高时,其流场计算可能要考虑稀薄气体效应,传统的计算流体力学(CFD)方法预测的阻力和升阻比将不够准确。而现有的模拟稀薄气体流动的计算方法由于其计算量巨大,难以在工程实际中应用。因此需要发展能用于近空间高超声速飞行器流场的可行、可靠的计算方法。陈杰和赵磊在文献[1]中针对边界层中既有强剪切而气体分子自由程又相对较大的情况进行分析,提出了刻画此类局部稀薄效应的无量纲参数Zh,并提出了在传统CFD中通过采用依赖于Zh参数的等效黏性系数考虑局部稀薄效应对阻力计算影响的研究思路。因此,本文尝试将此等效黏性系数纳入CFD模型中,以在70km高空,以马赫数15飞行的小迎角钝平板为例,来检验计算方法是否合理可行。结果表明:和传统的CFD方法所得结果相比,新模型计算的阻力减小,升阻比增加,其改进的方向与现有飞行试验结果定性相符,且所增加的计算时间非常有限,可方便地应用于现有的计算空气动力学中。     

三元流叶轮的电弧铣削与机械铣削组合加工

首先介绍了一种实现电弧与铣削组合的加工方法及装备。其次,为验证电弧加工在航空部件生产方面的能力及其对后续精加工工艺的友好性,利用自研的高速电弧放电与机械铣削组合加工专用机床,以具有复杂曲面特征的三元流叶轮样件为例进行五轴电弧铣削与机械铣削组合加工试验研究。结果表明,合理安排电弧加工工序,可以在实现材料高效去除的同时,取得较优的表面质量,电弧铣削中最大材料去除率达14500mm^3/min,小能量电弧加工完成后的样件表面粗糙度R_a为12.5μm,硬度为69.4HRB,较基体硬度未有明显变化,可以很好地适应切削加工要求。后续机械铣削加工过程中,刀具磨损小、加工状态稳定,最终获得粗糙度R_a1.2μm的加工表面,且由于切削余量小,有效抑制了加工变形,样件加工结果达到设计要求,充分展现了该组合加工工艺应用于具有复杂形貌特征的航空发动机零部件制造方面的可行性。     

自动编码器在流场降阶中的应用

自动编码器作为一种压缩算法,在数据降维和去噪等方面有着广泛实践,有条件作为一种降阶方法在流场识别与数据处理方面得到应用。文章中以圆柱绕流为例,首先对圆柱后速度场建立了编码模型,用来对原始数据进行降维和特征提取,之后将编码后的数据与流场特征量相关联,建立了由流场编码回归圆柱表面压力系数的神经网络,探索了降维后数据的应用。结果表明,自动编码得到的结果能够承载原始速度场的主要信息,解码后速度场与原速度场测试均方根误差小于0.02,压力回归测试均方根误差可小于0.1。说明自动编码器能够作为一种流场的特征提取和降阶方法,在未来得到更广泛的应用。     

高超声速高焓风洞试验技术研究进展

高焓风洞及其试验技术是助力人类进入高超声速飞行时代的基石,近年来取得了长足的进展。本文首先重点介绍了四种典型驱动模式的高焓风洞,即直接加热型高超声速风洞、加热轻气体驱动激波风洞、自由活塞驱动激波风洞和爆轰驱动激波风洞。通过这些代表性风洞的介绍,讨论了相关风洞的理论基础和关键技术及其长处与不足。由于高超声速高焓流动具高温热化学反应特征,风洞试验技术研究还包含着针对高焓特色的测量技术发展。本文介绍了三种主要测量技术:气动热测量技术、气动天平技术和光学测量技术。这些技术是依据常规风洞试验测量需求而研制的,又根据高焓风洞的特点得到了进一步的改进和完善。最后对高超声速高焓风洞试验技术发展做了简单展望。     

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≤1.0Djet),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。