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。     

建筑结构风荷载及其动态响应研究

在过去的几十年里,虽然人们对高层建筑风效应的问题已有了一定的了解,但对大气流场与结构物各种风致响应的关系机理的认识还有待于进一步提高,确保结构系统在强风期间的安全性与舒适性是一个重要的设计目标,笔者给出了大气边支模拟要求,并介绍了一种研究建筑物的表面脉动压力和高层建筑动态响应的方法。     

考虑土体结构相互作用的大型双曲冷却塔风致响应分析

采用有限元方法模拟大型双曲冷却塔的土体与结构相互作用(SSI),分析不同土体条件下自振特性的特征,基于风洞试验结果进行风致响应的计算,并分析不同土体条件下响应的差别.研究表明:土体刚度越小,土体结构体系的自振频率也越小;土体对冷却塔上半部分的子午向薄膜力影响较小,对下半部分影响较大;考虑SSI效应后,平均风作用下冷却塔径向位移增大,子午向薄膜力减小,脉动风作用下径向位移均方根增大,子午向薄膜力均方根几乎不变.     

基于三维数字图像相关法（DICM）的输电导线风致动态位移测试及分析

基于三维 DICM 的非接触位移测试技术对导线气弹模型沿跨位移时程进行了测试,并对其进行统计与频谱分析,得到了导线风致位移的变化规律与概率分布特性。分析结果表明：导线在风荷载作用下,水平向振动表现为以一阶面外振型为主导、面内亦有一定贡献的振动形式,且随着风速的增加,面内振型的贡献也相应提高,从而使得导线在高风速下的面内振型的贡献不可忽略;对于竖向振动而言,其主导振型为面外一阶以及面内对称一、二阶;总体而言,在考虑导线风致响应时,选择包含面外一阶、面内一、二阶对称振型在内的三阶振型能够较为精确地反映其风致振动的主要能量组成;随着风速的增加,输电线面内、外非线性耦合程度增强,其风致响应不再满足高斯分布,位移响应峰因子应作相应调整。     

广州中信广场台风特性与结构响应的相关性分析

基于台风“达维”登陆时广州中信广场风场及结构响应的现场实测数据,对于风场特性和结构加速度响应状况进行了计算分析,计算分析结果表明,城市上空强风“达维”的湍流度比较大,在台风“达维”作用下结构的横风向响应与顺风向响应接近;同时在不同的时距条件下对风场特性与结构加速度响应的相关性进行了分析,由分析可知取3min为基本时距时风速与结构响应的相关性系数值较高,说明在确定结构的风荷载和计算结构风致响应时取基本时距为3min更为合理。     

敞口型液体离心喷嘴动态特性数值模拟

从喷嘴动力学理论分析和数值模拟两方面入手,对敞口型离心式喷嘴动力学特性进行了研究.通过对入口处流量施加周期性扰动的办法对喷嘴对于外部扰动的响应特性进行了分析.结果表明:表面波引起旋流腔内液膜厚度发生振荡,进而引起喷嘴出口流量的脉动.而旋转波的频率则较低.喷嘴出口流量脉动与喷嘴压降脉动之间的相位差随着扰动频率的增大而增大,数值模拟结果与线性的喷嘴动力学理论符合较好.      

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。     

考虑波浪形底面影响的边界层风场大涡模拟

为了研究强风作用下海面上的平均风剖面,采用大涡模拟方法对带有余弦波形状底面、自由滑移顶面的渠道流进行了模拟,波幅、波高比2a/λ为0.1,基于平均速度Ub和渠道高度的雷诺数Reb为6760。统计结果表明,波浪形下表面对上方风场分布有着显著的影响,y/H=0.3(y+≈200)是内区、外区的分界线,内区受壁面影响显著,外区受壁面影响较小。流动的分离点位于x/λ=0.14,而再附点位于x/λ=0.65。展向速度脉动峰值出现在上坡处,且超过竖向脉动。表面压力要比表面摩擦力大一个数量级,是阻力的主要来源。随着波幅的增大,回流区面积增大,速度峰值和展向脉动峰值也会增大,展向脉动峰值甚至会超过流向脉动峰值。     

雾化气流脉动下乙醇喷雾旋流火焰特性

针对雾化气流脉动条件下乙醇喷雾旋流非稳态燃烧问题,开展了不同雾化流量下乙醇喷雾旋流火焰对雾化气流脉动响应特性的实验研究,揭示了不同脉动频率和脉宽时长下火焰长度和抬升高度的响应特性,获得了乙醇喷雾燃烧在雾化气流脉动条件下的火焰结构、温度分布等动态规律.结果表明:随着雾化流量增加,旋流火焰由附着演化为抬升;此外,雾化气流脉...     

封闭式薄膜屋盖的参数共振分析

膜结构的非线性风振响应是流固耦合的共同作用问题,当脉动风频率与结构频率满足一定关系时,就有可能出现大幅参数共振。本文首先假定风为无粘性势流,利用室内外空气速度势函数、屋面涡旋以及尾流涡旋来模拟屋面与风场之间的大气湍流边界层。针对封闭式薄膜结构受纵向脉动风荷载作用下,推导了屋面所受的气动力表达式,建立了薄膜屋盖参数振动的非线性力学模型。然后通过数值计算分析,证明了薄膜屋盖在达到临界颤振风速之前有参数共振的可能性。因而,在实际工程中应该考虑出现参数颤振的可能性,通过调整结构参数或预应力,以降低参数共振的频率范围。     

舵面偏转对机翼RCS影响仿真与分析

针对舵面偏转后机翼雷达截面积(RCS)特性与静态预估不一致,提出一种分析舵面偏转对机翼雷达截面积影响的方法。通过建立低散射机翼模型,利用多层快速多极子算法(MLFMA)仿真计算不同舵面偏角下机翼雷达截面积曲线。仿真计算结果表明,在入射波处于较高频率时,舵面偏转会对机翼雷达截面积曲线的峰值、峰值宽度和均值造成一定的影响;偏转机动襟翼在水平极化和垂直极化下会显著增大峰值、峰值宽度和均值;偏转后缘内侧襟翼只会对均值造成影响;偏转副翼对峰值的影响较小,但峰值宽度随着偏角绝对值的增大而略微增加,均值随偏角绝对值的增大而增大。     

非对称腔体合成双射流矢量特性数值研究

利用合成射流全流场计算X-L模型,对非对称腔体合成双射流激励器的射流矢量特性进行了数值模拟,分析了激励器不同腔体体积比、不同振动膜速度、不同频率下的合成双射流流场。研究结果表明,当激励器两腔体不对称时,所形成的合成双射流不再垂直向下游流动,而是会发生偏转,即射流具有矢量特性,偏转角度的大小可以通过激励器工作条件进行调节。其机理是振动膜对大小不同的两腔体的相对压缩量不同,使得两出口处所形成射流的能量和低压区不再对称,因此导致合成双射流向低能量(大腔体)一侧偏转。振动膜振幅和频率的提高对低压区大小分别起到增加和减弱的作用,所以偏转角度又随着振动膜最大速度的增加而增大,随工作频率的增加而减小。     

运载火箭地面风载荷响应特性分析

为了研究新一代运载火箭在垂直转运与垂直发射过程中所受地面风载荷的影响问题,针对地面风载荷产生的复杂原因,将其按产生原因和主要影响方向分为四种：阻力方向平均风载荷、阻力方向脉动风载荷、升力方向脉动风载荷和升力方向脱落涡载荷。利用MSC．Patran／Nastran软件的随机分析模块分析运载火箭在四种地面风载荷作用下的响应特性,得到运载火箭在参考风速为4～20m／s下的位移响应。结果表明：四种风载荷位移响应均随参考风速的增加而增大,并且随着参考风速的增加,脱落涡载荷对火箭位移响应的影响最为显著。     

弹性空腔流致噪声/结构振动特性试验

高速空腔中经常存在高强度且多频率分量的流致噪声,空腔噪声与结构振动之间耦合效应严重,甚至可能发生结构共振。为此,在0.6m×0.6m高速风洞中,通过调整空腔底板厚度,改变其结构固有频率,模拟空腔流致噪声/振动相互作用。利用脉动压力和振动加速度测试技术,获取亚跨声速条件下,弹性空腔流致噪声特性及其结构振动响应特性。马赫数变化范围为0.6~1.2。结果表明,当振动强度较弱时,结构振动对空腔噪声影响较小,而空腔噪声对结构振动影响较大,在噪声载荷主频位置,振动谱出现峰值并且噪声/振动相关性达到最强;此外,空腔结构振动还与其固有频率特性密切相关,振动主要以低阶模态为主。     

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。     

超大跨度斜拉桥裸塔风致抖振MTMD控制研究北大核心CSCD

以主跨1088m的苏通大桥为工程背景,根据规范推荐的风谱模型分别模拟了不同风速下裸塔结构的三维脉动风场,基于ANSYS进行了裸塔在强风作用下的风致抖振响应及其MTMD减振控制研究,重点探讨了MTMD用于大型斜拉桥裸塔抖振控制的效果及其中的关键影响因素。结果表明:TMD的数量、MTMD的质量比、频带宽、阻尼比等参数的变化对其减振效果的影响不尽一致;合理设置MTMD参数可大大降低斜拉桥裸塔的抖振位移响应,实现主塔结构抖振的有效控制。分析结果可为大跨度斜拉桥裸塔结构的风致抖振控制提供参考。     

强迫扰动下的射流撞击雾化特性

为全面把握撞击式喷嘴的工作特性，进一步认识雾化在燃烧不稳定中所起的作用，采用试验结合数值模拟的方法开展了强迫扰动条件下撞击式喷嘴的非稳态雾化特性研究。试验方面，采用水力扰动装置产生喷前压力扰动，由脉动压力传感器记录喷前的脉动压力，由高速摄影对动态的喷雾场进行背光拍摄。数值模拟则是基于开源程序Gerris开展，通过给定周期性变化的速度入口来模拟前端压力扰动下的撞击雾化过程。首先验证了建立的数值模拟方案处理非稳态雾化的有效性，其次将自然雾化与强迫扰动雾化进行对比，分析了强迫扰动条件下的撞击雾化特性，最后研究了扰动频率与扰动幅值对于撞击雾化的影响。结果表明：强迫扰动下的射流撞击喷雾场出现了弓形液滴群局部聚集的现象，并且在时间上表现出周期性特征，雾化频率与强迫扰动的频率一致。在研究的频率范围（1 257~3 563 Hz）内，撞击式喷嘴的雾化对扰动都有响应。扰动频率主要影响相邻弓形液滴群之间的间距以及雾场与扰动压力之间的相位关系，扰动幅值则主要影响雾化Klystron效应的强度。随着扰动幅值的增大，液膜的破碎长度减小，撞击点下游的流量特性由线性向非线性转变，由正弦波形转变为陡峭前缘波形。     

弹性机翼阵风减缓控制策略风洞试验

介绍了2种用于弹性机翼阵风减缓的控制策略。第1种控制策略是模态阻尼增强的阵风减缓（MDEGA）,通过反馈翼尖振动速度驱动副翼做卸载偏转,从而减缓机翼的动载荷及振动。第2种控制策略是基于阵风感知的阵风抑制（GSBGS）,由阵风探测器感知阵风速度并前馈给副翼做出偏转,利用副翼操纵力抵消阵风载荷。为验证2种控制策略的实施效果,以某弹性飞机缩比模型的大展弦比机翼为研究对象,进行了阵风载荷减缓原理风洞试验。试验结果表明2种控制器对机翼一弯模态的阵风响应减缓效果显著,翼根弯矩和翼尖过载峰值的减缓量均超过50%。与MDEGA相比GSBGS对峰值外频率点阵风响应的减缓更加有效。2种控制策略各具特点,可为工程设计提供参考：MDEGA等效于增加结构阻尼,不需要精确测量阵风,但受气动伺服弹性稳定性约束;GSBGS是开环控制,不改变飞机动态特性,但严重依赖于阵风探测的精度。     

超大跨度斜拉桥裸塔风致抖振MTMD控制研究

以主跨1088m的苏通大桥为工程背景,根据规范推荐的风谱模型分别模拟了不同风速下裸塔结构的三维脉动风场,基于ANSYS进行了裸塔在强风作用下的风致抖振响应及其MTMD减振控制研究,重点探讨了MTMD用于大型斜拉桥裸塔抖振控制的效果及其中的关键影响因素。结果表明:TMD的数量、MTMD的质量比、频带宽、阻尼比等参数的变化对其减振效果的影响不尽一致;合理设置MTMD参数可大大降低斜拉桥裸塔的抖振位移响应,实现主塔结构抖振的有效控制。分析结果可为大跨度斜拉桥裸塔结构的风致抖振控制提供参考。