单曲率隧道火灾中的烟气流动数值分析

通过运用ANSYS FLUENT软件对曲线公路隧道模型进行数值模拟计算,并深入分析了不同火源功率、曲率和通风风速影响下的隧道纵轴面和横截面的烟气蔓延规律,且对拱顶以及人高区域沿程烟气温度和CO浓度的变化趋势进行了详细的探讨。结果表明:隧道内拱顶和2 m高度处烟气温度和CO浓度随功率增大而升高,但通风风速2 m/s时,随着功率的增加,火源下游拱顶CO浓度逐渐减小;通风风速大于3 m/s时,下游拱顶烟气温度和CO浓度随着曲率增加而减小,而对于2 m高度处,火源下游烟气温度和CO浓度随着曲率增大而增大,这一规律与通风风速为2 m/s时正好相反;随着风速的增加,烟气温度和CO浓度越低;曲线公路隧道横向浓度不再呈现对称分布,且横断面右上角浓度略大于左下角。     

地铁车厢起火时不同排烟模式下烟气流动分析

为研究地铁火灾烟气的合理防治,针对地铁车厢发生火灾并停靠在站台的情况,建立了地铁车厢及站台的物理模型,设置站台和隧道的送风及排烟口位置以及其他尺寸参数,开展了3种不同排烟组合模式下烟气流动的数值模拟,分析比较了其烟气能见度、温度场和CO_2浓度场的模拟结果,并提出了最优排烟组合方案。结果表明:同时打开站台和隧道的排烟装置将烟气排出,这样留在站台的烟气量相对较小,周围温度相对较低,同时车厢和站台的CO_2浓度较低,对逃生过程中的视觉和呼吸系统影响较小。因而同时开启隧道和站台排烟装置的模式,产生的排烟效率最高、排烟效果最佳,是最优方案。研究结果为地铁火灾烟气的防治提供了理论依据,为地铁内人员的疏散提供了保障。     

高层建筑火灾时烟气在横向疏散通道内的扩散

通过建立高层建筑内烟气流动的数学模型,采用κ-ε双方程3维紊流模型对高层建筑火灾时烟气在横向疏散通道内的扩散进行了数值模拟,对火灾分别发生在第3,4和8层的烟气扩散的温度场、环境场、速度场和浓度场进行了分析,结果显示温度、速度与浓度在横向疏散通道内的变化跟高层建筑楼层有关系,发生火灾的楼层离中性层越远,变化越大,越快。     

大跨度中央开槽钢箱梁悬索桥颤振关键参数研究

中央开槽钢箱梁作为第三代钢箱梁,可改善结构的气动性能,提高颤振临界风速,但开槽箱梁的优化选型受多种因素影响.为全面阐述开槽箱梁的气动优化选型规律,通过风洞试验和数值方法综合研究了多个关键参数对颤振性能的影响:通过节段模型风洞试验,研究了开槽比对颤振临界风速的影响规律,并获得了多组颤振导数;采用二维颤振直接分析数值算法,研究了钢箱梁的几何参数、质量参数、频率参数和纵向遮盖率等对悬索桥颤振临界风速的影响规律.研究发现:颤振临界风速随开槽宽度增加先增大后减小,存在最优开槽比;开槽宽度增加使质量和质量惯矩增大,质量和质量惯矩的增加有利于颤振稳定性能的提高;随着扭转频率的增大颤振性能增强,竖弯频率则相反;纵向遮盖各工况也存在最优遮盖率,影响颤振的规律与中央开槽类似;颤振临界风速对各个参数的敏感度不同,敏感度从小到大依次为:质量、竖弯基频、质量惯矩、扭转频率.该研究成果可为开槽箱梁的气动选型提供参考.     

基于流固热耦合模型的并行电弧损伤影响分析

电弧故障可以释放很高的能量,对周围一定距离的物体和导线造成危害,其产生的热量甚至可以引起火灾。首先,理论分析电弧的能量在管路上的分配及其造成的影响,使用流固热耦合的数值计算方法,用于模拟流体和固体之间的实时热量交换。建立了有限元模型,对电弧损伤影响进行数值仿真研究,建立了电弧能量分配方程。最后,分析了直流28 V和交流115 V供电条件下的电弧损伤影响程度,验证了所建立的电弧能量分配方程的预测能力。仿真结果表明：电弧故障使得金属发生相变,其损伤影响程度与电弧功率系数、能量耗散因数等有关;当电弧功率增大后,管路相变吸收的能量所占电弧总能量的比重就越大;电弧功率系数是一个与管路和电弧位置间距有关的指数函数。     

机翼非平行边界层稳定性研究

从Navier-Stocks(N-S)方程导出曲线坐标系下的抛物化稳定性方程(Parabolicstabilityequation,PSE),研究机翼非平行的可压缩边界层稳定性问题。发展了求解PSE的高效数值方法:引进法向变换,使得在临界层与壁面之间的扰动量变化最快的区域有更多法向网格点;采用包含边界邻域在内的完全四阶精度的法向差分格式,这对方程精确离散至关重要;以及全局法和局部法相结合的数值方法及其新的迭代公式,能大大加速收敛并得到更精确的特征值。算例分析研究了扰动增长因子和形状函数等演化曲线。     

风冷压缩机气缸冷却效果的实验研究

采用测温系统测量微型风冷空压机缸壁温度场的分布，在不同冷却风速、压比及散热片高度条件下对缸壁温度及排气量、功率进行了测量，分析不同散热片高度对缸壁温度场、压缩机性能的影响。对实验数据采用线性回归方法，总结了缸壁平均温度随压比、进行温度和活塞行程变化的经验公式。     

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.     

民用飞机适航用临界冰形的确定及验证

对民用飞机结冰适航取证用临界冰形确定及验证进行研究。在民用飞机结冰适航取证过程中,首先需要确定临界冰形,为结冰后的性能和操稳评估提供冰形输入。首先确定临界冰形的判断标准,制定临界冰形确定的工作思路;然后采用SADRICE结冰数值软件开展结冰冰形参数的敏感性分析,获取临界结冰条件;最后通过冰风洞试验对参数敏感性结论进行验证。结果表明数值模拟参数敏感性分析结论与冰风洞试验结果一致,数值模拟所得临界冰形上冰角与冰风洞试验一致,下冰角存在一定差异,但不影响冰形临界性判断结论。参数敏感性分析所得临界结冰条件以及冰风洞试验所得临界冰形正确,可作为结冰适航取证临界结冰条件及临界冰形。临界冰形确定思路、方法可为其他民用飞机结冰适航取证提供参考。     

5000m特大跨度悬索桥空气动力稳定性风洞试验研究

伴随跨海大桥建造时代的来临,特大跨度悬索桥的空气动力性能研究日益紧迫,设计了中跨跨度为5000m的宽开槽和窄开槽钢箱梁悬索桥方案,实现了5000m特大跨度钢箱梁悬索桥的节段模型风洞试验,研究了宽开槽和窄开槽两种方案的颤振性能,识别了其颤振导数、颤振风速、颤振频率、三分力系数等重要参数;其次在风洞试验中研究了多种稳定板组合方案对窄开槽钢箱梁的颤振控制作用,发现中央稳定板和上稳定板的组合能将颤振临界风速提高50%;最后提出了适用于特大跨度悬索桥的二维颤振Straight-forward Method分析方法,对风洞试验进行了数值模拟,验证了该方法和节段模型风洞试验对于5000m悬索桥分析结果的一致性.最终研究认为:中央开槽达到足够宽度的方案与窄开槽附加稳定板的方案都能为跨度5000m的悬索桥提供足够高的颤振失稳临界风速,并能满足世界上绝大多数台风区的要求.     

赤泥堆起尘风洞实验研究

通过对不同粒径、不同湿度的赤泥起尘风速及起尘强度的风洞实验发现,对各种湿度的赤泥,都存在一临界粒径。当赤泥粒径小于该值时,起尘风速随粒径的减小而增大,而当粒径大于该值时,起尘风速随粒径的增大而增大。临界粒径大约为0.2mm,随湿度略有变化。临界粒径对应的起尘风速最小,它随湿度的增大而升高,其变化范围为2.5～3.0m/5,对应的起动摩擦速度介于0.17～0.20m/s。此外,当粒径小于0.1mm时,起尘风速随湿度的增大而减小,而当粒径大于0.2mm 以后,起尘风速随湿度的增大而增大。起尘强度实验表明,风速一定且大于4.7m/s,湿度小于15%时,起尘强度随湿度增大而减小,湿度大于15%时,起尘强度随湿度变化甚微。风速小于4.7m/s时,起尘强度基本不随湿度而变。湿度一定时,起尘强度随风速的增大而增大。文章还讨论了模拟实验的相似准则和定量换算问题。     

考虑几何及材料非线性直筒-锥段型钢结构冷却塔风致稳定性能研究

作为一种新颖的风敏感结构,直筒-锥段型钢结构冷却塔曲面形状和动力特性复杂、结构柔性和风致效应明显增大,整体稳定性能是其结构设计的瓶颈之一,尤其是结构几何、材料非线性及其高阶振型的影响。本文采用CFD技术数值模拟获得钢结构冷却塔表面风荷载分布模式,基于ANSYS软件建立主筒+加强桁架+附属桁架(铰接)耦合的一体化钢结构冷却塔有限元模型,以不同特征值屈曲模态作为初始几何缺陷分布形式,并基于几何及材料双重非线性有限元方法,系统研究了此类钢结构冷却塔在不同风速下低阶和高阶模态的稳定性能,涉及分歧失稳形态、极值失稳形态、临界失稳风速和静风响应。研究表明:考虑几何及材料双重非线性下钢结构冷却塔临界屈曲承载力下降;基阶屈曲波形相对较小,对几何初始缺陷不敏感;随着风速的增大,附属桁架最先发生失稳屈曲,然后依次为加强桁架和主筒。几何初始缺陷系数及阶数的改变对失稳临界风速影响较小,但随着阶数的增加,非线性分析过程中的变形趋势由附属桁架逐渐转移到主筒。所得主要结论可为此类新型钢结构冷却塔的抗风稳定性验算提供参考。     

用虚拟区域法结合虚拟边界条件求解对称及管壁流动问题

分析了用基于Lagrange乘子的虚拟区域法数值求解时,翼型后缘存在的奇异问题.为了保持直角坐标网格结构简单及可利用快速算法的特点,提出引入虚拟边界条件控制虚拟流动的方法处理奇异问题.用虚拟区域法数值模拟了翼型不可压对称绕流;并把该方法推广应用到管壁流动的数值模拟,给出了喷管内流场的算例.数值结果表明,虚拟边界条件的引入有助于控制Lagrange乘子的变化,从而改善数值模拟的精度.     

超声速进气道边界层吸除方案设计及实验

应用工程设计方法,结合数值模拟,设计了一种带有边界层吸除型式的超声速轴对称进气道,对进气道内流场进行了数值模拟研究,并且进行了风洞实验.研究发现,对进气道中心锥边界层进行合理流量的吸除可以明显提高进气道的总压恢复,增强了进气道的稳定工作的能力.从试验数据可知,在Ma=4.0时,进气道临界总压恢复系数达到了0.43,与不吸除比较,比常规同类进气道的临界总压恢复系数(σ=0.33)提高了约30%.通过对数值模拟结果与风洞实验结果的对比可知,二者能够基本吻合.     

隧道阻塞比对列车进入隧道产生的气动效应的影响

高速列车在进出隧道时,会形成压缩波和微压波,引起车厢内压力变化并在隧道出口形成噪声,对乘客及环境造成影响.隧道阻塞比对气动效应的产生有非常重要的影响.利用高速列车模型实验系统,对列车进入隧道所形成的压缩波、微压波进行了测试分析,验证了压缩波的隧道阻塞比影响系数值,初步确定了阻塞比与微压波压力的理论关系,依据实验结果,确定了微压波的阻塞比影响系数的范围.     

四孔交叠隧道下地铁运行对周边建筑物的振动响应分析

选取武汉地铁二号线和四号线中某区间的四孔交叠隧道为研究对象,采用有限元软件ANSYS进行数值模拟,探讨隧道周边建筑物在地铁运行下的振动响应规律。结果证实:建筑物各楼层的水平振动强度随楼层的增加而增加,竖向振动强度增幅不大。前5层中,竖直方向的振动比水平方向的振动强烈;第5层之后,各楼层的水平峰值加速度随着楼层的增加而显著增大。单孔隧道中有列车运行时,建筑物各楼层振动强度随隧道埋深的增大而减小,也随着到振源的水平距离的增大而减小,但埋深比水平距离的影响更明显。四孔隧道中均有列车运行时,建筑物同一楼层,内部各点的水平振动强度,随着距隧道中心线距离的增大,未表现出增大或减小的趋势,但靠近隧道一侧的竖向振动强度和竖向峰值位移比远离隧道一侧要大。     

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。     

小宽高比钢桁架悬索桥颤振稳定气动措施的试验研究

以某主跨730m、宽高比小于4的钢桁架加劲梁悬索桥为研究对象,通过风洞试验考察了上中央稳定板、下中央稳定板、下横梁稳定板、导流板、双中央稳定板、双下稳定板等气动措施对主梁颤振临界风速的影响.结果表明:选取一定的尺寸(或角度),上中央稳定板能大幅提高0°和3°迎角下的颤振临界风速;下中央稳定板能大幅提高0°和-3°迎角下的颤振临界风速;下横梁稳定板对颤振临界风速的影响较小;主梁两侧栏杆上的稳定板能在一定程度上提高颤振临界风速;在桥面上下同时安装中央稳定板对于各个迎角均能大幅提高颤振临界风速;在下横梁上布置双稳定板,能在一定程度上提高0°和-3°迎角下的颤振临界风速,但同时降低3°迎角下的颤振临界风速.     

三维旋转水平轴风力机流场的PIV试验和数值模拟

通过粒子图像测速仪(Particle image velocimetry,PIV)测量和定常计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)数值模拟相结合的方法,对某三维旋转水平轴风力机模型的流场展开研究。在风洞开口实验段,来流风速为8m/s,针对不同尖速比(λ=4,8)利用PIV技术对风力机叶片的瞬时速度场进行测试。通过定常CFD数值模拟,获得了风力机叶片在相应工况下的流场细节。在8m/s来流风速下,当尖速比大于7.4时,试验测得的风轮扭矩和风能利用率与数值模拟结果趋于一致。尖速比小于7.4时,试验测得的扭矩值低于计算值,其风能利用效率也较低。通过速度矢量分布可以看出,在λ=4时,PIV测得靠近叶根的两个截面S1,S2在叶背有明显的流动分离,CFD结果中仅在S1截面叶背存在流动分离,S2截面叶背存在低速区。在λ=9.8时,PIV和CFD结果均显示叶片绕流流场没有流动分离。尝试采用Gamma Theta转捩模型进行了数值模拟,在考虑了层流影响后,计算所得风轮扭矩更加接近试验值。     

内连导线线宽对沿晶微裂纹演化的影响

基于应力诱发表面扩散的经典理论,用有限元法模拟了线宽对铜内连导线中沿晶微裂纹演化的影响。数值模拟结果表明:随着线宽的减小,椭圆形沿晶微裂纹存在分节与不分节两种演化分叉趋势,且演化分节存在临界线宽珔hc;当珔h≤珔hc时,沿晶微裂纹分节成3个新的沿晶微裂纹;当珔h珔hc时,沿晶微裂纹圆柱化。沿晶微裂纹分节时间^tf随线宽的减小而减小,即减小线宽会加速微裂纹分节。临界外载珋σc与临界形态比βc随线宽的减小而减小,即减小线宽有利于沿晶微裂纹分节。临界外载和临界形态比随晶界能与表面能比值的增大而减小,且沿晶微裂纹比晶内微裂纹更易发生分节。