上海闵浦大桥桥址风环境风洞试验及数值模拟研究

基于Reynolds时均N-S方程中的Realizable k-ε模型对上海闵浦大桥桥址处风环境进行数值模拟.数值模拟采用有限体积法对控制微分方程进行离散,并采用SIMPLE压力校正算法来实现非线性方程的迭代求解.数值结果与在同济大学TJ-3风洞中的试验值进行了对比分析,总体吻合较好.由于风剖面是结构抗风设计中一个极为重要的因素,在比对试验的基础上,分析了双曲冷却塔对桥址风剖面的干扰影响.数值模拟表明,由于冷却塔的存在,当在一定的风偏角范围,桥址处在冷却塔的尾流中,风速明显偏小,在冷却塔高度范围,风剖面并不符合B类地貌选取0.16的指数分布率.     

多层建筑屋顶风场的数值模拟

基于计算流体动力学软件Fluent17.2,以浙江温州大学某栋带女儿墙的多层试验教学楼为研究对象,采用RNG k-ε湍流模型对其进行数值模拟.通过对不同风向角下的数值模拟结果进行对比分析,探究屋顶风场与未受扰来流风场的区别,屋顶不同高度风场的差异,以及不同风向角来流情况下近屋面风场的分布特点、变化规律.结果表明:在离屋面高8m以下,屋顶风速变化剧烈混乱,屋面前沿、中部、后方区域的风速会随高度增加发生变化,并与未受扰来流风场相比存在较大差别;在女儿墙高度1.2m以下,屋面四周区域风速小于中部区域;在离屋面高1.2m～8m时,同一高度屋面前沿区域风速却要大于中部区域及后方区域;在不同的风向角来流下,当来流与建筑迎风面垂直时,屋顶风场沿中线对称分布.本文所得结论可为屋顶各类设备的抗风设计提供一定的参考依据.     

建筑群环境风场的特性及模拟--风环境模拟研究之一

建筑风环境是研究建筑物与城市风场相互作用的一门空气动力学与大气科学的交叉学科、将空气动力学惯用的风洞实验和流场显示研究手段,直接用于城市大气边界层和建筑物周边流场变化规律的研究．充分利用数值计算的广度和深度与风洞实验相结合,相互验证、相互补充、弥补了目前实验手段尚无法实现的研究．本以北京商务中心区(CBD)为研究背景,论述了建筑风环境中大气边界层的模拟和具体建筑物风场的显示方法,并与数值计算进行对比,取得了非常一致的结果．为该地区的城市规划和环境保护,提出了科学依据．     

旋转圆管湍流的大涡模拟数值研究

采用大涡模拟(LES)方法,并结合动力学亚格子尺度应力(SGS)模型,通过数值求解柱坐标系下的滤波Navier-Stokes方程,研究了绕管轴旋转圆管内的湍流流动特性. 为验证计算的可靠性,以及动力学SGS模型对于旋转湍流的适用性,将大涡模拟计算所得的结果,与相应的直接模拟(DNS)结果和实验数据进行了对比验证,吻合良好. 进一步对旋转圆管湍流的物理机理进行了探讨,研究了湍流特性随旋转速率的变化规律. 当旋转速率增加时,湍流流动有层流化的发展趋势. 基于湍动能变化的关系,分析了旋转效应对湍流脉动生成的抑制作用.     

高超高焓非平衡流动数值模拟方法研究综述

高性能计算流体力学 (computational fluid dynamic, CFD) 模拟可以与高超飞行试验、高焓地面设备实验研究相互印证, 在热化学非平衡效应研究以及未来高超声速飞行器研制中将发挥更重要的作用. 本文回顾了国内外在热化学非平衡流动CFD研究方面的进展, 概述了相关热化学模型、数值格式研究以及CFD软件研制方面的现状和发展趋势, 最后指出了今后在基础研究、软件开发、模拟应用等方面需要关注的问题. (1) 在热化学模型方面, 常用温度模型并不完全精确, 多振动温度模型具有发展潜力但工程应用受限, 态−态模型更精确但模拟技术尚不成熟, 更为精确的热力学输运模型、有限速率化学反应模型、振动−离解耦合模型以及表面效应模型等是提升热化学非平衡模拟精度的重要物理模型, 值得深入研究; (2) 在数值方法方面, 多物理场耦合模拟是高超热化学非平衡流动CFD研究的热点和趋势, 对CFD方法的鲁棒性和收敛性提出了更高的要求, 值得重点关注和研究, 此外常用数值格式需要针对热化学非平衡流动特征进行适应性改造, RANS方法在热化学非平衡湍流模拟中的计算可靠性仍有待验证; (3) 在数值软件方面, 基于结构/非结构混合网格的数值求解器更加符合工业应用需求, 未来高超数值软件需要具备稳定、鲁棒的多学科、多物理场耦合求解功能, 且能够适应更大网格规模大尺度复杂外形的模拟需求; (4) 可综合应用多种加速技术手段提升热化学非平衡流动数值模拟的计算效率, 计算刚性是热化学非平衡流动数值模拟方法研究的共性基础问题, 刚性消除方法仍需进一步研究和发展.     

密度梯度飞片实现复杂加／卸载过程的数值模拟

采用流体动力学计算方法,通过数值计算给出了满足复杂加／卸载过程要求的几种密度梯度飞片结构特征。从计算给出的速度波剖面可见,密度梯度飞片波阻抗分布对加／卸载过程和加／卸载强度非常敏感。通过精心设计准连续型变阻抗的密度梯度飞片,可以进行不同复杂加／卸载过程的物理模型设计和实验研究,这样的梯度飞片具有产生可控制的加／卸载路径的能力。     

复杂多舱室内炸药爆炸爆轰产物运动二维数值模拟研究

为了研究复杂多舱室空间内炸药爆炸后爆轰产物运动规律,采用三阶WENO有限差分格式,通过耦合求解两组分可压缩欧拉方程,自主编写了多舱室内炸药爆炸过程二维数值计算程序.利用平面激波绕射矩形台阶上的竖直平板实验与数值模拟纹影图进行了对比,图中不同时刻的波系结构和台阶、竖直平板处绕射形成的漩涡结构均证明了文中程序开发的可靠性和正确性.采用验证的程序开展了复杂多舱室内炸药爆炸过程数值计算,探讨了复杂多舱室内炸药爆炸爆轰产物的传播路径及泄压口泄压对爆轰产物运动规律的影响.研究表明:舱室泄压对复杂多舱室内爆轰产物运动的影响,在爆炸初期较小,在爆炸后期较大;爆炸舱室内部泄压能显著地降低相邻舱室超压载荷强度(40％左右),减弱爆炸对相邻舱室的毁伤效应.本文的研究可为进一步探讨、考虑燃烧效应后爆轰产物扩张过程及爆炸毁伤评估提供一定的参考和指导.     

单搭接胶接接头拉伸剪切性能的数值模拟与实验研究

采用数值模拟和光测技术对单向拉伸载荷作用下单搭接胶接接头中的剪切性能进行分析,研究了不同厚度胶层中切应力的变化规律。用有限元方法(FEM)对不同胶层厚度的试件进行建模,得到了拉伸载荷下胶粘剂中的切应力分布及其统计参数。利用数字图像相关(digitalimage correlation,DIC)方法对试件的变形场进行测量。结果表明,当胶粘剂的厚度较小时,胶粘剂中的切应力的分布统计参数随着其厚度的增加会有显著的变化,但是当厚度超过一定的数值时,统计参数对厚度的变化不再敏感。     

JPC聚能装药对钢筋混凝土墙毁伤效应的试验与数值模拟研究

为了满足高侵深和大穿孔的要求,设计一种聚能杆式弹丸（jetting projectile charge, JPC）,开展大尺寸钢筋混凝土墙的毁伤效应试验。在此基础上,基于修正参数的K&C(Karagozian&Case)模型进行数值模拟,研究JPC高速侵彻和爆炸冲击波对钢筋混凝土墙的联合破坏作用,分析墙体厚度对破坏效果的影响规律。结果表明,在1.67倍和2.50倍装药直径的炸高条件下,JPC均能够有效贯穿80 cm(6.67倍装药直径)厚的钢筋混凝土墙,形成直径大于6 cm(0.50倍装药直径)的柱状孔洞;聚能装药的多载荷毁伤特性决定了钢筋混凝土墙的破坏结果,爆炸冲击波能够加剧墙体正面开坑和背面崩落的破坏范围;墙体厚度对于墙体正面漏斗坑的直径与深度及内部侵彻孔洞直径均无显著影响;随着墙体厚度增大,背面漏斗坑直径逐渐减小,深度却逐渐增大。     

大空心率方中空夹层钢管超高性能混凝土短柱轴压力学性能研究

首先进行了5根大空心率方中空夹层钢管超高性能混凝土短柱和1根实心方钢管超高性能混凝土短柱轴压对比试验,分析了不同空心率(均大于0.5)对试件轴压力学性能的影响.试验结果表明:试件均为端部鼓曲破坏;空心率越大,试件的承载力越低.然后采用有限元软件ABAQUS对其进行模拟,并与试验结果对比:模拟试件破坏形态与试验结果相近;...     

全机跨音速大迎角绕流的数值分析

应用有限体积法求解Ｅｕｌｅｒ方程计算了真实飞机外形的跨音速大迎角绕流流场及空气动力特性。本方法能自动捕获大后掠机翼前缘脱体涡，侧缘涡，机身体涡以及它们间的相互干扰。计算的机翼压力分布及全机气动力系数与实验值符合良好。表明了本文所采用的计算网格生成技术及流场计算方法是有效、可行的。     

Note on the Finite Element Formulation of the Ekman Potential Flow Model for Wind Fields Over Complex Terrain

A finite element formulation to solve the Ekman potential flow model for wind fields over complex terrain is presented. Appropriate combinations of the boundary conditions on the artificial boundary surfaces are investigated in the formulation. Numerical examples show that the computed wind fields exhibit the typical features of the wind velocity profile in the Ekman boundary layer. Influence of the terrain topography is also observed.     

大型冷却塔的风致振动响应数值分析

风荷载是大型冷却塔建筑设计的主要荷载之一,通过风振时域分析可以全面地了解塔身的风振响应特性。本文探讨了采用线性滤波法中的自回归模型(auto-regressive,AR)模拟大型冷却塔风致振动响应的数值方法。首先根据AR模型,基于随机模拟方法,计算冷却塔表面不同高度的随机脉动风压。通过将随机脉动风压和平均风压作为冷却塔表面的外载,采用有限元分析软件计算某冷却塔的风致振动响应。结果表明,基于随机脉动风荷载模拟的数值计算方法,能正确反映冷却塔塔身的风振响应。该方法特别适用于冷却塔高度超出规范要求的情况下,评估冷却塔的风振响应。     

Calculation of the Flow around a High-Pressure Turbine Blade with Cooling-Jet Injection from Slots at the Leading Edge

A fully vectorised, basically three-dimensional finite-volume multi-block method for flows with complex boundaries is applied in a stripped-down two-dimensional version for the investigation of the flow field in the leading-edge region of a high-pressure turbine blade with slot cooling-jet injection. The calculation results are compared with experiments and the numerical results of other investigators. The present method yields excellent agreement with the experiments for the isentropic Mach number distributions on the blade surface. All numerical results for the velocity field were found to be in very good agreement with each other and with experiments on the suction side, while the agreement is not as good on the pressure side.     

复杂高耸结构风振响应研究

本文提出了基于高频动态测力天平试验的风振响应的频域分析方法,采用该方法可以用来求解复杂高耸结构的三维耦联风振响应,并给出了利用高频动态测力天平试验来确定广义模态力谱的计算方法.该方法利用高频动态测力天平试验得到的基底剪力自谱、基底弯矩自谱以及基底剪力与弯矩的互谱与脉动风荷载的自谱密度的相互关系并通过引入振型修正系数来求得广义模态力谱,求解结构的三维耦联风振响应.然后,采用本文方法对在建的河南省广播电视发射塔的风振响应进行了研究,结果表明横风向的位移和加速度响应的均方根值要大于顺风向,因此在计算中必须考虑横风向风振的影响.最后本文对计算振型数目和模态耦联项对结构风振响应的影响进行了分析.本文的方法对于求解复杂高耸结构的风振响应具有重要的借鉴意义.     

Three-Dimensional Calculations of the Flow Field around a Turbine Blade with Film Cooling Injection near the Leading Edge

Injection of coolant air from a showerhead injection system at the leading edge of a high pressure turbine blade is investigated using a fully implicit three-dimensional finite-volume method on multi-block grids. For various blowing rates, the calculation results for the velocity and pressure fields and turbulence intensity are compared with available experimental data. The present method yields excellent agreement with the experiments for the isentropic Mach number distributions on the blade surface. The standardk–ε turbulence model with wall functions is already capable of capturing the major details of the flow field including the injection-induced secondary-flow vortices, particularly so on the suction side. On the pressure side, however, the lateral jet spreading is under-predicted somewhat together with an exaggeration of the near-wall sink-flow vortices. On this side with convex walls, where turbulence anisotropy is appreciable according to the experiments, overall better predictions were obtained with the anisotropy correction of Bergeles et al. [23] promoting the Reynolds stress in the lateral direction. The correction has no beneficial effect on the suction side with concave walls where the turbulence anisotropy was observed to be much smaller. This revised version was published online in July 2006 with corrections to the Cover Date.     

Large Eddy Simulation of Flow around a Rectangular Cylinder Using the Finite Element Method

In previous papers, we proposed finite element schemes based on the Petrov-Galerkin weak formulation using exponential weighting functions for solving accurately, and in a stable manner, the flow field of an incompressible viscous fluid. In this paper, we present the Petrov-Galerkin finite element scheme for turbulent flow fields based on large eddy simulation using the standard Smagorinsky model with the Van Driest damping function. The filtered incompressible Navier-Stokes equations are numerically integrated in time by using a fractional step strategy with second-order accurate Adams-Bashforth explicit differencing for both convection an diffusion terms. In order to evaluate more accurately a mass matrix, the well-known multi-pass algorithm was also adopted in this study. Numerical results obtained are compared through flow around a rectangular cylinder at Re = 22,000 with the experimental data and other existing numerical data.     

Numerical Simulation of the 3D Laminar Viscous Flow on a Horizontal-axis Wind Turbine Blade

The aim of this paper is to describe the methodology followed in order to determine the viscous effects of a uniform wind on the blades of small horizontal-axis wind turbines that rotate at a constant angular speed. The numerical calculation of the development of the three-dimensional boundary layer on the surface of the blades is carried out under laminar conditions and considering flow rotation, airfoil curvature and blade twist effects. The adopted geometry for the twisted blades is given by cambered thin blade sections conformed by circular are airfoils with constant chords. The blade is working under stationary conditions at a given tip speed ratio, so that an extensive laminar boundary layer without flow separation is expected. The boundary layer growth is determined on a non-orthogonal curvilinear coordinate system related to the geometry of the blade surface. Since the thickness of the boundary layer grows from the leading edge of the blade and also from the tip to the blade root, a domain transformation is proposed in order to solve the discretized equations in a regular computational 3D domain. The non-linear system of partial differential coupled equations that governs the boundary layer development is numerically solved applying a finite difference technique using the Krause zig-zag scheme. The resulting coupled equations of motion are linearized, leading to a tridiagonal system of equations that is iteratively solved for the velocity components inside the viscous layer applying the Thomas algorithm, procedure that allows the subsequent numerical determination of the shear stress distribution on the blade surface.