大风区铁路沿线挡风墙积沙机理及优化措施的风洞实验研究

位于兰州至新疆的兰新二线是世界上首条穿越大风区的高速铁路,途径著名的烟墩风区、百里风区、三十里风区及达坂城风区,风区段铁路里程长达 462.4 km,占新疆段线路总长的 65.1${\%}$,大风对铁路的运营、养护和运输造成很大危害. 为了降低大风对通行列车的危害,兰新铁路沿线设置了大量挡风墙. 挡风墙发挥作用的同时,也带来了铁路沿线的积沙问题. 为了解决这一工程实践的现实问题,本文提出了在现有挡风墙背风侧的不同位置处,设立第二道挡墙以减弱铁路积沙的治理思路,并开展了对应条件下对现有单道挡风墙、以及在现有单道挡风墙背风侧坡顶处和坡脚处设置第二道挡墙,共计3种情景的风洞模拟实验,发现设置第二道挡墙后距轨道线路高0.1 m处的沙粒水平速度、数密度、输沙通量及沉积率较无第二道挡墙时明显减少,介于8%$\sim$12${\%}$,51%$\sim$69${\%}$,20%$\sim$73${\%}$以及26%$\sim $38${\%}$,而且在现有单道挡风墙背风侧坡顶部增设第二道挡风墙的效果更好. 因此,本文的研究成果有助于优化大风区已有铁路沿线、城镇等防沙治沙工程措施.      

沙丘背风侧不同铁路结构形式对风沙环境的适应性分析

当铁路穿越大风沙漠地区时,风沙灾害会对铁路工程及其正常运营产生严重威胁,而设计一种合理的铁路结构形式能够减小风沙沉积对铁路工程的危害.在本文中,以敦煌至格尔木铁路沙山沟段落为研究对象,采用多相流的方法对越过沙丘的风沙运动过程进行数值模拟,分别讨论了风沙运动对位于沙丘背风坡的铁路路基工程和桥梁工程的影响.主要的模拟结果显示:路基工程明显降低了风速并且将沙丘后的回流区分成了两部分,而桥梁工程的导流效应则压缩了沙丘背风坡的回流区;轨道间的道碴增大了铁路表面的粗糙度,在轨道间有少量沙粒沉积,而路基工程两侧则有大量积沙;铁路表面的积沙量与摩阻风速呈现出非线性关系,随着摩阻风速的增大,路基工程沙粒沉积的增加速度大于风蚀能力的增加速度,而桥梁工程则正好相反.在防止风沙危害铁路方面,设置桥梁工程明显优于路基工程.本研究为风沙运动对铁路工程的影响提供了理论支持,也为今后的铁路工程设计提供了新的思路与研究工具.     

沙丘背风侧不同铁路结构形式对风沙环境的适应性分析

当铁路穿越大风沙漠地区时,风沙灾害会对铁路工程及其正常运营产生严重威胁,而设计一种合理的铁路结构形式能够减小风沙沉积对铁路工程的危害. 在本文中,以敦煌至格尔木铁路沙山沟段落为研究对象,采用多相流的方法对越过沙丘的风沙运动过程进行数值模拟,分别讨论了风沙运动对位于沙丘背风坡的铁路路基工程和桥梁工程的影响. 主要的模拟结果显示:路基工程明显降低了风速并且将沙丘后的回流区分成了两部分,而桥梁工程的导流效应则压缩了沙丘背风坡的回流区;轨道间的道碴增大了铁路表面的粗糙度,在轨道间有少量沙粒沉积,而路基工程两侧则有大量积沙;铁路表面的积沙量与摩阻风速呈现出非线性关系,随着摩阻风速的增大,路基工程沙粒沉积的增加速度大于风蚀能力的增加速度,而桥梁工程则正好相反. 在防止风沙危害铁路方面,设置桥梁工程明显优于路基工程. 本研究为风沙运动对铁路工程的影响提供了理论支持,也为今后的铁路工程设计提供了新的思路与研究工具.      

长编组高速列车的列车风动模型实验研究

列车风是高速列车运行时诱导产生的气流流动, 是列车空气动力学重要的研究内容和保证列车运行安全的重要方面. 本文利用缩尺比例为1\bh8的八编组高速列车模型进行了列车风的动模型实验,测试了明线运行状态下列车周围的流动参数,突破了短编组列车风动模型测试所带来的局限性.列车风系综平均曲线和标准差曲线说明: 列车头部会引起稳定的列车风,在车身和车尾处的列车风具有非常明显的非定常特征.列车风所反映的车身周围的气流扰动在第二节车厢开始显现, 列车风速振荡上升,在第七节车厢达到局部最大值.转向架舱和车厢间风挡间隙的气流干扰并没有在列车风曲线上表现出来.利用本征正交分解法分析列车风尾迹区的实验结果,发现列车风的扰动能量集中于近尾迹区, 次之是车身发展区.以各次实验结果中列车风的峰值位置距离车尾远近为条件,对列车风实验结果进行条件平均分析,表明列车尾涡生成时与列车风探针间的相对位置关系会影响列车风尾迹区的峰值形态.      

下击暴流作用下双坡屋面建筑风荷载分布特性研究

采用RNG k-ε湍流模型模拟下击暴流场,在与已有建筑下击暴流场试验数据进行对比验证的基础上,模拟分析了下击暴流对双坡屋面建筑的风压作用;侧重考虑了建筑处于下击暴流径向最大风速位置(r/D_0=1.0)处,风向与坡角变化及有无挑檐对风压分布的影响。分析结果表明:风向与坡角的变化对表面风压有显著影响,坡角变化时,屋面风荷载体型系数最大增幅达到152.2%;随风向角增大,迎风面总体风荷载体型系数呈显著减小趋势,而背风面的负压绝对值则有较大提高,其系数变化幅度达到120.7%;因风向变化,侧风面风荷载体型系数出现261.4%的增幅;有无挑檐对建筑表面风压也产生影响,但主要表现在迎风面近挑檐区域的风压发生较大改变。     

六分裂导线试验线路双摆防舞器防舞效果数值模拟研究

针对真型输电线路综合试验基地六分裂线路段,利用ABAQUS软件建立覆冰六分裂导线有限元模型,数值模拟覆冰导线在风荷载作用下的舞动过程,将数值模拟结果与现场实测结果进行分析比较.进一步建立双摆防舞器数值模型,实现了安装防舞器后导线动力响应的数值模拟方法.数值模拟结果表明,在试验线路上现有双摆防舞器防舞效果差,与现场观测一致.对安装不同双摆防舞器线路的动力响应过程模拟结果表明,通过改进双摆防舞器参数和安装方案,可以对舞动产生有效的抑制效果.     

铝基复合材料超精密加工中的刀-屑摩擦磨损性能及模型研究

通过金刚石PCD刀具对非连续SiC增强铝基复合材料的超精密车削加工试验,考察了刀具第二切削变形区(刀具前刀面-切屑间)的摩擦磨损性能,并提出了相应的模型;采用爆炸式快速落刀装置制备出切屑根并分析了积屑瘤的影响因素;采用原子力显微镜对PCD刀具的刃口磨损形貌进行观察,并分析其磨损机理.结果表明:在超精密切削加工非连续增强铝基复合材料的过程中,前刀面仍然有极小的楔型积屑瘤产生;铝基复合材料的摩擦磨损性能明显优于铝合金,且当SiC增强相达到最佳体积分数(20%～25%)时,其摩擦磨损性能最佳;从刀具的耐磨性角度考虑,在超精密加工非连续增强铝基复合材料时适宜采用金刚石刀具.     

一类复杂建筑外围装饰结构的风荷载参数研究

在建筑外围布置复杂装饰结构能够进一步提高建筑的视觉效果,但复杂装饰结构对风荷载的敏感性往往要超过主体建筑,因此对建筑结构的抗风设计安全性提出了更高的要求.建筑外围装饰结构由于其体量小数量大而导致直接进行物理风洞试验变得几乎不可能,因此本文研究利用数值风洞技术来解决外围装饰结构的风荷载问题.结合高性能的硬件计算平台,通过设置合理的网格剖分形式,解决了流苏结构多个移动位置下的三维空间高质量网格的生成难题.数值模拟了各层流苏在不同风向角下的风荷载体型系数分布规律,并统计分析了所有风向角下流苏结构体型系数极值分布,给出了设计所需的各层流苏极值风参数取值范围.数值模拟结果显示出了流苏结构风荷载的极值区域位于建筑外形的拐角区域,当结构面临可能的大风天气时,流苏结构的停止位置宜避免将长条的流苏杆件置于上述区域,以提高流苏结构的抗风安全性.     

钢轨轨底垂直振动模式导波检测技术的实验研究

现有铁路钢轨超声探伤车技术无法检测线路钢轨轨底缺陷,给铁路运输安全带来很大隐患.本文开展了钢轨轨底超声导波传播特性和垂直振动模式导波检测技术研究,采用半解析有限元方法分析了我国60型钢轨轨底的各振动模态导波频散曲线和波结构.应用模态锤技术对自由状态钢轨轨底垂直振动模态导波传播特性进行了实验测量,结果表明,在0～100kHz频率范围内,钢轨轨底垂直振动模态优势模式与厚度为14 mm板中的A0模式兰姆波具有等效性.进一步研究了激励频率、激励脉冲周数、传播距离对轨底垂直振动模态导波传播的影响,设计了导波斜探头,选择合适的参数在钢轨轨底激励出垂直振动模态导波并检测出了轨底的人工缺陷.本文的研究结果为线路钢轨轨底的导波检测技术奠定了一定的基础.     

单舱矩形立式预制综合管廊力学性能研究

基于管廊原型单调静载试验和ABAQUS混凝土塑性损伤本构模型,建立了损伤因子与材料真实应力-应变之间的关系,对新型单舱矩形立式预制综合管廊结构的受力变形性能进行了数值计算分析,探明了管廊结构在单调静载作用下的破坏机理和荷载、应力集中和腋角钢筋设置对结构受力性能的影响。结果表明:预制管廊单调受力屈服破坏经过四个阶段,即内侧跨中的拉伸开裂屈服破坏、外侧跨中的压缩屈服破坏、腋角处的拉伸开裂破坏、钢筋的拉伸屈服破坏。其中,跨中处的屈服荷载是425kN,开裂荷载是360kN;跨中处开裂弯矩的试验值大于理论值和数值分析计算值,说明应用类似钢筋笼式的绑扎技术制成的预制管廊,结构整体性强,且提高了顶板、底板和侧墙的抗弯变形能力,可减少产生裂缝的几率;管廊四周腋角处钢筋的设置使得结构跨中的承载力提高了20%～30%,对管廊跨中结构起到了很好的加固作用,但增加过多腋角钢筋对提高承载力及减少裂缝产生的作用不明显。     

非均匀积污下高压绝缘子电位及电场分布特性

高压绝缘子在输变电工程中承担着绝缘的重要角色. 由于工业化的飞速发展, 雾霾和沙尘等天气的频繁出现, 污秽颗粒在大气流场的作用下在绝缘子表面沉积, 容易发生污闪事故, 严重影响着电网的安全运行. 将高压绝缘子污闪发生的主要过程-绝缘子的动态积污和表面电场畸变过程进行耦合分析, 探究污闪发生的机理. 建立绝缘子周围的欧拉-欧拉气固两相流模型, 对绝缘子动态积污过程进行数值模拟, 获得绝缘子表面的非均匀积污层分布; 创建其表面导电层单元, 结合有限元方法建立积污绝缘子电场模型, 对非均匀积污层分布的绝缘子串进行电位及电场分析. 研究结果表明: 在积污层非均匀分布情况下, 绝缘子表面积污层周向位置对其电位分布的趋势影响较小, 但对绝缘子表面电场畸变的发生位置影响较大. 随着周向位置的变化, 电场畸变位置的偏移也不同, 且侧风面电场畸变的偏移最大. 随着积污层电导率的增大, 电场强度大于清洁绝缘子表面的场强, 且背风侧的场强畸变最大.      

非均匀积污下高压绝缘子电位及电场分布特性

高压绝缘子在输变电工程中承担着绝缘的重要角色.由于工业化的飞速发展,雾霾和沙尘等天气的频繁出现,污秽颗粒在大气流场的作用下在绝缘子表面沉积,容易发生污闪事故,严重影响着电网的安全运行.将高压绝缘子污闪发生的主要过程—绝缘子的动态积污和表面电场畸变过程进行耦合分析,探究污闪发生的机理.建立绝缘子周围的欧拉-欧拉气固两相流模型,对绝缘子动态积污过程进行数值模拟,获得绝缘子表面的非均匀积污层分布;创建其表面导电层单元,结合有限元方法建立积污绝缘子电场模型,对非均匀积污层分布的绝缘子串进行电位及电场分析.研究结果表明:在积污层非均匀分布情况下,绝缘子表面积污层周向位置对其电位分布的趋势影响较小,但对绝缘子表面电场畸变的发生位置影响较大.随着周向位置的变化,电场畸变位置的偏移也不同,且侧风面电场畸变的偏移最大.随着积污层电导率的增大,电场强度大于清洁绝缘子表面的场强,且背风侧的场强畸变最大.     

康定机场地基土特征及其形成机制

拟建的康定机场位于青藏高原东缘、北西向展部的折多山的南西麓,控制标高4232.5m,是仅次于西藏邦达的世界 第二高机场。折多山由一花岗岩基组成,两侧被宽4～5km的巨型第四系坡积裙包围,康定机场位于其南西侧坡积裙上。坡 积裙的岩屑主要是通过崩滑脱离山体的,其演化趋势是完全覆盖折多山。除块石土、碎石土、角砾土及砂土外,地基土中还存 在一种由粒径30～100cm、次圆～次棱角状、表面粗糙的块石组成的特殊块石土,它在平面上有“石窝”、“石窝群”、“石河”及 “石海”等分布形式,垂向分布深度小于2m,其显著的自沉降现象对跑道稳定具有重要影响。特殊块石土是演化到一定程度 的坡积物经潜蚀作用形成的。四类正常土体及特殊块石土均属良好地基,潜蚀是导致其工程特性劣化及沉降的主要因素,地 基排水是今后工程施工的重点。     

微槽-吸气组合控制平板边界层多模态稳定性研究

边界层转捩会使高超声速飞行器壁面摩阻和热流显著增加,因此在高超声速飞行器设计过程中往往占据重要地位.针对高超声速飞行器多模态转捩控制问题,提出了微槽道(1 mm)与边界层吸气的组合控制方法,并通过直接数值模拟和线性稳定性理论研究了Ma=4.5平板边界层的稳定性及组合控制效果.边界层在无控状态时,同时存在失稳的第一、二模态波,且二维第二模态波最不稳定;单纯施加微槽道控制时,边界层第二模态波会被抑制但第一模态波会被略微激发.对比而言,采用“微槽-吸气”组合控制后,不仅增强了对第二模态波的抑制效果,而且减弱了第一模态波的激发程度;同时随着吸气强度的增加,第二模态波不稳定区域明显收缩、频率显著增高,而第一模态波则变化不明显.相较于单纯的微槽道,吸气增强了“微槽吸收”与“声波散射”作用,因此中等吸气强度下该组合控制方法对第一和第二模态波的增长率分别实现了12.63%和28.02%的抑制效果.以上结果表明“微槽-吸气”组合控制手段具有适用宽频、布置区域灵活的优点,展现出了一定的多模态控制效果.     

台风过境下大型单桩式海上风机结构动力特性研究

风机大型化是我国海上风电技术发展的重要方向. 东南沿海是我国海上风电发展的重要基地, 这一区域频繁发生的台风对海上风机的影响不可忽略. 台风风场与常规大风风场有不同的湍流特性, 同时台风期间较高的风速会引起巨大的台风浪. 本文考虑台风经过期间独特的风场及波浪场, 开展风浪联合作用对大型单桩海上风机影响的研究. 基于DTU 10 MW大型单桩风机, 运用一体化分析软件SIMA建立风浪联合作用下大型单桩风机的耦合数值模型, 研究台风经过不同阶段大型风力机的动力响应特性. 计算结果显示, 叶片变桨能有效降低台风经过时风机叶片所受风载荷, 变桨状态下单桩风机所受风载荷主要来源于塔筒. 在台风经过的不同阶段, 大型单桩海上风机结构表现出不同的动力特性. 台风全过程塔筒运动均受波浪激发一阶频率控制, 塔基上方结构动力载荷以惯性载荷为主, FOVS至FEWS阶段及BOVS阶段至BEWS阶段塔筒运动一阶频率处响应能量增长较小, 响应能量向低频及波频转移. 塔基下方泥面线处剪力响应受波频控制, 弯矩响应受一阶频率控制.      

不同钢轨材料的风沙冲蚀磨损与损伤行为研究

随着铁路的快速发展,风沙地区的铁路线路分布越来越广,在本文中采用气流喷砂式冲蚀试验机以天然混合沙对不同钢轨材料的风沙冲蚀磨损与损伤行为进行了研究. 结果表明:钢轨材料的冲蚀率随着冲蚀角度的增加先增加后减少;最大冲蚀率出现在30°~45°之间;抗风沙冲蚀磨损性能依次为热处理过共析钢轨>热处理U78CrV>热轧U71Mn>热处理U75V>热轧U75V;延性对热轧钢轨材料的抗冲蚀磨损性能的影响大于硬度,而硬度对热处理钢轨材料的影响大于延性,在线热处理可以提高U75V钢轨的抗冲蚀磨损性能;钢轨材料冲蚀损伤的主要特征为片屑、蚀坑、塑性流动及裂纹;钢轨材料在风沙冲蚀下展现出延性冲蚀模式,其材料去除机制主要为成片机制.      

基于实测载荷谱的重载铁路货车车钩钩尾框剩余寿命预测

随着我国重载铁路货车运行规模及开行频次的增加, 车钩钩尾框断裂破坏问题日益严重. 本文以国产16/17型车钩钩尾框(锻造E级钢)为研究对象, 首先通过系统的材料试验获得了锻造E级钢的基本力学性能和断裂性能参数; 其次建立了含初始裂纹缺陷的钩尾框有限元模型; 最后基于实测线路载荷谱, 采用NASGRO方程开展了伤损钩尾框剩余寿命预测. 计算结果表明: 当裂纹形貌比a/c为0.8, 0.5, 0.3时计算得到的车钩钩尾框剩余寿命逐渐减小, 疲劳裂纹从深度2 mm扩展至20 mm的计算剩余寿命分别为36, 32, 26万公里, 均不足一个段修期; 3种裂纹形貌比下裂纹扩展至12 mm后的剩余寿命占比均较小, 仅为总剩余服役里程的4.7%, 4.0%, 2.2%, 因此可将12 mm作为钩尾框损伤容限止裂判据较为合理; 为研究近门槛区对裂纹扩展寿命的影响, 当裂纹形貌比为0.5且初始裂纹的尺寸降低至0.5 mm时, 裂纹将处于裂纹扩展门槛区附近, 剩余服役里程约为156万公里, 约为2 mm初始裂纹的4.9倍, 跨越了三个段修期. 论文研究结果可为重载铁路货车钩尾框检修周期的优化提供基本参考.      

横向喷流对低速大攻角细长旋成体非对称气动特性影响研究

采用风洞试验和数值模拟相结合的方法,对雷诺数Re=55 000条件下细长旋成体有、无横向喷流时大攻角非对称特性进行了分析.通过风洞试验发现了旋成体在法向和侧向进行喷流时其大攻角非对称气动特性与无喷流时的区别,通过数值模拟方法对几个典型工况下旋成体有、无横向喷流时的非对称气动特性进行了分析,揭示了喷流对旋成体非对称流动分离的影响.通过风洞试验发现当细长旋成体进行法向控制时无喷流、喷流位于迎风区和喷流位于背风区的旋成体表现出了不同的非对称流动特性:首先喷流位于迎风区时攻角范围在20°～40°之间有喷流和无喷流旋成体所产生的侧向力方向相反,攻角大于40°之后侧向力系数的方向发生了改变,与无喷流时的侧向力系数方向相同,但是其绝对值要比无喷流时的侧向力系数小.其次喷流位于背风区时攻角在15°～35°之间有喷流时的侧向力系数绝对值要明显比无喷流时大,在随后的40°～70°之间旋成体侧向力系数变化规律与无喷流的趋势相似.当细长旋成体进行侧向控制时由于沿侧向的喷流所产生的直接力使得攻角范围在0°～20°之间和大于45°时有喷流的旋成体侧向力系数绝对值要比无喷流时大,但是攻角在25°～40°之间时旋成体...     

一种层流翼型附面层流动的数值模拟和实验研究

论文通过数值模拟方法对NACA6412层流翼型的低速绕流特性进行了研究,采用修正的BaldwinLomax湍流模型对来流速度为25m/s、8°迎角时翼型的流场、背风区的速度型分布、不同弦向位置附面层厚度的变化规律以及转捩位置进行了模拟,数值模拟结果与风洞实验结果具有一定的相关性.     

多孔介质壁面剪切湍流速度时空关联的研究

作为一个基础统计量,时空关联函数在湍流问题的研究中有着广泛的应用,是研究湍流噪声、湍流中物质扩散和大涡模拟亚格子模型等问题的重要参考.本文通过建立三维多孔结构壁面剪切湍流模型,采用含Darcy-Brinkman-Forchheimer作用力项的格子Boltzmann方程对无穷大多孔介质平行板之间壁湍流进行了数值模拟,进而研究其速度脉动时空关联函数的统计特性.一方面,根据计算得到的流场数据,对比分析了常规槽道湍流与多孔介质壁面槽道湍流的时间关联函数.另一方面,计算并讨论了不同孔隙率和渗透率的多孔介质壁面对速度脉动时空关联性的影响.通过研究表明:多孔结构壁面剪切湍流的时空关联函数等值线与椭圆理论相符;在研究参数范围内,多孔介质壁面的速度时空关联系数随着孔隙率增大而增大,随着渗透率增大而减小.同时发现在槽道壁面的近壁区、过渡区、对数律区和中心区等不同位置处,速度时空关联呈现较大差异性:越远离壁面位置(对数律区和中心区),其时空关联函数所呈现的关联等值线椭圆越细长,高值相关等值线越集中.多孔介质主要改变速度时空关联椭圆图像的椭圆率,说明多孔介质壁面主要影响湍流横扫速度.