考虑结构自重的基于NURBS插值的3D拓扑描述函数法

在许多如大坝、桥梁等大型土木工程结构中,结构的自重是初始设计阶段必须考虑的重要载荷之一,因此研究自重载荷作用下的结构拓扑优化设计问题具有十分重要的意义.针对考虑自重载荷作用的拓扑优化问题所面临的主要困难,总结了现有处理考虑自重载荷的拓扑优化问题的三类主要方法;提出一种基于非均匀有理B样条(non-uniform rational B-splines,NURBS)基函数插值的拓扑描述函数方法,基于此方法研究了考虑设计依赖自重载荷作用的2D/3D结构优化设计问题.在列式下,高阶NURBS基函数被同时用于三维NURBS实体片中的几何场、位移场及设计变量场插值,实现了几何模型、分析模型和优化模型的有效统一,确保了位移场及设计变量场的高阶连续性;详细推导了基于NURBS基函数插值的考虑自重载荷作用的三维结构拓扑优化模型及其灵敏度列式,并采用移动渐进线方法(method of moving asymptotes,MMA)进行了优化求解;多个算例验证了方法的有效性和稳定性,结果表明,优化迭代过程稳健,收敛快,能够有效地克服自重载荷作用下连续体结构拓扑优化中经常遇到的低密度区域材料的寄生效应及目标函数的非单调性等问题.     

高速列车致声屏障风压变化和分布特性研究

高速列车致声屏障在极短的时间内受到交变气动力作用,一旦声屏障因强度或疲劳破坏而失效,有可能危及行车安全,因此准确评估高速列车致声屏障的脉动风压分布是结构设计需考虑的关键要素．利用数值风洞技术,模拟了道路及桥梁两侧分别布置5m、3.5m高声屏障,350km/h的列车通过时致声屏障的极值风压分布特性．研究结果表明列车驶过声屏障会产生气流挤压的正压波及气流填充的负压波,正压数值较负压数值大;极值风压随声屏障高度的增加而减小,且列车中心与声屏障的距离、声屏障的高度都会明显减弱极值风压的数值;两列车的交会相比单列车的通过,会更明显地挤压声屏障区域内的气流,从而在声屏障上产生更大的极值风压,且随着列车与声屏障距离的靠近,挤压增大极值风压的特性表现更为明显．最终通过选取京沪高铁试验段,进行相关的现场高速列车致声屏障极值风压试验测试,试验结果验证了数值模拟结果的准确性．     

时变来流条件下大气边界层流动大涡模拟

采用大涡模拟方法,利用平坦地面模型和带楔形结构的粗糙地面模型研究近地面空间风场特征.结果表明,在时变来流条件下,平坦地面模型和粗糙地面模型均在阵风峰期产生下沉气流,在阵风谷期产生上升气流;垂直气流大小与下垫面粗糙度和水平来流风速变化幅度有关.大气边界层内风场的风速大小和方向总是随时间变化的,与稳定来流假设相比,随时间变化的来流条件下边界层的流动更有利于边界层内物质和能量的输运.     

鹅掌楸树叶在风中的变形与振动

树叶的空气动力与流固耦合特性研究在树木保护、新发电技术开发、太阳能帆板设计等方面具有重要意义.Vogel首次发现树叶在较高风速下具有形状重构以避免受损害的能力.Vogel实验时叶柄端部是简支的,与叶柄与树枝的自然连接方式不同.在本文的研究中,叶柄端部是固支的,叶片垂直悬挂,正面或反面迎风.在风速0～27 m/s范围内,存在两种叶片静止状态,即飞翼形稳定和锥形稳定;还有3种叶片振动状态,即低频摆动、第1和第2高频振动.这5种状态由5个临界风速决定.通过70余片树叶测试结果的统计,得到了树叶每个状态存在的概率,及每个临界风速的期望值.流动显示发现树叶变形后其尾流中存在旋涡脱落现象.天平测量发现叶片阻力系数随叶片雷诺数的增大而减小并逐渐接近于0.1.引入悬臂梁模型,采用测量的叶片气动力,对叶柄静态弯曲形状进行计算,结果表明当风速由0逐渐增至5 m/s时,叶柄向下游弯曲迅速;但风速由5 m/s进一步增大时,向下游的弯曲则变慢.     

Flow behind magnetogasdynamic exponential shock wave in self-gravitating gas

The propagation of a cylindrical (or spherical) shock wave driven out by a piston moving with time according to an exponential law, in a self-gravitating ideal gas with azimuthal magnetic field is investigated. The initial magnetic field is assumed to be varying according to an exponential law. Solutions are obtained for both the cases of isothermal and adiabatic flows. The effects of variation of ambient magnetic field, gravitational parameter and adiabatic exponent are worked out in detail. It is manifested that the increase in strength of ambient magnetic field has decaying effect on the shock wave however increase in the value of gravitational parameter has reverse effect on the shock strength. The compressibility of the medium is increased in the presence of gravitational field. Also, a comparison between the solutions obtained in the case of isothermal and adiabatic flows is done. Density, pressure, velocity and magnetic field increases, however mass decreases as we move inward from the shock front towards the piston.     

On the use of spires for generating inflow conditions with energetic coherent structures in large eddy simulation

While it has long been a practice to place spires near the inlet of a wind tunnel to quickly develop a turbulent boundary layer with similarities to an atmospheric boundary layer, this has not been the case for creating turbulent boundary layer inflow in large eddy simulations (LESs) of turbulent flows. We carry out LES with the curvilinear immersed boundary method to simulate the flow in a wind tunnel with a series of spires in order to investigate the feasibility of numerically developing inflow conditions from a precursory spire LES and assessing the similarities of the turbulence statistics to those of an atmospheric boundary layer. The simulated mean velocity field demonstrates that a turbulent boundary layer with height equal to the spire height develops very quickly, within five spire heights downstream. The major attribute of using spires for precursory simulations is the spatially evolving coherent structures that form downstream of the spires offering a range of length scales at both the vertical and streamwise directions allowing multiple turbulent inflow conditions to be extracted from a single simulation. While the distribution of length scales far from the spires resembles an atmospheric boundary layer, some turbulence statistics have some significant differences.     

基于PXI总线的Φ0.5米高超声速风洞测量系统研制与应用

测量系统是风洞中必不可少的重要的设备之一,其性能对风洞试验的准确性、可靠性和运行效率具有至关重要的影响。近年来,Ф0.5米高超声速风洞原有测量系统逐渐暴露出精准度下降、软件通用性不足、维护不便等缺点,已不能完全满足日益复杂的风洞试验需求。针对此情况,该风洞重新研制建立了一套基于PXI总线的64通道的测量系统,并通过严格测试投入应用,该系统的应用在一定程度上提高了试验数据测量的准确性、可靠性和自动化程度,拓宽了Ф0.5米高超声速风洞的综合性能。     

某结冰风洞喷雾水压控制系统设计

喷雾系统作为某结冰风洞关键子系统之一,用以模拟高空云雾环境,其喷嘴前端水压控制精度和快速稳定性对提高云雾均匀性和风洞试验效率具有重要意义。针对该风洞喷雾水压系统设备数量多、布局分散的特点,设计了主从控制网络拓扑结构;针对系统指标要求高、环境条件严苛的特性对调节阀执行机构的定位精度、控制系统的可靠性等进行了设计,最后分析了系统多支路并联调压的特性,提出了控制策略,并基于分段PID算法实现了喷雾水压的精确和快速控制。该设计方法对复杂工况下风洞系统设计以及多支路并联调压系统的设计具有借鉴作用。     

两种不同弦长螺旋桨的风洞试验及分析

本文介绍了两种不同弦长螺旋桨的风洞试验结果。试验在西北工业大学NF-3风洞的三元试验段进行,试验风速分别为V=20m/s、30m/s和40m/s,每个风速下,螺旋桨旋转速度为:900r/min、1200r/min、1500r/min、1800r/min、2100r/min、2400r/min、2700r/min、3000r/min、3300r/min、3600和3900r/min。风洞试验结果表明:当两种螺旋桨的翼型相同、桨叶角沿径向分布相同,但弦长沿径向的分布不同时,它们的拉力、扭矩、功率、效率以及前进比会有显著区别。其中,1#螺旋的弦长大于2#螺旋桨,在相同的试验风速和螺旋桨转速下,1#螺旋桨的拉力、扭矩和功率高于2#螺旋桨,但效率低于2#螺旋桨。     

基于流场定常化的桥梁颤振分析简化数值方法

基于数值方法实现快速有效地分析评价大跨桥梁颤振稳定性.针对强迫振动法识别颤振导数试验中的大跨桥梁二维节段模型.利用RNG κ-ε湍流模型并采用有限体积法求解桥梁模型绕流二维不可压缩流体Navier-Stokes方程.通过计算桥梁断面模型在周期运动中少数离散时刻的气动力,利用最小二乘法计算颤振导数,采用SCANLAN方法求解颤振临界风速,最终进行颤振稳定性分析.通过该方法计算出了丹麦Great Belt East桥和我国虎门大桥的颠振临界风速.计算结果与已有试验结果十分接近,进而验证了该数值方法的有效性和可靠性.