采用数值模拟方法分别建立桥上静态和移动列车数值模型,基于2种模型研究不同风向角及风屏障对桥上列车和桥梁气动特性的影响规律。结果表明当风向角小于42°时,头车的阻力系数最大可达中车的1.5倍,且远大于尾车,因此头车是桥上列车运行时的关键部位,其行车安全受横风影响更大;2.05 m风屏障对列车和桥梁的气动特性影响十分显著,有效减小了移动列车和桥梁的表面风压和气动力,降低了横风对列车和桥梁的影响,有助于提高桥上列车的安全性;而对于桥上静态列车模型而言,在风向角为90°时列车的气动力和表面风压会因风屏障而增大;总体而言,合成风向角法可以在很大程度上反映列车在上游桥道运行时的气动特性,但受风屏障影响时该方法不再适用;当列车在桥上运行时,横风与列车风叠加产生的气动特性表现出十分显著的瞬态效应,静态模型无法揭示桥...

针对刚性风屏障会增加桥梁结构阻力和扭矩的问题,基于仿生学原理,设计一种开缝式柔性膜结构。采用测压试验,通过改变攻角等参数,系统地研究开缝式柔性膜结构对5∶1矩形柱体风压分布和气动力的影响,为推广开缝式柔性膜结构在扁平箱梁的应用提供依据。研究结果表明试验模型的水平对称性和流动二维性比较好,测压试验结果与已有试验结果吻合良好,可以用来分析柔性膜结构对矩形柱体气动力的影响。开缝式柔性膜结构不同位置处的风压系数有区别,其拍动引起的旋涡,加剧了外部气流同柱体表面气流的动量交换。无柔性膜结构时,矩形柱体各截面有较强的展向相关性,在攻角0°~10°范围,柱体表面具有大尺度展向旋涡脱落。柔性膜结构削弱了大尺度展向旋涡,降低了升力系数的展向相关性,是三分力系数减小的重要原因。单独一片柔性膜结构的影响区...

通过风洞实验研究三维柱体顶部前沿狭缝脉冲吸气对其气动力与尾流的控制效果。实验模型为高宽比H/d=5的方柱,均匀来流速度U∞=10 m/s,雷诺数Re=27000,狭缝入口吸气速度与来流风速相同。研究结果表明相对于无控制工况,脉冲吸气对柱体气动力有明显抑制作用;当脉冲吸气系数f*=0.2时,脉冲吸气与定常吸气对柱体气动力的抑制效果相当;随f*增大,柱体阻力与脉动升力仍有所减小,但减小幅度有限;顶部脉冲吸气不仅能明显削弱柱体顶部附近气动力,而且对柱体中下部气动力抑制效果比定常吸气对柱体气动力抑制效果好;顶部脉冲吸气在自由端剪切流中形成周期性大尺度涡结构,增强了自由流与尾流动量交换。

通过风洞实验研究了高宽比H/d=5的正方形棱柱顶部柔性薄膜颤振对柱体气动力特性的影响规律.模型宽度为40 mm,来流风速4~20 m/s,对应Reynolds数为10960~54800.柔性薄膜为厚度0.04 mm的高压聚乙烯膜,长度l=0.5~4 cm不等.实验发现,柔性薄膜的振动状态对三维方柱气动力特性有显著影响.低风速下,柔性薄膜不发生颤振,其对方柱气动力影响不大;随风速的增加,柔性薄膜发生颤振,方柱的时均阻力、脉动阻力和脉动侧向力最多分别减少约5%,25%和60%.柔膜发生颤振的临界风速随其长度增大而减小.只要柔膜发生颤振,其对柱体气动力的影响都是类似的,与其长度无关.流动可视化实验发现,薄膜的颤振改变了方柱绕流场,使柱体上半部分的反对称展向漩涡变为受膜拍动控制的对称结构,且越靠近自由端,此现象越明显.

为了研究柔性附属结构对51矩形柱体气动特性的影响,采用烟线法对矩形柱体的分离再附流动进行可视化研究。通过改变雷诺数Re、风攻角α等参数,对矩形柱体进行测压试验。研究结果表明柔性附属结构对矩形柱体绕流产生气动干扰作用,且随着Re增加,干扰作用更加明显;随着Re增加和α发生改变,柔性附属结构拍动形态主要包括稳定变形、尖部轻微摆动、中上部大幅度摆动、整体剧烈拍动、拍动并撞壁共5种;柔性附属结构可降低阻力系数,最大降幅为13.6%;柔性附属结构可降低升力系数,降低幅度与Re有关;矩形柱体受到的扭矩绝对值与单柱体时相比显著减小,最大降幅为98.5%。

利用大涡模拟(LES)方法研究了顶部定常狭缝吸气对正方形截面有限长柱体的气动力与绕流特性的影响规律。对比了吸气系数Q=0、1、3时的气动力特性及绕流情况,尤其是自由端附近的流动结构。Q=U/U∞,其中U为吸气狭缝入口风速,U∞为自由来流速度。研究发现,顶部定常吸气可以有效地抑制三维柱体气动力,且Q=1时抑制效果最为显著,相对于无控制工况,时均阻力C D、脉动阻力C′D和脉动升力C′L分别减少了3.92%、19.08%和40.88%。在Q=1时,柱体自由端负压和压力脉动最为显著,有利于柱体两侧形成上升流;顶面压力脉动最强有利于自由端剪切流与尾流间的动量交换,可以有效地抑制柱体展向涡脱落,减小柱体气动力;同时柱体顶面流动出现再附分离现象;而在Q=3时柱体顶面大部分区域流动分离被完全抑制。

在模型高宽比(H/d)为5,基于来流风速U∞与模型宽度d的雷诺数Red=6.0×104时,通过风洞试验研究2种湍流边界层中正方形截面高层建筑简化模型的气动力特性,并对模型表面脉动风压进行本征正交分解法(POD)分析。研究结果表明:湍流边界层中模型时均阻力系数Cd的最大值出现在自由端附近,脉动升力系数C1’的最大值出现在模型中间高度附近。不同湍流边界层中模型侧面中间高度处平均风压系数Cp与脉动风压系数Cp’的分布差异较大;在湍流度较小的工况C中,脉动升力的周期性较强,两侧风压脉动由反对称状态主导;在湍流度较大的工况A中,模型侧面可能出现间歇性再附,两侧风压脉动转变为对称状态主导,脉动升力减小,且周期性减弱。