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基于Virtual Boundary方法的钝体绕流数值模拟

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长安大学学报（自然科学版） 2014年第1期34卷 56-63页

作者：杨青曹曙阳孙丽明同济大学土木工程防灾国家重点实验室上海200092

为将基于力源拟化边界思想的浸入边界法应用于工程结构空气绕流模拟,如桥梁结构,选定适用于刚性边界的浸入边界算法(Virtual Boundary Method),结合交错网格及时间分步法,重点借助双线性插值实现拉格朗日点与欧拉点之间的数据传递以形... 详细信息

为将基于力源拟化边界思想的浸入边界法应用于工程结构空气绕流模拟,如桥梁结构,选定适用于刚性边界的浸入边界算法(Virtual Boundary Method),结合交错网格及时间分步法,重点借助双线性插值实现拉格朗日点与欧拉点之间的数据传递以形成物体边界。分析其浸入边界形成机理和模拟结果,逐次展开对静止方柱、圆柱绕流及有风攻角的方柱绕流的数值模拟,最后完成对桥梁断面的绕流模拟。研究结果表明:在Virtual Boundary算法模型作用下,物体边界形成仅需0.6s,且符合无滑移壁面边界设定;物体内部流体隔绝于外部流动,流动衰减,仅起到光滑函数作用;方柱、圆柱、有风攻角的方柱绕流在该算法模型下所得流动现象与气动力和过往文献相同;对于桥梁断面,升力系数随风攻角增大有显著提升,3°攻角下尾部流场产生扰动出现明显的流场非对称性,攻角的改变并不影响断面尾部的旋涡脱落频率。

关键词：桥梁工程绕流模拟 Virtual Boundary方法数据传递

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龙卷风风场的试验模拟

同济大学学报（自然科学版） 2014年第11期42卷 1654-1659页

作者：王锦周强曹曙阳操金鑫同济大学土木工程防灾国家重点实验室上海200092

为试验研究龙卷风气流特性及其作用于结构上的风荷载,建立了新型龙卷风模拟器（TVS）.该模拟器主要由顶部悬吊的控制风机、环状管道以及导流板组成;并设置水平轨道,使其可以0.4m＆#183;s-1的最大速度在水平方向移动.基于该龙卷风模拟器... 详细信息

为试验研究龙卷风气流特性及其作用于结构上的风荷载,建立了新型龙卷风模拟器（TVS）.该模拟器主要由顶部悬吊的控制风机、环状管道以及导流板组成;并设置水平轨道,使其可以0.4m＆#183;s-1的最大速度在水平方向移动.基于该龙卷风模拟器,试验中采用眼镜蛇探头测试了涡流比从0.11到0.54（导流板角度20＆#176;～60＆#176;）情况下的龙卷风风场,并与1998年5月30日发生在南达科他州Spencer的龙卷风,1999年5月3日发生在俄克拉荷马州Mulhall的龙卷风以及2003年6月24日发生在南达科他州Manchester的龙卷风多普勒雷达观测数据进行了比较.结果表明切向速度和静压均符合真实龙卷风分布.由此说明该模拟器可产生稳定的龙卷风涡旋,可用于龙卷风风场的模拟.

关键词：龙卷风模拟器龙卷风涡旋流场结构涡流比

基于浸入式边界方法的串联双矩形柱绕流数值模拟

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物理学报 2014年第21期63卷 229-238页

作者：杨青曹曙阳刘十一同济大学土木工程防灾国家重点实验室上海200092

基于浸入式边界算法(Virtual Boundary Method)中力源反馈边界的思想,改进其原有内部流体处理方法以减少计算耗费,并结合非等间距网格以便工程应用计算,模拟雷诺数范围内(Re=200—103)串联双矩形柱绕流,研究表明:Re=200—300时,前柱尾... 详细信息

基于浸入式边界算法(Virtual Boundary Method)中力源反馈边界的思想,改进其原有内部流体处理方法以减少计算耗费,并结合非等间距网格以便工程应用计算,模拟雷诺数范围内(Re=200—103)串联双矩形柱绕流,研究表明:Re=200—300时,前柱尾流涡脱处于双剪切层控制阶段;柱间涡街为Karman类涡街,在小间距条件下被抑制,形成涡环;前柱对后柱屏蔽效应体现为后柱阻力系数远小于前柱;临界间距时柱间涡街充分发展,后柱阻力系数等气动参数亦在此发生跃升,但仍小于前柱值;随雷诺数升高,尾流涡街尺寸缩小,临界间距及跃升幅度变小.Re=400时,前柱尾流涡脱进入冲击剪切层控制阶段,阻力系数不再呈现规律性振荡;此后随雷诺数升高,冲击剪切层逐步完善,前柱流动分离使其表面产生更多附着涡,导致尾流旋涡尺寸进一步减小,屏蔽效应消失,涡脱更为剧烈,进而对后柱产生脉动冲击效应;适当间距比条件下此类脉动冲击效应使得后柱阻力系数发生跃升,并略高于前柱.

关键词：浸入式边界算法串联双矩形柱屏蔽效应临界间距

微分求积模拟二维流体中流函数约束的施加方法研究

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振动与冲击 2017年第8期36卷 173-178页

作者：王通何涛曹曙阳上海师范大学建筑工程学院上海201418 同济大学土木工程防灾国家重点实验室上海200092 伯明翰大学工学院英国伯明翰B152TT

采用微分求积法数值求解流函数-涡度方程来模拟二维流体时会遇到流函数的超约束问题,即虽然流函数方程为二阶偏微分方程,但在每个固体边界上都存在两个约束条件:一个Dirichlet条件和一个Neumann条件。以二维驱动方腔流动为例,对该问题... 详细信息

采用微分求积法数值求解流函数-涡度方程来模拟二维流体时会遇到流函数的超约束问题,即虽然流函数方程为二阶偏微分方程,但在每个固体边界上都存在两个约束条件:一个Dirichlet条件和一个Neumann条件。以二维驱动方腔流动为例,对该问题进行深入分析,进而提出一种新的超约束处理方法,即在边界涡度的计算中考虑Neumann条件,而仅将Dirichlet条件施加于流函数方程。数值结果显示该方法可行,且计算效率较高。同时给出前人提出的单层法和双层法进行比较。试算表明单层法对于网格数的奇偶性很敏感,不适于处理该问题。与双层法对比后发现:该方法计算精度较高,且由于回避了超约束问题而更加方便于使用。

关键词：微分求积流函数-涡度方程方腔流边界条件超约束

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高雷诺数下方柱绕流特性的数值模拟

西南交通大学学报 2018年第3期53卷 533-539页

作者：周强廖海黎曹曙阳西南交通大学风工程四川省重点实验室四川成都610031 同济大学土木工程防灾国家重点实验室上海200092

为研究高雷诺数为22 000下方柱周围流场形态及气动力特性,基于开源计算流体动力学(computational fluid dynamic,CFD)软件Open Foam平台,采用基于动态亚格子模型的大涡模拟(large eddy simulation,LES)方法,对均匀来流作用下的方柱绕流... 详细信息

为研究高雷诺数为22 000下方柱周围流场形态及气动力特性,基于开源计算流体动力学(computational fluid dynamic,CFD)软件Open Foam平台,采用基于动态亚格子模型的大涡模拟(large eddy simulation,LES)方法,对均匀来流作用下的方柱绕流进行了三维数值模拟.首先,通过对基于时间积分的平均积分分量的比较,验证了本数值计算的准确性;其次,深入分析了方柱周围及其尾流区的流场结构,给出了流场结构的平均和湍流特征,并在此基础上,研究了其气动力特性;最后,分析了两种长径比下表面压力的展向空间相关性.研究结果表明:雷诺数为22 000下方柱尾流区回转长度为1.37倍方柱宽度,Strouhal数为0.121,脉动升力系数为1.40;展向长度取8倍方柱宽度可更准确地获得周围湍流特性.

关键词：方柱绕流大涡模拟流场特性尾流结构空间相关性

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湍流强度对桥梁断面气动力特性的影响

哈尔滨工业大学学报 2023年第3期55卷 20-28页

作者：王伟拓曹曙阳操金鑫同济大学土木工程学院上海200092 土木工程防灾国家重点实验室(同济大学) 上海200092

桥梁结构处于大气边界层中,由于断面外形复杂、折点较多,其绕流常呈现复杂的流动分离和再附着状态,应评估来流湍流对桥梁断面气动特性的影响。基于节段模型测压风洞试验,获取了均匀流场和3种格栅湍流场下模型表面平均和脉动压力分布,评... 详细信息

桥梁结构处于大气边界层中,由于断面外形复杂、折点较多,其绕流常呈现复杂的流动分离和再附着状态,应评估来流湍流对桥梁断面气动特性的影响。基于节段模型测压风洞试验,获取了均匀流场和3种格栅湍流场下模型表面平均和脉动压力分布,评估了桥梁断面气动力特性的改变,分析了不同风场下断面流动分离再附着的变化。研究发现:湍流显著改变桥梁断面前缘(特别是零度和正攻角时上表面和负攻角时下表面)的分离和再附着特性,进而影响桥梁整体断面的气动力特性;随着湍流强度增加,前缘分离点的平均压力系数的幅值增大,而再附着点向上游移动;湍流强度对分离和再附着的影响程度随着风攻角的增大而变得显著;三分力系数在小风攻角时受湍流强度影响较小,在大风攻角下湍流强度的影响较大,变化的主要原因是断面前缘的压力分布变化。

关键词：湍流桥梁断面气动力攻角流动分离再附着

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亚临界雷诺数下圆柱体尾流结构的数值模拟

同济大学学报（自然科学版） 2013年第1期41卷 33-38页

作者：周强曹曙阳周志勇同济大学土木工程防灾国家重点试验室上海200092

在典型亚临界雷诺数下,运用基于Smagorinsky亚格子模型的大涡模拟(LES)方法,对均匀来流作用下的圆柱体绕流问题进行三维数值模拟.通过比较基于时间积分的平均积分分量,验证了数值计算结果的准确性,然后分析了尾流区的流场结构,并给出了... 详细信息

在典型亚临界雷诺数下,运用基于Smagorinsky亚格子模型的大涡模拟(LES)方法,对均匀来流作用下的圆柱体绕流问题进行三维数值模拟.通过比较基于时间积分的平均积分分量,验证了数值计算结果的准确性,然后分析了尾流区的流场结构,并给出了平均流场以及湍流流场的流场特征.此外,解释了数值结果与早期试验结果间存在微小差异的原因,同时指出回转长度是尾流结构特性中最重要的特征参数.

关键词：圆柱绕流大涡模拟(LES) 尾流结构回转长度平均积分分量

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主动来流闭口箱梁气动力时频相关性

同济大学学报（自然科学版） 2014年第3期42卷 338-345页

作者：许坤赵林葛耀君曹曙阳同济大学土木工程防灾国家重点实验室上海200092

基于主动控制的多风扇和振动格栅装置模拟了14种同步二维湍流场,同步测量了参考点处流场特性及相应断面气动力,从时域和频域2个角度分析了荷载展向相关性与来流特性之间的关系,研究发现,来流相关性与气动力相关性并不相同;气动力相关性... 详细信息

基于主动控制的多风扇和振动格栅装置模拟了14种同步二维湍流场,同步测量了参考点处流场特性及相应断面气动力,从时域和频域2个角度分析了荷载展向相关性与来流特性之间的关系,研究发现,来流相关性与气动力相关性并不相同;气动力相关性之间也互不相同.气动力相关性受来流特性影响显著,在大积分尺度来流下,脉动风及荷载空间相干函数并不满足传统e指数形式.为了考虑来流特性对气动力相干函数的影响,提出了一种相干函数模型,较之传统模型,该模型可以反映来流特性对空间相干函数的影响以及气动力与脉动风相干函数间的差异.

关键词：主动风洞闭口箱梁气动力空间相关性

基于浸入边界算法的振动二维矩形柱绕流模拟研究

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振动与冲击 2018年第14期37卷 254-261页

作者：杨青曹曙阳周军文安徽建筑大学土木工程学院合肥230601 同济大学土木工程防灾国家重点实验室上海200092 常州工学院常州市建设工程结构与材料性能研究重点实验室江苏常州213032

利用浸入边界算法,编写出可在静止网格中计算动边界绕流问题的数值模拟程序,对竖向正弦强迫振动矩形柱(Re=UD/v=10~3、振幅恒定、边长比B/D=1,3,5)展开绕流模拟,以探究边长比效应对矩形柱气动特性的影响。研究发现:柱体锁定区随边长比... 详细信息

利用浸入边界算法,编写出可在静止网格中计算动边界绕流问题的数值模拟程序,对竖向正弦强迫振动矩形柱(Re=UD/v=10~3、振幅恒定、边长比B/D=1,3,5)展开绕流模拟,以探究边长比效应对矩形柱气动特性的影响。研究发现:柱体锁定区随边长比增大而发生变化,在B/D=3时,出现多级锁定现象;不同边长比矩形柱运动均会抑制同方向涡的产生;由于流动再附,B/D=3,5时,矩形柱侧面压力分布出现曲线特征;振动频率越高,柱体侧面前缘负压特征越明显,其侧面压力曲线分布特征亦同时增强;不同边长比矩形柱阻力系数均在接近自然涡脱频率处发生峰值效应。

关键词：浸入边界算法振动矩形柱边长比锁定区表面压力