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均匀吸气控制下后台阶流动的数值模拟

哈尔滨工业大学学报 2012年第4期44卷 23-27页

作者：郑朝荣张耀春张建胜张文元哈尔滨工业大学土木工程学院哈尔滨150090 浙江工业大学建筑工程学院杭州310014

为检验本文数值方法及其求解策略模拟均匀吸气控制下钝体绕流的可行性,分别采用基于LES(large eddy simulation)方法的DKEM(dynamic kinetic energy subgrid-scale model)模型和基于RANS(ReynoldsAveraged Navier-Stokes)方法的SST(shear stress transport)k-ω模型对均匀吸气控制下三维后台阶(backward-facing step,BFS)的流动分离和再附进行了数值模拟.比较了数值模拟和实验所得的平均风压系数分布和再附长度,结果表明:LES方法在本文精细网格下能得到较精确的预测结果;不同流量系数CQ的吸气控制均能较显著地减小后台阶流动的环绕区范围和再附长度,改善台阶后的流场结构;随着CQ绝对值的增加,吸气控制效果逐渐显著.

关键词：后台阶吸气控制数值模拟流动分离再附长度

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基于吸气控制的风力机叶片性能提升研究

安徽理工大学学报（自然科学版） 2023年第3期43卷 47-52页

作者：王龙张程程李亮王雪龙安徽理工大学机械工程学院安徽淮南232001 安徽理工大学力学与光电物理学院安徽淮南232001

为改善风力机叶片气动性能,提高风能利用系数,提出在叶片吸力面开槽施加吸气控制,采用计算流体力学(CFD)方法,研究不同来流风速下开槽叶片性能。结果表明,开槽叶片输出扭矩及风能利用系数相较于原始叶片实验值大幅增加,在较高风速(10m/s... 详细信息

为改善风力机叶片气动性能,提高风能利用系数,提出在叶片吸力面开槽施加吸气控制,采用计算流体力学(CFD)方法,研究不同来流风速下开槽叶片性能。结果表明,开槽叶片输出扭矩及风能利用系数相较于原始叶片实验值大幅增加,在较高风速(10m/s)时表现更为明显,风能利用系数提升32.2%,故吸气控制可有效提升叶片功率。分析开槽和原始叶片表面压力分布,发现低风速(5m/s)时,吸力面压力分布类似,叶片输出扭矩相差不明显,风速增加后会有差异。在10m/s风速下,吸气控制对吸力面的压力分布影响较大,靠近叶尖位置前缘处的负压峰值显著增大且低压区分布更广,吸力面与压力面的压差进一步增加,叶片输出扭矩更高。研究结果可为风力机叶片设计提供参考,对降低风电成本、促进风电技术的发展具有重要意义。

关键词：水平轴风力机计算流体力学吸气控制风能利用系数气动性能

上部吸气控制下超高层建筑的平均风荷载特性研究

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武汉理工大学学报 2015年第6期37卷 60-65页

作者：郑朝荣任凯武岳冯畅达哈尔滨工业大学结构工程灾变与控制教育部重点实验室哈尔滨150090

为减小超高层建筑的风荷载,改善结构的抗风性能,设计了一套吸气控制系统,完成了上部吸气控制下超高层建筑刚性模型的测压风洞试验,研究了不同风向角下吸气控制的几何参数和流量参数对模型的平均风荷载特性的影响规律。结果表明：吸气控... 详细信息

为减小超高层建筑的风荷载,改善结构的抗风性能,设计了一套吸气控制系统,完成了上部吸气控制下超高层建筑刚性模型的测压风洞试验,研究了不同风向角下吸气控制的几何参数和流量参数对模型的平均风荷载特性的影响规律。结果表明：吸气控制对吸气孔高度范围内的平均风压系数和层阻力系数的折减要显著大于非吸气控制段的风荷载折减;吸气流量系数CQ越大,吸气控制段的风荷载折减越显著,当CQ绝对值从0.004 57增大到0.017 4时,模型上部8~10层（吸气孔高度范围内）的层阻力系数最大折减值由0.094增大到0.231;在不同来流风向角下,吸气控制效果差异较大。因此,为实现吸气减阻,应根据建筑所在地的主导风向角确定最佳开孔方案。

关键词：超高层建筑吸气控制风洞试验风荷载折减系数

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钝体绕流场吸气控制机理试验研究

钝体绕流场吸气控制机理试验研究

作者：刘昌晨哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着社会经济的不断发展,超高层建筑正进入一个蓬勃发展的新时期。伴随着超高层建筑高度的不断增加,结构本身将变得更柔,对风荷载也更加敏感。因此,如何有效降低超高层建筑所受到的风荷载进而减小结构的风致振动响应对于超高层建筑的抗... 详细信息

随着社会经济的不断发展,超高层建筑正进入一个蓬勃发展的新时期。伴随着超高层建筑高度的不断增加,结构本身将变得更柔,对风荷载也更加敏感。因此,如何有效降低超高层建筑所受到的风荷载进而减小结构的风致振动响应对于超高层建筑的抗风设计来说意义重大。采用主动吸气控制的方法可以有效降低超高层建筑的风荷载,改善结构的抗风性能。关于吸气控制,前人的研究主要关注的是吸气控制效果以及各控制参数的影响,而对吸气控制机理的探讨还不够深入。此外,现有的研究主要针对有限长模型进行吸气控制,由于边界层来流的非均匀性、钝体绕流的三维流效应、以及吸气孔布置的空间不均匀性等多种因素的存在,将导致吸气控制的影响因素众多,吸气控制机理十分复杂。因此,为深入探讨钝体绕流场及气动力的吸气控制机理,应针对二维模型进行精细化研究。本文基于PIV技术对3类截面形式钝体模型的吸气控制机理进行了深入分析,并通过与实验结果的比较,验证了CFD数值模拟方法的准确性。所进行的主要工作如下:1、对已有的模型内部吸气管道进行了改良,以实现更为均匀的吸气控制。设计了3类截面形式(方形、圆形和椭圆形)共8个钝体试验模型及其风洞试验方案。此外,基于大涡模拟(LES)方法建立了圆形截面钝体模型吸气控制的CFD数值模拟方法,并对该方法进行了网格相关性检验与实验验证。2、完成了3类截面形式钝体模型的二维测压试验与PIV试验,研究了吸气孔位置与吸气流量系数Cq对模型表面风压分布、整体气动力系数以及周围流场特性的影响,并基于PIV试验所给出的流场可视化结果对吸气控制机理进行了深入分析。3、对风洞试验中圆形截面钝体模型的典型工况进行了准二维CFD数值模拟,并将数值结果与风洞试验结果进行对比分析。然后基于此方法从模型表面压力分布、整体气动力系数以及周围流场特性三个方面研究了吸气流量系数Cq与吸气孔宽度d对吸气控制效果的影响。

关键词：钝体绕流吸气控制机理 PIV试验 CFD数值模拟

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纸箱成形机的数控吸气控制

福州大学学报（自然科学版） 1995年第1期23卷 25-27页

作者：方宪国张学建福州大学无线电工程系

介绍纸箱自动生产线成形机中所采用的数控吸气时间控制系统，避免了由于吸气时间不准或过长致使纸板切槽、油印错位及被拉破损所造成的废品。

关键词：数字控制纸箱吸气控制生产线

定常吸气和组合气动控制下椭圆柱体的流动性能及控制机理研究

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定常吸气和组合气动控制下椭圆柱体的流动性能及控制机理研究

作者： Mahram Khan 哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

旋涡的交替脱落会在建筑的下游表面产生交替变化的低压区,并形成显著的横风向气动力。如果结构的自振频率与旋涡脱落频率一致,结构将发生大幅振动,并最终导致结构发生破坏。因此,本研究是围绕椭圆柱体绕流的流动特性及其旋涡脱落控制而... 详细信息

旋涡的交替脱落会在建筑的下游表面产生交替变化的低压区,并形成显著的横风向气动力。如果结构的自振频率与旋涡脱落频率一致,结构将发生大幅振动,并最终导致结构发生破坏。因此,本研究是围绕椭圆柱体绕流的流动特性及其旋涡脱落控制而开展的,通过对椭圆柱体的流场和旋涡脱落进行控制,从而解决土木工程结构抗风设计中的气动问题,改善其抗风性能。本文对4个雷诺数为6.90×10的椭圆柱模型(分别标记为E14模型)的气动性能和流场特性进行测压试验和PIV(particle image velocimetry,粒子图像测速)试验研究。对于E1,E2和E3模型而言,它们的长轴与来流方向平行,但吸气角位于不同的径向角(其中E1模型位于90°和270°,E2模型位于130°和230°,E3模型位于50°和310°)。对于E4模型而言,它的短轴与来流方向平行,且吸气角位于90°和270°。除此之外,3种气动控制措施被用来控制椭圆柱体的旋涡脱落,它们分别是吸气控制、被动气动控制(表面粗糙度)和组合气动控制(吸气+表面粗糙度)。分别对有无气动控制下的椭圆柱模型的表面风压系数分布、气动力系数及其功率谱密度函数等参数进行分析和比较,从而讨论不同试验模型的气动性能。此外,基于PIV试验结果,分析了有无气动控制下的椭圆柱体的时均流线图和瞬态流线图、归一化湍动能和涡旋强度,研究了椭圆柱体的流场特征。本文的主要工作包括以下4个方面:(1)吸气控制被用于减小椭圆柱体的风荷载,控制其旋涡脱落。分析了吸气孔方位角(E13模型)、吸气流量系数(C=0到C=0.05)和模型放置方向(E1和E4模型)对椭圆柱体的气动力和尾流特征的影响。结果表明:当吸气流量系数由零增加到较小量时,多数模型的平均阻力系数显著减小,其中C=0.01时,E1模型的平均阻力系数由0.689减为0.420,折减率为39.0%;C=0.02时,E2模型的平均阻力系数由0.668减为0.109,折减率为83.7%;C=0.01时,E4模型的平均阻力系数由1.563减为0.696,折减率为55.5%。此外,当吸气孔向下游移动时,即从50°(E3模型)到90°(E1模型),再到130°(E2模型),吸气控制模型的平均阻力系数同样剧烈减小,其中E2模型在C=0.02时的平均阻力系数比相应的E1模型和E3模型分别小72.5%和76.3%。最后,给出了上述吸气控制模型的可视化流场,详细解释了不同气动性能的原因。(2)对3种表面粗糙度(相对粗糙度分别为k/D=0,5.3×10和1.15×10)的椭圆柱体的气动特性和流场特征进行试验研究,分析了表面粗糙度的影响。结果表明:增加表面粗糙度对减小气动力系数具有显著效果,其中相对粗糙度为k/D=1.15×10的模型相对于光滑模型(k/D=0)而言,可减小平均阻力系数32.9%、脉动阻力系数26.2%,以及脉动升力系数19.8%,具有较好的气动力控制效果。此外,PIV试验结果也验证了粗糙度能有效减小湍动能和控制旋涡脱落。(3)对不同组合气动控制下(表面粗糙度+吸气控制)椭圆柱体的气动特性和流场特征进行试验研究,分析了吸气流量系数、吸气孔位置和表面粗糙度的影响。结果表明:不同模型的平均阻力系数折减非常显著,其中E1、E2和E3模型的阻力系数最大折减分别可达86.6%、100%和30%,证明了组合气动控制比单纯的吸气控制或表面粗糙度措施更有效。(4)采用大涡模拟(LES)方法对椭圆柱体的吸气控制进行CFD数值模拟,分析了不同吸气孔位置(吸气孔以10°为间隔从70°增加到110°,对应的椭圆柱体被标记为H15模型)对气动性能和流场特征的影响。采用风洞试验结果验证本文LES方法的准确性。结果表明:吸气孔位于模型背风面时(比如H5模型)的吸气控制效果明显优于吸气孔位于模型迎风时的(比如H1模型),吸气控制下H5模型的平均阻力系数和脉动升力系数分别为H1模型的12.7%和56.0%,可见吸气孔位置的影响非常显著。

关键词：椭圆柱体吸气控制组合气动控制表面粗糙度 PIV试验风荷载钝体绕流

主动吸气与被动气动控制下超高层建筑风荷载特性研究

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主动吸气与被动气动控制下超高层建筑风荷载特性研究

作者：张继同哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

为了缓解人口与建设用地之间的矛盾,超高层建筑正越来越受到人们的青睐。由于建造技术的进步和新型高强轻质材料的使用,超高层建筑的高度也一次次打破极限,向着更高的方向发展。当建筑物的高度越来越高时,风荷载就逐渐成为其结构设计中... 详细信息

为了缓解人口与建设用地之间的矛盾,超高层建筑正越来越受到人们的青睐。由于建造技术的进步和新型高强轻质材料的使用,超高层建筑的高度也一次次打破极限,向着更高的方向发展。当建筑物的高度越来越高时,风荷载就逐渐成为其结构设计中的决定性因素。采用气动措施改善超高层建筑的抗风性能是一种非常有效的手段,而气动措施又可以分为被动气动控制和主动气动控制两种形式。对于被动气动控制,风工程学者们已经开展了广泛的研究,而有关主动气动控制方面的研究才刚刚开始,有待深入。本文正是在这样的背景下开展研究的。为减小超高层建筑的风荷载,改善其抗风性能,本文把主动吸气控制与被动气动控制这两种方法有机地结合起来,研究了其对超高层建筑风荷载特性的影响。本文的主要工作包括以下四个方面:1、对已有的吸气控制装置进行了改进,实现了更大功率的吸气控制。基于等高等体积的原则设计了5种超高层建筑刚性模型(包括基准模型、凹角模型、切角模型、锥台模型和Y型模型)以及风洞试验方案,并采用CFD方法分析比较了几何参数(凹角率、切角率以及锥度)对模型平均风荷载特性的影响,基于CFD结果确定了模型的具体几何参数。2、完成了被动气动控制下5种超高层建筑模型的同步测压风洞试验。基于试验结果,分析了被动气动控制和风向角对模型平均风荷载特性、脉动风荷载特性和极值风压特性的影响。3、完成了主动吸气与被动气动控制联合作用下5种超高层建筑模型的同步测压风洞试验。基于试验结果,分析了吸气流量系数和风向角对模型平均风荷载特性、脉动风荷载特性和极值风压特性的影响,并与被动气动控制下对应模型的风荷载特性进行了比较,证明了主/被动气动控制的优越性。4、利用基于RSM湍流模型的RANS方法对风洞试验的典型工况进行CFD数值计算,然后分别从表面平均风压系数、层平均风压系数和整体气动力系数三个方面与风洞试验结果进行了比较,相互验证了CFD方法的可行性以及试验的准确性。之后,利用CFD方法探究了凹角吸气模型和Y型吸气模型的吸气孔位置的合理性。最后利用流场的可视化,通过对各模型周围的流场和湍动能场的分析,解释了被动气动控制和主动吸气控制的机理。

关键词：超高层建筑被动气动控制吸气控制风洞试验 CFD数值模拟

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超紧凑S弯收扩喷管流动机理及控制方法研究

工程热物理学报 2018年第8期39卷 1718-1724页

作者：王占学俞梦哲史经纬周莉孙啸林西北工业大学动力与能源学院西安710072

基于CFD数值模拟技术,对超紧凑S弯收扩喷管的流动机理进行了研究,并针对流场中出现的流动分离现象,采取吸气的流动控制方法并详细分析了吸气位置、角度及压比对控制效果的影响。结果表明:在喷管第一弯上壁面及第二弯下壁面附近存在局部... 详细信息

基于CFD数值模拟技术,对超紧凑S弯收扩喷管的流动机理进行了研究,并针对流场中出现的流动分离现象,采取吸气的流动控制方法并详细分析了吸气位置、角度及压比对控制效果的影响。结果表明:在喷管第一弯上壁面及第二弯下壁面附近存在局部加速区域;在喉部法向截面上存在横向涡,第一弯后出现流动分离,形成分离区;在分离区前做吸气控制时,能基本吸除分离区,该位置吸气比为3、吸气角度为45°吸气时控制效果最好,总压恢复系数和推力系数相对原型分别提高约1.08%和3.71%。

关键词： S弯喷管流动机理流动分离吸气控制

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HLFC后掠翼优化设计的若干问题

航空学报 2018年第1期39卷 150-163页

作者：杨一雄杨体浩白俊强史亚云卢磊西北工业大学航空学院西安710072

使用扩展自由变形参数化方法,基于径向基函数的动网格技术和改进的混合粒子群算法,考虑吸气的e^N转捩预测方法和雷诺平均Navier-Stokes求解器,搭建了针对混合层流流动控制(HLFC)后掠翼的优化设计平台,对HLFC后掠翼的气动外形设计、雷诺... 详细信息

使用扩展自由变形参数化方法,基于径向基函数的动网格技术和改进的混合粒子群算法,考虑吸气的e^N转捩预测方法和雷诺平均Navier-Stokes求解器,搭建了针对混合层流流动控制(HLFC)后掠翼的优化设计平台,对HLFC后掠翼的气动外形设计、雷诺数影响、吸气分布设计等多个问题进行了研究,对比分析了在这些因素影响下HLFC后掠翼的阻力系数和层流区长度的差别,进而探索了相应的设计准则。研究表明,对于层流区较长和阻力系数较小的HLFC后掠翼来说,它们上表面的压力分布具有共同的特征:头部峰值较低,之后有一个小的逆压,接下来是一段较长的均匀稳定的顺压,这段顺压最后终结于一道激波。应用HLFC技术后,通过实现大面积的层流区,机翼的摩擦阻力和压差阻力均可显著地降低,降低的幅度远大于不考虑层流控制的设计结果。同时,HLFC机翼的设计应综合考虑摩擦阻力、压差阻力、激波强度和配平阻力(低头力矩),层流区最长不一定意味着阻力最小。一般来说,雷诺数越高,越难维持层流,但应用混合层流控制技术后,即使在难以实现自然层流的高雷诺数下,HLFC机翼依然有较长的层流区。通过对吸气分布的设计进行研究,说明了非均匀吸气比均匀吸气要更有效率一些,能够节省吸气量。

关键词：混合层流流动控制(HLFC) e^N方法机翼优化设计扩展自由变形径向基函数吸气控制