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作者：杨雄骏厦门大学

学位级别：硕士

输电塔线体系作为国家电力系统的一个关键组成部分,是承担着电力运输的生命线工程,具有柔性大、重量轻、低阻尼等特点。输电塔线体系结构动力响应对风荷载敏感,风荷载是其结构设计不得不考虑的关键环境因素。而风致作用下输电塔线体系... 详细信息

输电塔线体系作为国家电力系统的一个关键组成部分,是承担着电力运输的生命线工程,具有柔性大、重量轻、低阻尼等特点。输电塔线体系结构动力响应对风荷载敏感,风荷载是其结构设计不得不考虑的关键环境因素。而风致作用下输电塔线体系运动机理十分复杂,易于引发导线发生大幅舞动进而引起输电塔失稳毁坏,这将造成极大影响和导致严重的国家经济损失。因此,随机风场的模拟是输电塔线体系等复杂工程结构随机动力分析和可靠性评估的关键环节。目前平稳风场模拟研究中,虽然插值方法在改进Cholesky分解方面得到了广泛的应用,但是未有将插值方法与脉动风场模拟降维方法相结合的研究。在实际工程中的出现的风荷载往往具有非平稳的统计特性,并且作为非平稳随机过程进行模拟,特别是如龙卷风、台风、下击暴流等极端风环境,非平稳特性更加突出。非平稳风荷载的模拟研究也愈发受到重视,而准确高效的非平稳过程的数值模拟是对结构在非平稳风荷载下的气动特性研究的前提。非平稳风荷载的模拟可为复杂风场环境作用下的结构系统响应研究提供系统输入的有效方法,因此无论在理论方法还是工程应用方面,都具备相当重要的价值。已有研究在实测非平稳风场中发现相干函数存在时变性,但是目前关于时变相干函数的非平稳风场模拟都是基于传统的谱表达法,模拟效率仍然有待提高。输电导线在风雨雪等多重环境荷载作用下,往往表面发生结冰出现非对称截面进而发生失稳驰振现象。目前分析导线驰振普遍基于准定常假设,但是准定常理论忽略了实际绕流的振动历程和频率依赖性等引起的非定常效应,因此关于准定常假设的适用性与准确性还需要进一步的研究。现有关于静态气动力和动态气动力的研究主要集中于静态气动力系数和动态气动力系数之间的差异,并未涉及到准定常与动态的气动力时程比较。而在非定常输电导线驰振数值模拟方面,目前研究主要集中于气动阻尼、气动力、振动幅值等参数关于风速/风攻角的变化规律,尚未有关于非定常理论的数值模拟和风洞试验结果对比的研究。本论文第一章对目前平稳/非平稳风场模拟以及覆冰导线驰振的研究现状进行了总结,并阐明了目前研究存在的不足以及本论文的主要工作。本论文第二章提出将Hermite插值改进Cholesky分解和谐波表示法的降维处理技术相结合,进行输电塔线体系的平稳脉动风场模拟,从而提出了一种比过去相关的输电塔线体系脉动风场数值模拟方法更高效的模拟方法。对输电塔-线系统风场模拟,需考虑结构特点与风场特性。对于输电塔,主要考虑其顺风向与横风向的脉动风,而且认为其两个方向不存在相关性,将其简化为一维多变量进行模拟;而输电导线需考虑横风向与竖风向的脉动风,并认为两者存在相关性。基于以上研究基础,本论文第二章对输电塔进行一维多变量脉动风场模拟,但对输电线进行二维多变量脉动风场的模拟。本论文第三章提出于波数频率谱的输电塔线体系非平稳脉动风场的快速模拟方法。已有研究在实测非平稳风场中发现相干函数存在时变性,并进一步发现相干函数模型考虑时变性与不考虑时变性的结构响应计算结果差异较大,因此考虑时变相干函数的非平稳风场模拟变得十分具有工程意义。但是目前关于时变相干函数的风场模拟都是基于传统的谱表达法,模拟效率仍然有待提高,尤其是当模拟对象为大跨结构的多变量风场时。因此第三章提出考虑时变相干函数基于波数频率谱的非平稳风场模拟方法,并采用本征正交分解(POD)分离出空间、时间变量,该方法可以避免耗时的Cholesky分解,并且由于变量分离后二维FFT的使用,可以显著减少模拟时间。本论文第四章以典型新月形覆冰导线为研究对象,进行了覆冰导线驰振的非定常和准定常的分析。第四章内容主要分为风洞试验和数值模拟两部分。试验方面,在风洞中利用测力天平测量了覆冰导线节段模型不同攻角下在均匀流场中的气动力。研究了无量纲化的气动力系数随攻角的变化规律,以及根据Den Hartog理论计算了覆冰导线容易舞动的失稳区间。随后完成了在不同风速下的导线气弹模型舞动试验,采用无接触测量技术记录了竖向、横向和扭转三个方向的位移响应时程并分析其振动特性。数值模拟方面,建立与试验覆冰导线气弹模型一致的数值模拟模型,采用CFD(Computational Fluid Dynamics)流固耦合非定常理论方法,分析计算二维导线模型的驰振。最后将风洞试验实测响应与非定常数值模拟计算结果,以及以往基于准定常的数值模拟的计算结果进行比对,并且进一步比较动态气动力和基于准定常所计算的气动力的差异,检验了输电导线驰振分别基于非定常方法和准定常假定进行数值模拟结果的适用性。本论文第五章总结了论文的主要工作以及论文创新点,并对下一步的研究工作内容进行了展望。

关键词：输电塔线平稳脉动风场非平稳脉动风场导线驰振风洞试验非定常分析流固耦合准定常假设

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采用Kriging模型的离心压缩机叶轮多目标参数优化

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农业工程学报 2016年第2期32卷 77-83页

作者：左曙光韦开君吴旭东聂玉洁许思传同济大学新能源汽车工程中心上海201804

为进一步探索高性能、低噪声的离心压缩机优化设计方法,该文选用某燃料电池车用小型高转速离心压缩机为研究对象,通过三维内流场非定常分析对其气动性能和气动噪声进行计算,仿真求得的压升曲线与试验基本一致。基于该数值模型,采用最优... 详细信息

为进一步探索高性能、低噪声的离心压缩机优化设计方法,该文选用某燃料电池车用小型高转速离心压缩机为研究对象,通过三维内流场非定常分析对其气动性能和气动噪声进行计算,仿真求得的压升曲线与试验基本一致。基于该数值模型,采用最优拉丁方试验设计分析了叶片进口角、叶片出口角、尾缘倾角、叶顶间隙和叶片厚度对压缩比、等熵效率和整机声功率级的影响,结果表明叶片厚度和叶顶间隙最为关键,与压缩比和等熵效率负相关,与声功率级正相关,前倾叶片较后倾叶片噪声更低。采用Kriging模型对数值计算结果进行拟合,利用多目标遗传算法对Kriging模型进行循环优化设计。优化结果表明,Kriging模型精度满足需求,优化方案在设计工况点的压缩比提高3.56%,等熵效率提高1.02%,整机声功率级下降3.79 d B,在非设计工况点的压缩比和等熵效率也有提高,综合性能得到明显改善。该研究可为高性能、低噪声离心压缩机的优化设计提供参考。

关键词：模型优化叶轮离心压缩机非定常分析气动噪声 Kriging模型

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风扇整体叶盘振动响应数值仿真及试验验证

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航空发动机 2021年第6期47卷 39-44页

作者：刘一雄杜青陈育志徐可宁丛佩红莫妲中国航发沈阳发动机研究所沈阳110015 辽宁省航空发动机冲击动力学重点实验室沈阳110015 中国航空发动机研究院北京101304

针对整体叶盘结构振动问题突出,而传统坎贝尔图无法预测真实振动应力的问题,以某风扇整体叶盘为研究对象开展振动响应数值仿真分析技术研究。根据转/静子叶片数确定了可能存在的危险节径数,同时考虑机匣椭圆度的影响,绘制了盘片耦合共振... 详细信息

针对整体叶盘结构振动问题突出,而传统坎贝尔图无法预测真实振动应力的问题,以某风扇整体叶盘为研究对象开展振动响应数值仿真分析技术研究。根据转/静子叶片数确定了可能存在的危险节径数,同时考虑机匣椭圆度的影响,绘制了盘片耦合共振图,获得了工作转速范围内可能存在的危险低阶共振。在此基础上开展了非定常流场分析,获得了考虑前后级静子叶片影响的非定常流场分布,并将随时间变化的气动压力加载至叶片表面开展振动响应分析,求解得到叶片的振动应力。结合振动特性分析结果和振动响应分析结果确定了动应力测量的贴片位置,在整机上开展了振动应力测试,并将测试结果与数值仿真分析结果进行对比验证。结果表明:仿真分析结果与试验结果吻合较好,振动响应仿真分析方法可以用于工程中叶盘结构振动响应预测。

关键词：风扇整体叶盘耦合共振图非定常分析响应动应力测量航空发动机

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海上浮式风机在支撑平台运动影响下的气动特性研究

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海洋工程 2017年第1期35卷 42-50页

作者：刘格梁胡志强段斐上海交通大学海洋工程国家重点实验室高新船舶与深海开发装备协同创新中心上海200240

浮式风机的平台作为支撑系统,其六自由度刚体运动响应决定上层风机的运动状态,也影响叶轮的环境载荷。叶轮的运动使周围流场变得复杂,叶片承受着非定常的气动载荷。研究中考虑叶片结构的运动,将基于定常流场的叶素动量理论用于局部叶素... 详细信息

浮式风机的平台作为支撑系统,其六自由度刚体运动响应决定上层风机的运动状态,也影响叶轮的环境载荷。叶轮的运动使周围流场变得复杂,叶片承受着非定常的气动载荷。研究中考虑叶片结构的运动,将基于定常流场的叶素动量理论用于局部叶素的气动分析,考虑偏航模型,充分模拟气流与叶轮的相互作用。在给定平台各个自由度运动下,计算叶轮气动参数,分析平台运动带来的影响,从入流速度方面探究引起气动载荷变化的本质原因。研究发现,叶轮气动性能和转动轴的方向有关,若平台运动改变转动轴方向,会引起气动载荷以多倍于叶轮旋转的频率发生周期变化,平台转动自由度的运动对叶轮气动性能影响显著。

关键词：海上浮式风机气动载荷支撑平台运动叶素动量法非定常分析

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