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2021年  第39卷  第4期

《空气动力学学报》2021年4期pdf合集
2021, (4): 1-6.
摘要(111) HTML (45) PDF(58)
摘要:
综述
CFD不确定度量化方法研究综述
陈鑫, 王刚, 叶正寅, 吴晓军
2021, 39(4): 1-13. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0012
摘要(784) HTML (433) PDF(263)
摘要:
随着计算流体力学(CFD)算法和软件的不断发展和完善,CFD数值模拟已经在涉及流体力学的各个领域发挥着日益重要的作用。不确定性因素在CFD计算过程中普遍存在,并且会对数值模拟结果造成影响。发展CFD不确定度量化方法,既能满足工程实践中对CFD可信度评估的需求,同时也能够支撑飞行器的精细化设计。本文旨在总结不确定度量化方法及其在CFD领域中的发展与应用。首先介绍CFD计算中的不确定性来源,以及不确定性的表现形式—随机不确定性和认知不确定性。然后按照不确定性的表现形式介绍对应的不确定度量化方法。最后介绍不确定度量化方法在CFD计算中的发展与应用,并且给出进一步开展不确定度量化工作的建议。
直升机CFD仿真现状与发展趋势分析
肖中云, 郭永恒, 张露, 崔兴达
2021, 39(4): 14-25. doi: 10.7638/kqdlxxb-2020.0067
摘要(337) HTML (303) PDF(107)
摘要:
传统直升机气动设计较多依赖升力线理论、涡流理论等工程分析方法,高性能计算使采用CFD方法开展“第一性原理”仿真成为可能。本文从旋翼运动特点出发介绍了直升机区别于固定翼飞机的一些特殊计算方法,指出当前CFD方法在直升机实际应用中存在的不足。在此基础上,探讨了国外先进直升机CFD软件的发展策略与技术途径,从多求解器耦合、网格动态自适应技术、高阶格式与湍流模型的选取、多学科耦合求解等四个方面分析了这些软件的特点与技术优势。最后就如何适应未来发展需要,提出了直升机CFD能力建设方面的几点建议。分析表明,直升机由于旋翼运动具有与操纵输入、结构变形相耦合的特点,分部件及单学科的CFD分析方法与真实飞行状态存在偏差,多学科耦合分析与旋翼尾迹的精细模拟应当是软件未来发展的重点。
从总体设计角度透视高超声速飞行器边界层转捩问题
李志文, 袁海涛, 黄斌, 张增辉, 于新源
2021, 39(4): 26-38. doi: 10.7638/kqdlxxb-2020.0061
摘要(409) HTML (706) PDF(223)
摘要:
边界层转捩对飞行器总体性能影响很大,按照弹道式再入、再入机动、高超声速滑翔、高超声速巡航四类飞行器进行分类,与边界层转捩相关的典型问题可归结为气动力、气动热及掺混效率三类,相应带来飞行稳定性与配平能力、落点散布、防热风险、飞行器减重、推进系统优化等问题。针对边界层转捩控制问题,从总体设计方面可采取弹道设计、翼载荷控制、外形设计、材料选择等措施,推迟或诱发转捩,以达到减阻、减热、掺混等设计目标。总体设计单位应重视开展静音风洞试验,充分利用飞行任务资源积累转捩研究基础数据,努力提高理论分析与预示能力,牵引开发高效、高精度的转捩分析工具。
研究论文
全局方向模板在高阶精度非结构有限体积方法中的推广
孔令发, 刘伟, 董义道
2021, 39(4): 39-50. doi: 10.7638/kqdlxxb-2020.0080
摘要(194) HTML (102) PDF(22)
摘要:
梯度与高阶导数重构是影响高阶精度非结构有限体积(Finite Volume, FV)格式计算效果的主要过程,其中,不同的模板选择方式发挥了重要作用。传统的模板选择方式往往依赖于固定的网格拓扑关系,无法有效反映流动变化特征,并且随着求解精度的提高,模板单元的数量上升明显,导致找到的模板单元包含过多冗余信息的同时,显著增大计算量,降低求解效率。基于此现状,文章将基于二阶精度FV格式发展的全局方向模板推广至高阶精度FV方法,以充分发挥模板的空间延展性优势,并减少冗余的模板单元数量。此外,文章通过基于制造解的流动与真实超声速涡流两个数值算例,测试了全局方向模板的数值表现。经检验,全局方向模板的使用可有效减少重构过程所需的模板单元数量,并且计算误差相比传统基于网格拓扑的共点、共面模板更低,计算稳定性优于局部方向模板。因此,全局方向模板选择方法在三阶精度非结构有限体积方法中具有较好的数值表现,具备进一步推广与应用的可行性。
扩张段射流对旁路式双喉道喷管矢量特性的影响研究
夏雪峰, 高峰, 张倩, 马岑睿
2021, 39(4): 51-58. doi: 10.7638/kqdlxxb-2020.0070
摘要(309) HTML (80) PDF(35)
摘要:
为探究腔体扩张段射流对旁路式双喉道喷管气动矢量特性的影响,采用数值模拟方法对喷管在不同次流入射位置和次流压比下的内流情况进行仿真研究。结果表明:在扩张段引入次流能够改善喷管内流性能,随着次流入射位置后移,推力矢量角先增大后减小,推力系数逐渐增大且增幅渐缓;随着次流压比增加,喷管推力矢量角逐渐增加后基本保持不变,推力系数先增加后快速下降,而矢量效率先急剧上升后趋于平稳;改进后的喷管在最佳算例中得到推力矢量角为27.59°,推力系数为0.956,矢量效率3°/1%次流流量。
旋翼翼型气动设计与评估软件HRADesign
孙俊峰, 卢风顺, 黄勇, 江雄, 牟斌, 许勇
2021, 39(4): 59-68. doi: 10.7638/kqdlxxb-2019.0106
摘要(271) HTML (79) PDF(70)
摘要:
HRADesign系统作为通用旋翼翼型气动设计和评估系统,研制目的主要是为工业设计环境提供通用、高效、鲁棒的优化设计架构,应用于各类旋翼翼型族的设计,提高旋翼翼型设计的效率和精度,以满足先进直升机对高性能旋翼翼型的迫切需求。旋翼翼型设计技术是直升机旋翼设计的核心技术,旋翼翼型的优化设计具有多点、多目标、强约束的特点。HRADesign系统针对旋翼翼型设计的特点,发展了多目标进化算法、PCA多目标降维技术、Kriging代理模型、基于CST方法的翼型参数化技术以及高精度CFD等优化设计技术,构建了基于进化算法的多目标优化流程。通过详细介绍平台的系统架构、主要的功能模块以及多目标优化流程,展现了系统架构设计的灵活性和功能模块的完备性。通过ADODG基准测试算例、某厚度旋翼翼型常规多目标优化算例和考虑多目标降维的优化算例进行了系统功能验证,优化结果表明,在满足约束的条件下,优化后的旋翼翼型和基准翼型相比,综合性能都有明显改善,验证了优化设计系统的有效性、可靠性。
基于卷积神经网络和状态时间序列的参数辨识
武频, 常旭婷, 郎佳林, 潘凯凯, 龚思泉
2021, 39(4): 69-76. doi: 10.7638/kqdlxxb-2020.0057
摘要(261) HTML (158) PDF(54)
摘要:
针对参数辨识过程运算时间长的问题,本文提出一种基于卷积神经网络的参数辨识方案。该方案避免了对数值模型的大量迭代,能够根据多个连续时间步的实测系统状态对多参数进行快速估计,实现参数辨识;同时,为了帮助神经网络更好地提取特征,还引入一种双向标准化的方法对数据进行处理。以Lorenz63为实例,对其参数进行了分析、实验。实验结果表明:该方案能够有效地估计当前物理场状态对应的模型参数,并且计算时间仅为传统方法的4%,大大提升了计算效率。
高空巡航阶段的飞机尾涡流场演化特性研究
魏志强, 李晓晨
2021, 39(4): 77-84. doi: 10.7638/kqdlxxb-2020.0064
摘要(158) HTML (114) PDF(58)
摘要:

为研究飞机尾涡在高空巡航阶段的形成及消散特性,基于飞机尾涡流场快速仿真计算模型计算了不同飞行高度处尾涡的初始强度以及尾涡的危险区域,并分析了高空尾涡消散规律;然后计算不同飞机重量、大气湍流度、大气层结稳定性以及前机飞行速度下的高空尾涡危险区域,并对高空尾涡危险区域的影响因素进行分析。结果表明,与中低空相比,高空尾涡的初始强度大、消散速率快,尾涡危险区域的纵向范围在减小,但垂直范围有所增加,飞机参数和大气条件的改变可以减小尾涡影响范围。研究结果对高空尾流垂直间隔缩减研究具有实际参考价值。

强/台风风环境及结构风效应
“强/台风风环境及结构风效应”专栏简介
专栏组稿专家 
2021, 39(4): 85-85.
摘要(111) HTML (58) PDF(11)
摘要:

我国是世界上受自然灾害影响最严重的国家之一,其中台风风灾占有较大比例。随着全球变暖趋势加剧,登陆台风的频度和强度有持续增加的趋势。据统计,我国沿海地区平均每年有7次台风登陆,最大风速可达60 m/s以上,对区域内的生命财产和重大工程构成严重威胁。沿海地区高层建筑和大跨空间结构林立,交通和能源基础设施密集,强/台风风环境引起的特异风荷载和结构风效应已突破现有良态风气候条件理论体系。探索基础设施的强/台风致灾因素和机理已成为科研人员共同瞩目的研究热点和难点,潜在的特异风环境对于桥梁和结构的致灾机理和风险效应仍未澄清。为顺应我国土木工程事业发展态势,风敏感结构的特异风灾安全评估需求变得尤为突出。风工程领域既有的研究多简单强调提升设计风速等级以期达到抵御强/台风的目标,台风条件下的高风速已被证明并非唯一的结构致灾关键因素,有必要深入研究台风侵袭过程中多种特异风参数及其结构致灾效应。

面向我国土木工程发展的重大战略需求,针对沿海区域强/台风风环境极端恶劣、风荷载形式复杂多变、风效应特异性突出等关键科学和技术挑战,国内多家高校和科研单位在国家自然科学基金重大和集成等项目、科技部973计划项目和国家重点研发计划等支持下,采用现场实测、理论分析、数值模拟、风洞试验、灾变控制和结构气动优化设计等综合方法开展技术攻关,围绕“强/台风风环境及结构风效应”,形成了涵盖风环境、风荷载、风效应和控制设计等多方面的自主创新成果,为风敏感结构抵御强/台风的安全设计提供了技术储备,提升了土木工程结构设计和施工的核心竞争力。

为促进强/台风风环境及结构风效应的研究,促进测、防、控技术的开发与应用,我刊特邀请同济大学赵林教授组织了“强/台风风环境及结构风效应”专栏,遴选了9篇论文,内容包括大跨桥梁风振、低矮房屋倒塌、非平稳湍流特性、城市和复杂地形风场数值模拟、海洋运动条件风速特性、风场特征实测技术与应用等,以飨读者。编辑部对在百忙之中给予大力支持的组稿专家、在疫情期间笔耕不辍的作者和严格审查悉心指导的审稿专家表示衷心的感谢!


强台风登陆过程大跨桥梁风特性特征及其抖振响应分析
赵林, 吴风英, 潘晶晶, 宋丽莉, 葛耀君
2021, 39(4): 86-97. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0066
摘要(1118) HTML (184) PDF(31)
摘要:

台风环境条件的风场特征对沿海大跨桥梁结构的风致响应影响显著。结合强台风黑格比(0814)的登陆演变全过程风场逐时记录数据,对台风气候条件下的实测近地平均风特性(平均风速、风向角和风攻角)和脉动风功率谱进行了统计分析,研究了中心过境强台风的风场演变特征。随后分别采用规范谱和实测台风谱对位于台风影响区内的一座大跨斜拉桥(主跨448 m)进行了三维风致抖振响应分析,研究了台风演变过程中桥梁结构抖振响应特征。采用实测台风谱计算的桥梁抖振响应与仅考虑规范谱的结果差异显著。进一步研究了来流大攻角效应对桥梁抖振响应的影响,结果显示,结构竖向和扭转抖振位移分别为仅考虑规范谱响应结果的204.12%和264.87%,横向位移增加67.27%。研究表明:强台风气候条件下,来流大攻角和高频湍流能量卓越的脉动风速对桥梁抖振响应影响突出。因此,关于桥梁风致抖振的相关研究亟需慎重对待,并应加强桥梁风致安全评估。

强台风的致灾大风特征及与倒塌房屋的关联分析
陈雯超, 宋丽莉, 王丙兰, 刘爱君
2021, 39(4): 98-106. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0171
摘要(1112) HTML (78) PDF(22)
摘要:
基于2000年以来登陆广东的9个强台风过程的逐时观测资料和灾情数据,分析了强台风登陆过程中大风的时空演变、分布、成因及与倒塌房屋的关联,发现:(1)9个强台风在登陆前的逐时最大风速全部出现在第一和第二象限,登陆后则有77.6%的时次最大风速出现在第四、第一象限;10级以上大风主要分布在台风路径右侧的沿海地区,持续时间在10-24 h之间,有4个台风的12级以上大风维持了8-13 h;(2)以大风范围和维持时间构建的各等级大风“站时”来表达大风的综合影响程度,发现登陆前大风“站时”样本出现频率明显大于登陆后;(3)登陆台风经过的下垫面显著影响大风深入陆地的距离和维持时间,台风路经水陆交汇地区或平缓下垫面的,其大风深入陆地较远;(4)倒塌房屋数量与台风登陆时中心气压、最大风速、影响范围、维持时间、大风“站时”等均有关联,其中与12级以上大风参数关联度最高。
台风“山竹”影响下的城市风场数值模拟研究
廖孙策, 黄铭枫, 楼文娟, 林巍, 肖志斌
2021, 39(4): 107-116. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0048
摘要(1415) HTML (177) PDF(50)
摘要:
基于中尺度气象模式(weather research and forecasting,WRF),对2018年第1822号超强台风“山竹”影响期间深圳气象观测梯度塔附近城市风场开展了数值模拟研究,并结合气象观测塔的现场实测数据进行比较验证。采用移动嵌套网格模拟得到了台风“山竹”的演化过程;耦合城市冠层模型(urban canopy model,UCM)完成了城市台风风场的多尺度精细化模拟;分析了城市冠层模型对WRF模式城市风场模拟精度的影响。基于UCM模型和高精度的下垫面数据,准确模拟出了台风影响下的风场空间分布情况;数值模拟得到的深圳气象梯度塔位置不同高度处台风风速结果与现场实测数据吻合较好,表明耦合UCM模型的WRF模拟能够较为精确地捕捉到台风过境时的城市风场特性。与未耦合UCM模型的WRF模拟结果相比,UCM模型的采用进一步提高了城市台风风场近地面风速的模拟精度。
不同大气稳定度下台风“莫拉克”(2009)的近地风场特性
李田田, 屈宏雅, 朱蓉, 李永平, 汤胜茗
2021, 39(4): 117-128. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0057
摘要(1067) HTML (196) PDF(27)
摘要:
为了探究台风影响期间不同大气稳定度条件对近地层风场特性的影响,基于2009年台风“莫拉克”移动路径上的三座测风塔测得的高频三维风速时程,分析了台风影响期间中性、稳定、不稳定三种大气层结状况的分布频率,以及不同稳定度条件下近地层平均风场特性(平均风速和风向)和脉动风场特性(湍流强度、阵风因子、湍流积分尺度和脉动风速谱)。研究结果表明,台风外围雨带区影响期间非中性层结发生概率约44%;在非中性层结影响下,平均风速出现频率最高的区间(10~12 m/s,14~16 m/s)不同于中性层结(12~14 m/s),且湍流强度最高频数分布较为集中(8%~10%);验证von-Karman谱描述不同大气稳定度下台风脉动风速谱的适用性,发现该经验谱对中性层结下的风速谱刻画较好,对非中性层结下的风速谱存在低频段高估、高频段低估谱能量的现象。进行工程结构抗风设计时,需注意非中性大气层结对风速、湍流强度、脉动风速谱等与结构风荷载确定密切相关的参数的影响。
华南地区台风全局化结构及风场特征实测研究
何运成, 傅继阳, 李秋胜, 陈柏纬, 陈雯超
2021, 39(4): 129-146. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0078
摘要(1134) HTML (130) PDF(33)
摘要:

基于探空气球、雷达风廓线仪等设备长期观测数据,对影响华南地区热带气旋的全局化结构及风场特征进行了实测研究。以典型台风为例,考察了系统水平及垂直主结构特征,揭示了台风双眼壁结构、眼壁置换现象以及登陆后结构的轴非对称变化特征。提出了台风气压场水平轴非对称模型和垂直剖线模型,分析了台风气压场两关键参数(最大风速半径及Holland-B)数值分布特征及其与其他参数间的内在关系。采用复合分析技术,对不同来流状况下台风边界层风场特征进行研究,考察了风速剖线低空急流和风向随高度偏转的特征及其随径向距离和来流地貌的变化规律,建立了以低空急流为特征的台风垂直剖线经验模型,为精确化评估高层建筑风荷载提供数据和技术支撑。相关研究成果有助于深化对华南地区热带气旋全局化结构及风场特征的认识,并为合理评估该地区台风风灾害及构筑物台风风效应提供参考。

沿海复杂地形台风登陆过程风场多尺度数值模拟
董浩天, 陶韬, 杜晓庆
2021, 39(4): 147-152. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0054
摘要(1011) HTML (93) PDF(27)
摘要:
我国沿海地区的台风风场研究与预报具有显著的经济和社会效益。多尺度风场数值模拟方法是将WRF中尺度数值气象模拟同小尺度风场大涡模拟结合的数值模拟方法,可实现台风影响下沿海复杂地形风场的精细化研究。本文以2012年台风启德为背景,通过WRF模式有效再现了台风中心路径和近地平均风速风向的24 h时程;采用循环入流方法,将WRF得到的平均风剖面中加入高频风速成分,并作为复杂地形风场大涡模拟的入口条件,模拟近地风场的时间和空间分布。研究表明,台风登陆后受到沿海复杂地形的影响,近地流向湍流强度较海面上增强1倍左右,风速高频成分显著增强,并出现了0.73 m/s向下的竖向平均速度,对局部地区的抗风安全产生较为不利的影响。
海洋运动对台风过境全过程水平风速特性的影响
员亦雯, 柯世堂, 王硕, 赵永发, 杜琳, 张伟
2021, 39(4): 153-161. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0075
摘要(992) HTML (77) PDF(22)
摘要:
现行台风模型大多采用基于有限实测数据修正的工程经验模型,忽略了波浪、海流等海洋运动与其水平风速之间的实时耦合作用。为揭示海洋运动对台风过境全过程的影响机制,基于MCT耦合器,采用中尺度WRF大气模型、第三代浅海海浪SWAN模型以及三维水动力FVCOM模型,建立了大气-海洋-海浪(W-S-F)的实时耦合模拟平台。在此基础上,模拟了台风“莫兰蒂”过境全过程海洋环境时空演变,对比分析了W-S-F耦合平台与非耦合WRF模式下台风过境全过程的差异性,最终提炼出海洋运动对水平风速特性的影响规律。结果表明:本文提出的W-S-F耦合平台可以准确模拟考虑海洋运动的台风过境全过程风速场;低空处海洋运动促进台风水平风速发展,且随高度增加影响逐渐减小,高空处海洋运动对台风水平风速产生抑制作用,且这种消耗随高度增大而加强;在台风整个发展周期,海洋运动对低空台风强度的影响呈现先促进后抑制规律,随着高度增加逐渐形成相反特点。
台风非平稳湍流特性研究进展与思考
陶天友, 王浩
2021, 39(4): 162-171. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0063
摘要(1030) HTML (165) PDF(38)
摘要:
台风湍流特性研究一直是结构风工程领域的重点研究方向之一。与传统良态风存在明显差异,台风是具有突出非平稳特性的特异风场,其湍流特性十分复杂,难以采用良态风场参数对其进行表征。基于国内外长期现场实测与分析所取得的成果,本文对台风非平稳湍流特性的研究进展进行综述,归纳总结台风非平稳湍流特性的分析方法及参数模型。首先,回顾了平稳与非平稳风速模型,对比分析二者之间的特点与区别,并介绍时变平均风速的有效确定方法。随后,针对湍流典型统计特征参数,从湍流强度、湍流积分尺度、演变谱密度、时变相干函数等方面阐述台风非平稳湍流特性的研究进展,并重点讨论当前面临的困难与挑战。最后,对台风非平稳湍流特性有待进一步深入研究的问题进行展望。
激光测风雷达在风场观测领域的应用及展望
傅军, 李洁, 吴强
2021, 39(4): 172-179. doi: 10.7638/kqdlxxb-2021.0060
摘要(1070) HTML (130) PDF(41)
摘要:
多普勒激光测风雷达因具有高测量精度、高时空分辨率等优势,在晴空天气的风场观测中发挥着重要作用。本文综述了激光测风雷达技术的应用价值以及国内外测风雷达技术与设备研究现状。针对激光测风雷达所存在的问题进行分析,提出其需进一步研究的方向。对激光测风雷达在风场的应用、雷达中尺度数据与CFD (Computational Fluid Dynamics)结合应用进行分析总结,重点对某沿海地区风场进行多维度分析。分析结果得出:应用激光测风雷达能提高对风场数据获取水平,为进一步获取更为精准的风场信息,可将激光测风雷达观测的数据和CFD数值模拟等进行综合分析。最后对激光测风雷达设备在技术参数等方面提出展望。