实验流体力学

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2017年第31卷第3期

栏目

风工程实验研究专栏
MEMS微传感器应用基础研究专栏
基础研究及应用

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风工程实验研究专栏

大型冷却塔结构风致气动和气弹效应综合研究

赵林, 展艳艳, 王志男, 梁誉文, 刘晓鹏, 程霄翔, 张军锋, 柯世堂, 王小松, 曹曙阳, 葛耀君

2017, 31(3): 1-15. doi: 10.11729/syltlx20160201

摘要(121) HTML (122) PDF(5)

摘要:
大型冷却塔作为空间薄壁高耸结构，结构风效应突出，在设计中风荷载属重要的控制因素。本文系统地介绍了同济大学结构风工程研究团队在冷却塔结构抗风方向取得的研究进展，涉及风荷载特征与统计、结构风效应试验与分析、整体结构多目标优化、灾害气候条件荷载与效应分析和全过程集成软件平台开发等5个方面，在冷却塔结构抗风问题中的风荷载、结构响应和试验模型设计等方面得出相应结论。

矩形断面非线性驰振自激力测量及间接验证中若干重要问题的讨论

朱乐东, 庄万律, 高广中

2017, 31(3): 16-31. doi: 10.11729/syltlx20170024

摘要(174) HTML (94) PDF(13)

摘要:
采用专门研制的小型动态测力天平，通过弹簧悬挂节段模型内置天平同步测力测振风洞试验，对3:2矩形断面的非线性驰振自激力进行了测量。比较了基于实测自激力重构的节段模型位移响应时程与试验结果，从而对自激力测量精度进行了间接的验证；讨论了在进行这种验证时考虑节段模型系统等效阻尼和刚度参数非线性特性的重要性、非风致附加自激力和风致自激力在动态力中的占比、忽略非风致附加气动阻尼力和惯性力的非线性特性对自激力测量精度的影响等若干重要问题。结果显示：对于3:2矩形断面，非风致附加自激力在测得的总动态力中的占比超过了风致自激力的占比，因此从测得的总动态力中提取自激力时必须扣除非风致附加自激力；非风致附加气动阻尼力和惯性力的非线性对驰振自激力测量精度有一定影响，值得考虑；节段模型系统等效阻尼和刚度参数的非线性对节段模型驰振位移响应的重构精度有明显影响，在验证自激力测量精度时必须加以考虑。

振幅对流线型箱梁自激气动力的影响

熊龙, 王骑, 廖海黎, 李明水

2017, 31(3): 32-37. doi: 10.11729/syltlx20160204

摘要(176) HTML (92) PDF(6)

摘要:
研究了强迫振动振幅对流线型箱梁断面自激气动力的影响。采用1:70的刚性节段模型开展了测压试验，获得了不同迎角的模型断面在不同振幅下的气动压力和分布，探讨了气动力特性。试验中的扭转振幅范围为2°~16°，竖向振幅范围为5~23mm，来流迎角分别为0°和±5°。测试结果表明，在迎角α=0°条件下，当扭转振幅A_t ≤8°，或竖向约化振幅A_v/D≤0.46时，自激气动力的线性谐波占整体气动力的比例在95%以上，没有明显的高次谐波分量。当扭转振幅A_t > 8°，来流迎角为+5°时，自激气动力的线性谐波比例可降低到75%，高次谐波的比例可达到25%。扭转振幅对颤振导数A₂^*、A₃^*、H₂^*均存在显著的影响，但竖向振幅仅对H₄^*存在一定的影响。由此得出，尽管颤振导数随振幅的改变是非线性的，但在一定条件下（如8°扭转角以内），气动力本身不含有明显的高次谐波分量。

端板对二维矩形风洞试验模型气动特性的影响

郑云飞, 刘庆宽, 马文勇, 刘小兵

2017, 31(3): 38-45. doi: 10.11729/syltlx20170015

摘要(637) HTML (283) PDF(24)

摘要:
在节段模型风洞试验中，两端设置端板可以有效减小端部效应对风压分布的影响，从而保证气流在模型周围的二维流动，其中端板尺寸是影响端板效果的主要参数。为了明确不同尺寸端板对矩形断面气动特性的影响，以桥梁节段模型中最常见的3种宽高比（B/H分别为1、5和10）的二维矩形断面为研究对象，通过刚性模型测压试验，研究了端板尺寸对各模型的气动力、风压分布和斯托罗哈数St的影响。研究结果表明：模型的端部效应不仅仅对端部附近的风压有影响，对中间位置处风压的影响也不容忽视，设置端板是获得准确试验结果的重要保证；随着断面宽高比（B/H）逐渐增大，端部效应影响的程度和范围逐渐减小；随着端板尺寸的增大，模型背风面风压绝对值逐渐增大并趋向一稳定值；抑制端部效应的最小端板尺寸与结构的风迎角有关，风迎角增大，所需的端板也相应增大；有无端板对斯托罗哈数St也有明显影响。

非均匀地貌的平屋面建筑风荷载特性研究

陈波, 杜坤, 杨庆山

2017, 31(3): 46-51, 59. doi: 10.11729/syltlx20160213

摘要(126) HTML (86) PDF(5)

摘要:
通过风洞测压试验，研究单个平屋面建筑物在两类均匀地貌，以及非均匀地貌边界层内的屋面风压分布变化规律。研究结果表明：均匀粗糙地貌下的屋面平均风压系数和脉动风压系数大于均匀平坦地貌，且脉动风压系数差别更显著；从粗糙地貌变化为平坦地貌的非均匀地貌中，用建筑物位置处动压无量纲化时，随着距地貌变化点的距离增大，平均风压系数变化较小，脉动风压系数逐渐减小且变化显著；用上游粗糙地貌动压无量纲化时，随着距地貌变化点的距离增大，屋面迎风分离区平均风压变化较小，迎风下游风压幅值增大，脉动风压幅值略有减小，但在过渡边界层范围内均变化较小；屋面整体平均风荷载的主要影响因素是来流动压变化。

MEMS微传感器应用基础研究专栏

浮动电容式剪应力微传感器结构设计解析模型

丁光辉, 马炳和, 邓进军, 苑伟政

2017, 31(3): 53-59. doi: 10.11729/syltlx20170004

摘要(177) HTML (129) PDF(8)

摘要:
为提高设计水平和效率，建立了浮动电容式剪应力微传感器结构设计解析模型。该解析模型明晰了微传感器探头结构参数与传感器性能指标之间的关系。针对微传感器量程、固有频率、非线性度、灵敏度和分辨率等指标需求，能够更有针对性地快速得到优化传感器结构方案。结合设计案例，给出了微传感器探头结构的设计方法与流程，设计研制的传感器测试实验结果与解析模型的设计结果相符合。

热膜式剪应力传感器在破碎波作用下的应用初探

郝思禹, 夏云峰, 徐华, 蔡喆伟

2017, 31(3): 60-65. doi: 10.11729/syltlx20170037

摘要(261) HTML (154) PDF(7)

摘要:
破波区床面剪应力的正确认知对于揭示海岸泥沙输运以及地貌演变的机理具有重要意义。波浪破碎以后带来的紊动和涡旋会对床面剪应力产生显著的影响。采用MEMS柔性热膜式壁面剪应力传感器在波浪水槽中开展了破碎波作用下的床面剪应力测量应用测试。实验结果表明该壁面剪应力传感器可以应用于破碎波作用下的床面剪应力测量。在破波点之前可以根据近底流速辅助该传感器判断床面剪应力的方向。床面剪应力在波浪破碎之前变化较为平缓，在波浪破碎之后床面剪应力的波动和极值都会增大。斜坡上沿程最大床面剪应力均值的极值出现于卷破水舌入射点之后。

水下MEMS壁面剪应力传感器标定不确定度分析研究

沈雪, 田于逵, 张璇, 孙海浪, 谢华, 张楠

2017, 31(3): 66-71. doi: 10.11729/syltlx20170019

摘要(214) HTML (94) PDF(6)

摘要:
针对MEMS壁面剪应力传感器进行了标定及其不确定度分析工作。标定基于压力梯度法，使用扁平校验水槽作为主要的试验装置。测量不同壁面剪应力下的MEMS输出电压信号，通过最小二乘拟合可获得标定系数。反复进行壁面剪应力及电压测量，同时查找相关产品说明书获得壁面剪应力及标定系数的不确定度。试验结果表明，剪应力测量的相对扩展不确定度小于7%，且外流速度越大，剪应力测量的不确定度越小，因此扁平校验水槽能够提供较高精度的剪应力输入；电压测量的相对扩展不确定度小于7%，且外流速度越大，电压测量的不确定度越小，因此传感器能够可靠地用于流体壁面剪应力的测量；标定曲线具有合理的形态且拟合相关性较高，因此标定公式具有较好的可靠性。

水下壁面剪应力传感器温控标定装置研究

夏云峰, 郝思禹, 徐华, 蔡喆伟, 张世钊, 闫杰超

2017, 31(3): 72-77. doi: 10.11729/syltlx20170025

摘要(168) HTML (122) PDF(5)

摘要:
新型壁面剪应力传感器的出现为河口海岸工程中水下壁面剪应力的准确测量提供了新的方式。热式壁面剪应力传感器受环境温度影响显著，相关传感器的研究与应用需要准确的标定。本文基于宽扁管道内壁面切应力与沿程压力梯度的关系，研发了一种具有温控功能的水下壁面剪应力传感器静态标定装置，可实现不同水温条件下的壁面剪应力输出。该标定装置可提供的最大水温在35℃。最后通过对MEMS柔性热膜式壁面剪应力传感器在不同水温条件下的静态标定实验，确定了不同水温条件下传感器的标定系数，结果表明标定系数B与水温呈线性相关。

热敏式剪应力仪在波流动力研究中的应用

徐华, 夏云峰, 蔡喆伟, 郝思禹, 张世钊

2017, 31(3): 78-81, 93. doi: 10.11729/syltlx20170034

摘要(135) HTML (77) PDF(6)

摘要:
河口海岸泥沙运动直接受制于床面剪应力的大小，因此通过床面剪应力来研究泥沙运动基本问题是泥沙运动理论研究的重要途径，然而目前尚未有效形成波流复杂动力作用下床面剪应力的量测计算方法。本文利用基于微纳米技术的热敏式剪应力新型仪器，在波流长直水槽内开展了床面剪应力量测研究工作。研究表明，热敏剪应力仪响应频率高、稳定性好，量测成果较好地反映了波流作用下床面剪应力变化基本规律，热敏剪应力仪可用于波流等复杂动力作用下床面剪应力的量测。根据试验量测成果，提出了波流合成剪应力计算初步方法，可为复杂动力作用下泥沙运动基本理论问题的深入研究提供参考。

水下平板壁面剪应力MEMS测量研究进展

田于逵, 张璇, 沈雪, 孙海浪, 谢华, 张楠

2017, 31(3): 82-87. doi: 10.11729/syltlx20170031

摘要(184) HTML (90) PDF(8)

摘要:
围绕水下平板壁面剪应力测量进行了一系列的试验测试研究工作，包括MEMS壁面剪应力传感器标定、平板模型设计、微弱信号测量系统开发、平板边界层参数估计与CFD仿真分析以及近壁面速度剖面LDV测量等。对于速度为0.2~0.7m/s的来流，基于MEMS传感器阵列对水下壁面剪应力进行了测量，同时使用LDV进行速度剖面测量，并通过对速度剖面的拟合求解出平均壁面剪应力值。通过比较可知，MEMS测量结果、LDV速度剖面法拟合结果和经验公式计算结果三者一致性较好，相互之间差别在5%以内。

基础研究及应用

液滴接触变形对融合过程影响的实验研究

魏存驹, 李应杰, 王鲁海, 杨基明

2017, 31(3): 88-93. doi: 10.11729/syltlx20160146

摘要(143) HTML (119) PDF(9)

摘要:
采用一种产生大尺寸液滴和顶视视角观测的新方法，借助高速阴影系统，捕捉到液滴融合过程中液桥截面形态的变化。从光学观测的角度验证了以前电测法所得到的初期融合过程描述。利用顶视方法所特有的辨别液桥几何形状、中心位置等优势，观测了不同液滴靠近速度（v_a）下2种融合模式。根据液桥中心演变特征分别判定为中心融合和边缘融合模式，并发现两者之间存在一临界液滴靠近速度（v_cross），当v_a < v_cross时，融合过程始于接触中心，而当v_a >v_cross时，融合自液滴挤压形成的液膜边缘开始，与融合前液滴接触变形密切相关。