串列双幅断面颤振稳定性气动干扰试验研究

针对大跨双幅桥面桥梁气动干扰效应问题,采用风洞试验方法,在均匀流场、零度风攻角条件下研究了不同间距比时串列双幅典型断面(矩形断面、Π型断面及流线型断面)的颤振稳定性气动干扰效应。研究表明:串列双幅典型断面发生颤振失稳时,下游断面先失稳,上游断面后失稳;串列双幅钝体断面(矩形断面、Π型断面),当间距比D/B为0.2,0.5(D为串列双幅断面净间距,B为单幅断面宽度)时,串列双幅钝体断面颤振临界风速低于单幅钝体断面颤振临界风速;当D/B为1,2,4,6时,串列双幅钝体断面颤振临界风速高于单幅钝体断面颤振临界风速;串列双幅流线型断面颤振临界风速随间距比D/B增加而增加,在试验间距比范围内(D/B的值为0.3,0.6,1,2,4,5)均小于单幅流线型断面颤振临界风速,气动干扰效应降低了双幅流线型断面颤振临界风速。     

双幅桥面桥梁三分力系数的气动干扰效应研究

双幅桥面桥梁在风的作用下,上下游两桥面之间会产生气动干扰效应。分别采用测力法和测压法对某双幅桥面桥梁三分力系数的气动干扰效应进行了一系列的节段模型风洞试验研究。结果表明:双幅桥面阻力系数的气动干扰效应不容忽视。与单幅桥面相比,下游桥面的阻力系数降低较多,上游桥面的阻力系数略有降低。上下游桥面升力系数和升力矩系数的气动干扰效应不明显。     

均匀风场中串列双矩形断面气动力干扰的数值研究

数值研究了均匀风场中串列双矩形断面气动力的相互干扰,讨论了这种干扰与断面间距的关系.结果表明:上游断面的阻力系数均值对干扰效应不敏感;与单矩形断面相比,下游断面的阻力系数均值降低很多;上下游两断面的阻力系数和升力系数的根方差值与断面的间距有密切的关系.     

双幅典型断面静力系数气动干扰试验研究

建立了双幅桥面静力系数气动干扰的定量分析方法,定义干扰因子为双幅桥面的静力系数与单幅桥面的静力系数之比。基于测压风洞试验,针对3种典型断面(矩形断面、Π形断面和流线形断面),对双幅桥面桥梁静力系数气动干扰进行了研究。研究结果表明:静力系数气动干扰主要表现为遮挡作用,下游断面的阻力系数均值小于单幅断面结果。与流线形断面相比,钝体断面(矩形断面和Π形断面)的遮挡作用更明显。     

分离双扁平箱梁气动力干扰效应研究

通过节段模型风洞试验研究了分离双扁平箱梁气动力的干扰效应,得到了气动力系数干扰因子随间距的变化曲线。研究结果表明:上游箱梁阻力系数的干扰效应不明显,下游箱梁阻力系数的干扰效应在D/B≥2(D/B为双箱梁的净间距与单幅箱梁宽之比)时基本可以忽略,在D/B2时为减小效应,间距越小,减小效应越显著;下游箱梁升力系数的干扰效应不明显,上游箱梁升力系数的干扰效应在D/B≥2时基本可以忽略,在D/B2时为减小效应。     

基于风洞试验和数值模拟的双矩形断面涡振气动干扰研究

采用节段模型风洞试验和CFD数值模拟对宽高比为5∶1的双幅矩形断面涡振气动干扰进行了研究。分析了不同水平间距对双矩形断面竖弯和扭转涡振响应的影响。在水平间距比为1.2时进行了动态压力测试,并分别对竖弯和扭转涡振风速下的脉动风压场进行POD分析。结果表明双矩形断面间存在显著的气动干扰,且一般而言下游断面的涡振响应大于上游断面。前两阶本征模态与双矩形断面涡振相关联,由前两阶本征模态可重构脉动风压场。CFD数值模拟的结果表明双矩形断面的涡振符合“撞击剪切层失稳机制”,且一个周期内上游断面下风向以及下游断面上风向区域的流动变化较为显著。CFD模拟与POD分析的结果相符合,两者相结合可用于分析双矩形断面的涡振现象。     

串列多方柱气动特性的试验研究

为研究串列多方柱的气动特性,采用刚性模型测压风洞试验的方法研究了雷诺数为3.2×10~4时,间距比在1.2～8范围内,串列双方柱和串列三方柱在不同间距比下的风压系数、升阻力系数以及斯托罗哈数。结果表明:串列双方柱的临界间距比在3～3.5之间,串列三方柱存在两个临界间距比,分别在2.5～3和3.5～4。通过串列双方柱和三方柱的对比可以看到:在双方柱下游增加一个方柱会显著影响其气动特性,平均阻力系数的绝对值、脉动升力系数和斯托罗哈数均在间距比L/D≤3.5时减小,但在间距比L/D≥4时这种减小效果减弱。风压分布与原双方柱相似,但数值有所不同,在间距比为3.5时差异最为明显。位于双方柱下游的方柱其气动力及风压系数在间距比为2.5～3时突然增大,在间距比为3.5～4时则相反。     

气动干扰对串列双幅类流线形断面颤振的影响

针对串列双幅类流线形断面,在均匀流场中进行了一系列的颤振稳定性风洞试验,并将试验结果与单幅类流线形断面的试验结果进行了对比。研究结果显示：气动干扰降低了双幅类流线形断面的颤振临界风速,间距越小,降低幅度越大;气动干扰增大了双幅类流线形断面的颤振频率,间距越小,增大幅度越大;与单幅类流线形断面相比,气动干扰使双幅类流线形断面的软颤振特性更明显。     

串列多圆柱气动力干扰效应的试验研究

通过刚性模型测压风洞试验,在均匀流场中对比研究了不同数量和不同间距串列多圆柱气动力的干扰效应。串列多圆柱两相邻圆柱的中心距L与圆柱的直径D之比L/D的变化范围为1.2~12.0。圆柱数量的变化范围为1~4。试验的雷诺数为3.4×10⁴。试验结果发现:串列多圆柱发生流态切换的临界间距比(L/D)cr为3.5~4.0,在临界间距附近,前两个圆柱的时均阻力系数和脉动升力系数突升,其余圆柱则突降,所有圆柱的斯托罗哈数均突升;气动干扰对串列多圆柱时均阻力系数和斯托罗哈数的影响主要表现为减小效应;后方干扰圆柱数量的增加对上游第一个圆柱气动力的影响基本可以忽略;前方干扰圆柱数量的增加对下游最后一个圆柱的气动力影响显著。     

气动干扰对平行双幅断面气动导纳影响研究

针对平行双幅桥梁存在的气动干扰现象,采用节段模型测力风洞方法研究气动干扰效应对双幅断面气动导纳影响。结果表明,由于气动干扰作用,双幅断面气动导纳与单幅断面气动导纳存在一定差别,尤其阻力气动导纳;相同外形断面产生的气动干扰效应相似,不同外形断面产生的气动干扰效应不同;由于下游断面对上游断面气动干扰影响较弱,不同间距引起的气动干扰对上游断面气动导纳影响无明显规律;随间距的增大气动干扰对下游断面气动导纳影响逐渐减弱,间距足够大时,此影响可忽略不计。     

某大跨度公铁两用桁架斜拉桥车桥系统三分力系数风洞试验研究

为研究复杂交通状态下车桥系统的气动特性,对某大跨度公铁两用桁架斜拉桥进行了节段模型风洞试验。测试了不同风攻角下单列车、两列车、三列车通过时车桥系统的三分力。研究了线路位置、桥塔、公路车流、双车及三车交会对车辆和桁梁三分力系数的影响。结果表明:当单列车从迎风侧线路向背风侧线路移动时,车辆和桁梁的阻力系数逐渐减小,但车辆的升力系数及桁梁的力矩系数在背风侧轨道达到最大;当列车通过桥塔,受遮挡车辆的平均表面风压会显著减小,当其位于迎风侧轨道时影响最明显,但在靠近桥塔边缘处的表面风压波动较为剧烈;双车交会时,车辆的阻力和升力系数随交会间距的增大而增大;三车交会时,位于迎风侧列车后方的车辆阻力和升力系数显著下降,中间车的升力系数最小且阻力系数为负数;随着桥上列车数量的增加,桁梁的阻力和升力系数逐渐增大,而力矩系数基本保持不变。     

雷暴冲击风作用下高层建筑风压频域特性

为研究雷暴冲击风作用下高层建筑风压的频域特性,采用冲击射流装置模拟雷暴冲击风,对矩形高层建筑模型进行测压试验。根据试验数据,对模型表面的脉动风压系数功率谱、水平和竖向相关系数、水平及竖向相干函数进行了详细分析,讨论了模型所在径向位置对脉动风压频域特性的影响。结果表明:各径向位置处模型迎风面的脉动风压功率谱与来流脉动风速谱基本一致;侧面与背风面脉动风压的能量主要集中在旋涡脱落频率处;风压相关性随测点间距离的增大而减小;迎风面风压的水平和竖向相干性均较强,脉动风压同步性较好;侧面测点风压水平相干性在折减频率小于0.2时较为显著,竖向相干性在整个频率范围内相对较好;背风面测点风压的水平和竖向相干性在折减频率小于0.1时较好,随着折减频率增大,相干性迅速减弱;迎、背风面中心测点风压在折减频率0.06附近存在较强的水平相干性,相位角相差180°左右,脉动风压呈现相反的相位特征。     

桥梁断面颤振稳定性的直接计算法

利用通用CFD软件进行桥梁断面颤振稳定性的直接数值计算对于初步设计阶段估计桥梁断面的颤振临界风速具有重要意义。本文基于CFD软件Fluent,发展了桥梁断面颤振稳定性的直接计算方法。利用直接计算方法对典型矩形断面和典型流线形断面的颤振稳定性进行了数值计算,并将计算结果与风洞试验结果进行了对比。对比结果表明了本文计算方法的正确性。     

矩形断面抖振阻力空间分布特性试验研究

为了研究紊流作用下钝体抖振阻力的空间分布特性及流固相互作用机理,以2:1矩形断面为例,通过刚性模型测压试验研究了抖振阻力的跨向相关性及空间能量分布特性。结果表明,当紊流积分尺度与钝体特征尺寸相当时,抖振阻力的相关性高于纵向脉动风,这也许是由漩涡沿展向发生拉伸引起。而在分离点附近,来流漩涡会发生剧烈畸变,顺流向大尺度漩涡会破碎成小尺度漩涡,在此过程中能量由低频向高频的转移,并导致脉动压力的跨向相关性也会有所减弱。与迎风侧不同,背风侧脉动压力主要受钝体尾流中的紊流成分影响,其漩涡沿跨向拉伸程度可能要高于迎风侧,以致背风侧脉动压力的跨向相关性强于迎风侧。顺流向分离涡在由分离点向中部运动过程中,其高频的小尺度漩涡可能并没沿顺流向拉伸,而是直接耗散,从而导致脉动压力谱在低频保持不变,而在高频区下降。     

双矩形拱肋间的气动干扰效应研究

以某拱桥为例,通过数值模拟研究了串列双矩形拱肋的气动干扰效应,及其对两截面气动力系数的影响。在对计算模型进行验证的基础上,进一步研究了截面宽高比、间距比和来流风攻角对拱肋周围流场的影响,并结合压力云图和湍动能云图解释了气动力系数的变化规律,讨论了不同宽高比截面的漩涡脱落频率与结构自振频率之间的关系,分析了两拱肋升力时程的差异对整体扭矩可能产生的增大效应。结果表明：串列拱肋间的气动干扰效应显著。受上游截面尾流的影响,下游截面的阻力系数明显减小,其值与漩涡的形态、能量大小、移动轨迹等因素密切相关。上、下游截面的升力时程在幅值和相位上存在明显差异,导致拱肋整体的力矩增大,其效应随宽高比或间距比的增大而明显加强,随风攻角的增大而有所降低。漩涡脱落频率随宽高比的增大呈先增大后减小的趋势,而受间距比、风攻角的影响有限。对漩涡脱落频率与宽高比的变化进行多项式拟合,结合结构的模态频率可为拱肋的气动外形设计提供参考。     

并列双幅变截面箱梁阻力系数的干扰效应研究

基于节段模型风洞试验,对比研究了4种不同高宽比的并列双幅箱梁在不同风攻角和不同间距时的阻力系数与单箱梁阻力系数的差异。给出了阻力系数干扰因子(定义为双箱梁上游(或下游)箱梁阻力系数与单箱梁阻力系数的比值)随风攻角和间距变化规律。结果表明:上游箱梁阻力系数的干扰效应主要体现在D/B≤1的间距范围。高宽比对上游箱梁阻力系数干扰效应的影响不大。当0.025≤D/B≤1,风攻角为-10°~10°时,上游箱梁阻力系数干扰因子的变化范围为0.8~1.3左右;下游箱梁阻力系数的干扰效应表现为显著的减小效应。这种减小效应随着间距的减小和高宽比的增大愈发明显,与负向风攻角时相比,这种减小效应在正向风攻角时更明显。     

平流层飞艇气动阻力的数值模拟及公式拟合

该文以某中间有圆柱段的平流层飞艇为研究对象,在验证数值模拟方法的基础上,分析了尾翼、长细比、高度及雷诺数对飞艇气动阻力的影响。基于参数分析,采用TableCurve3D软件拟合给出了该艇型在水平姿态下的气动阻力系数估算公式,且给出攻角对公式的修正。研究表明:水平姿态下,平均风压系数沿着艇体头部逐渐减小,中间圆柱段保持稳定,沿着尾部逐渐增加;沿着艇体方向,风压系数曲线斜率拐点出现在各段连接附近。尾翼及艇体对阻力系数的贡献值随着俯仰角的增大而增加,但艇体是主要的贡献者;气动阻力系数随着长细比和高度的增加呈现先减小后增加趋势,随着Re数（1.0×107~2.0×108）的增加而递减。     

不同约束情况下双矩形断面的涡振性能分析

双矩形断面间存在显著的气动干扰效应。通过开展一系列节段模型测振和动态测压风洞试验研究宽高比为5∶1的双矩形断面的涡振性能;经测振试验得到上、下游断面均固定、仅上游断面固定、仅下游断面固定和两幅断面均自由4种情况下双矩形断面的涡振响应;并从平均风压系数分布、脉动风压系数分布、分布涡激气动力与整体涡激气动力的相关系数、分布涡激气动力的贡献系数以及卓越频率处的涡激气动力系数幅值等时域和频域统计特性分析了双矩形断面的涡振机理。结果表明:两幅断面均自由时上游断面的涡振响应相比下游断面固定时有所减小,而下游断面的涡振响应相比上游断面固定情况下显著增大;固定与否对于下游断面竖弯和扭转涡振影响相比对于上游断面更加显著;双矩形断面迎风面和背风面分布涡激气动力对整体涡激气动力的的贡献较小,可以忽略其影响;上游断面下风侧区域以及下游断面上风侧区域的分布涡激气动力对整体涡激气动力的影响从相关系数、贡献系数以及卓越频率处的涡激气动力系数幅值等角度来看均较为显著。总体而言不同约束情况下统计参量分布较为类似,但数值上的差异不可忽略。