刚性联结串列双圆柱尾流致涡激振动研究EI北大核心CSCD

为了研究刚性联结对串列双圆柱尾流致涡激振动的减振效果及其流场作用机理,以圆心间距为4D(D为圆柱直径)的无联结及刚性联结串列双圆柱为研究对象,在雷诺数Re=150时,采用数值模拟方法研究了刚性联结对圆柱振幅、振动轨迹和锁振区域的影响规律,分析了振动响应和气动力之间的内在联系,探讨了两类圆柱振动差异背后的流场机理。研究表明:刚性联结对串列双圆柱的尾流致涡激振动有一定的减振作用,提高了发生涡激振动的起振风速,减小了发生涡激振动的折减速度范围,降低了下游圆柱的振幅,但上游圆柱振幅略有增加。发生尾流致涡激振动时,无联结串列双圆柱和刚性联结串列双圆柱的的流固耦合机制不同,两者的尾流模态有很大差异。     

悬索桥双吊索尾流致涡激振动的大涡模拟

双吊索在大跨度悬索桥上应用广泛,在强/台风作用下,下游吊索常发生尾流激振。采用大涡模拟法,对雷诺数为1×10~4～4×10~4的串列双圆柱尾流致涡激振动进行数值模拟,研究了振动特性和流场流态随折减风速的变化规律,探讨了下游圆柱的动力响应、绕流场特性以及气动力三者之间的耦合关系,分析了尾流致涡激振动的流场干扰机理。结果表明:大涡模拟结果与风洞试验结果吻合良好,在某些折减风速范围内,下游圆柱会发生较大幅度的尾流致涡激共振;在下游圆柱的横风向振幅逐渐增大过程中,位移的瞬时相位领先于升力,在一个振动周期内升力对下游圆柱做正功,而位移与升力之间的相位差则逐渐增大;当发生涡激共振时,上游圆柱的尾流对下游圆柱有两种干扰形式:当下游圆柱偏离平衡位置时,从上游圆柱脱落的旋涡与下游圆柱的剪切层发生相互作用;而当下游圆柱在平衡位置附近时,上游圆柱的旋涡会撞击到下游圆柱迎风面。     

错列斜拉索尾流驰振及其抑振措施研究

以实际工程中的斜拉桥错列斜拉索为工程背景,设计了一套斜拉索风洞试验装置,对非平行的双排斜拉索进行了气弹模型风洞试验,研究了风攻角和风偏角对拉索振动的影响。试验观察到下游拉索发生明显的尾流驰振,尾流驰振的振幅及轨迹受风攻角与风偏角的影响显著。当风攻角为5°、风偏角为10°时下游拉索最容易发生大幅尾流驰振,因此将此组合工况定为最不利工况。针对此最不利工况施加了三种抑振措施,分别为刚性杆连接、弹性杆连接和增加阻尼,试验结果表明加刚性连接杆或弹性连接杆成功抑制尾流驰振,而当阻尼比小于0.68%时,增加阻尼对尾流驰振的抑振效果不明显。     

双圆柱尾流致涡激振动的质量比效应及其机理

双圆柱尾流激振受多种因素影响,情况复杂,质量比m*(相同体积的圆柱与流体质量的比值)对双圆柱尾流激振的影响规律尚未澄清。采用数值模拟方法,在低雷诺数下(Re=100),研究了三种质量比(m*=2,10,20)对串列双圆柱尾流致涡激振动特性和尾流流场结构的影响规律,分析了下游圆柱的升力与位移的相位差,探讨了涡激升力与能量输入的内在联系。结果表明:质量比对串列圆柱尾流致涡激振动有重要影响。随着质量比的增大,横流向最大振幅减小,并发生在较小折减速度下,振动锁定区域范围变窄;质量比越小,升力与位移之间的相位差对下游圆柱振幅的影响越显著;在较小质量比时尾流出现“2S”、不规则和平行涡街模态,而在较大质量比时只有“2S”和平行涡街模态。     

中间索面斜拉桥并列拉索尾流驰振数值研究

针对中间索面斜拉桥并列拉索的尾流驰振,本文在驰振基本理论的基础上结合大涡数值模拟方法进行了数值研究。研究首先回顾了驰振的基本理论,进一步利用大涡数值风洞模拟方法获得了横风下并列拉索的静风荷载系数,并分析了不同风攻角时上游索对下游索三分力系数的影响。在驰振判别原则的基础之上开展并列拉索尾流驰振的判别方法和发生风速的研究。结果表明上游拉索不会发现驰振失稳,下游拉索则发生驰振失稳的可能性很高,同时提高拉索结构阻尼比或者改变拉索局部振动频率均能有效地提高尾流驰振发生风速。论文最后建议并列拉索采用连接器相连的措施以提高拉索局部振动的频率,该措施可以极大地提高拉索尾流驰振稳定性。     

不同排列小间距双方柱涡激振动数值模拟研究

为研究不同排列下小间距双方柱涡激振动特性及其振动机理,在雷诺数为100时,对间距比为2、质量比为3的串列、错列和并列排列双方柱涡激振动进行数值模拟研究,分析了双柱在折合流速U_r=1～30下的响应振幅及频率特性,并得到振动柱体的升阻力系数,以了解其气动力系数的变化情况,探讨了不同排列下双柱尾流结构的变化情况。结果表明：串列及错列排列中,下游柱涡激振动振幅远大于单柱,上游柱振动受到抑制(θ=60°的双方柱排列情况除外)。并列排列中,双柱振动曲线几乎一致,其涡激振动振幅比单柱稍大。各排列双柱均发生尾流驰振现象,使其在U_r超出共振区时仍保持较高的振幅。不同排列的双柱阻力系数C_D(θ=30°的双柱排列下游柱除外)均在共振区内突增,在共振区外保持不变。在共振区内,双柱C_Lrms随U_r的变化情况与A^*的大小有关;在其余U_r范围内,双柱C_Lrms基本不变。串列双柱存在3种尾流模式,θ=30°双柱排列的尾流模式与串列双柱相似,但在...     

横流向热浮升力对并列双圆柱流致振动的影响EI北大核心CSCD

采用浸入边界法对横流向热浮升力作用下并列双圆柱的流致振动进行数值模拟研究。详细总结了理查森数Ri=3条件下并列双圆柱的最大振幅、时均位移、升阻力系数、频率特性和尾流模式等随间距比及折合流速的变化规律。研究发现:在横流向热浮升力作用下,并列双圆柱振幅和升、阻力系数呈现不对称特点,振动响应除出现涡激振动外,在更高折合流速下出现驰振;圆柱振动平衡位置相对其初始位置均发生与热浮升力反向的偏移,偏移量随折合流速增大而增加;在涡振阶段,并列双圆柱尾流场表现出稳定的宽窄尾流模式,两个圆柱的泄涡基本保持反相同步;在驰振阶段,尾流场表现为同相同步模式,圆柱的振动响应出现了倍频锁定现象。     

高雷诺数下错列双圆柱气动干扰的机理研究EI北大核心CSCD

为了进一步澄清小间距错列双圆柱的气动干扰机理,该文采用大涡模拟方法,在高雷诺数下(Re=1.4×105),研究了间距为2倍圆柱直径的错列双圆柱的气动性能和流场特性随风攻角的变化规律,分析了两个圆柱气动力系数相关性,探讨了下游圆柱气动力与流场结构的内在联系,对下游圆柱平均升力的流场机理提出了新的解释。研究表明,大涡模拟得到的结果与风洞试验值吻合良好;下游圆柱的气动性能、流场结构和两个圆柱气动力相关性均会随风攻角发生剧烈变化;风攻角在0°~10°时,下游圆柱受平均负阻力作用,其原因分别为两圆柱间的回流区和间隙流;风攻角在10°附近时,下游圆柱受很大平均升力作用,风压停滞点偏移、两圆柱间高速间隙流、下游圆柱间隙侧剪切层的提前分离和再附是平均升力出现的三个因素。     

Scruton数对小宽高比H型断面典型攻角风致振动的影响

驰振是一种易发于细长钝体构件的横风向气动失稳现象，质量阻尼参数是影响结构驰振特性的关键参数之一。为探究质量阻尼参数对小宽高比H型断面驰振的影响规律，本研究以曾家岩嘉陵江大桥H型吊杆为工程背景，针对宽高比B/D=1.91的H型断面进行节段模型风洞试验，得到典型风攻角下驰振响应特征，并分别研究了质量、阻尼参数变化所引起的Scruton数变化对大攻角驰振响应的影响规律，探讨了Scruton作为单一参数描述质量阻尼参数影响的可行性。试验结果表明：宽高比B/D=1.91的H型截面在风攻角0°和70°出现非定常大振幅驰振，当Scruton数增大，70°攻角的驰振振幅-风速曲线变化较0°攻角更显著；攻角0°和70°下的驰振临界风速均低于准定常理论值，采用经典准定常理论预测结果偏于危险，0°攻角相较70°攻角的起振风速更低，更容易发生风致振动，并且非定常驰振现象显著；阻尼比和质量比对不同风攻角下驰振的影响不同，在风攻角0°下，两者可近似由Scruton数统一表示，但在大攻角70°下，不能简单地由Scruton数表示。     

正三棱柱流致振动试验研究

以典型的圆柱流致振动为参照,进行了水中弹性支撑正三棱柱在不同刚度下的流致振动试验,系统阐述了正三棱柱的振幅与主频变化特性、频谱特征及尾流模式,并揭示了系统刚度对振动响应的影响。试验结果表明,有别于圆柱"自限制"的三个响应区间,正三棱柱的流致振动响应区间分别为:涡激振动分支,涡振-驰振转变分支及驰振分支。随折合流速增大,三棱柱的振动响应并未出现抑制现象。涡激-驰振转变分支中,振幅突增和频率突降,体现了由涡振向驰振的转变趋势;涡激振动上端分支和驰振分支中,柱体振动存在"锁频"现象。系统刚度的变化会造成相同折合流速下正三棱柱尾流模式的差异,进而影响振幅和频率响应。正三棱柱最大响应振幅比为2.11,大于现有圆柱试验的最大响应振幅比1.90。相比于圆柱,正三棱柱更有利于低速水流能的开发利用。     

斜拉桥并列拉索尾流驰振风洞试验研究

与水平布置的理想并列圆柱不同,自然风作用下斜拉桥并列拉索的气动绕流具有明显的三维特征。以实际工程中的并列拉索为工程背景,研制了一套并列拉索尾流驰振模型风洞试验装置,发展了相应的试验方法。针对远距失稳区拉索尾流驰振现象,通过较为系统的模型风洞试验,讨论了模型索尾流驰振轨迹的特点,对比分析了拉索间距、来流风向角、来流风攻角等对下流索振动特性的影响。研究结论对斜拉桥拉索的抗风设计具有指导意义。     

高雷诺数下串列圆柱尾流致涡激振动的机理研究

多圆柱之间的气动干扰常导致结构发生尾流激振。为进一步澄清双圆柱之间的气动干扰机理,采用大涡模拟(LES)方法,在高雷诺数下(Re=1.4×105)研究了串列双圆柱(圆心间距为1.5~4倍直径)的表面风压分布、气动力系数和Strouhal数等气动性能与流场流态之间的内在关系,研究了上、下游圆柱气动力之间的相关性,从平均和瞬态流场角度讨论了气动干扰效应的流场作用机制,建立了下游圆柱的激励力模型并对尾流致涡激振动进行了算例分析。研究结果表明:数值模拟得到的气动性能和流场流态与试验结果吻合较好,说明在高雷诺数下大涡模拟方法能准确模拟双圆柱气动干扰现象;随着间距的增大,串列圆柱依次呈现单一钝体、剪切层再附和双涡脱等三种干扰流态;上、下游圆柱气动力之间的相关性会随着流态的不同出现较大波动,双涡脱流态时的升力相关性最强;单一钝体流态时,两个圆柱间隙中的回流会导致下游圆柱受到负阻力的作用;双涡脱流态时,下游圆柱的脉动升力远大于其他两种流态,也明显大于单圆柱,因而下游圆柱发生尾流致涡激振动的可能性最大。     

凹痕对斜拉桥斜拉索气动性能影响研究

斜拉索具有长细比大、柔度大、阻尼小等特点,其风荷载和风致振动研究具有重要工程意义。通过测力和测振风洞试验,对具有特定形状、尺寸凹痕的斜拉桥斜拉索气动力和风致振动性能进行了研究,分析了风攻角和雷诺数对具有凹痕斜拉索平均阻力系数和平均升力系数的影响规律,研究了风攻角和雷诺数对具有凹痕斜拉索临界区振动特征值(振幅和平衡位置)的影响规律,结果表明:风攻角对具有凹痕斜拉索的气动力系数随雷诺数变化曲线影响明显,30°和60°风攻角下,临界雷诺数减小,临界区宽度增加;在试验雷诺数范围内,具有凹痕斜拉索在不同风攻角下最大振幅差别较大,60°风攻角时最大,30°风攻角时最小,而平衡位置偏移最大值在各个风攻角下基本相同。     

低雷诺数下两类串列圆柱的涡激振动

为了研究上游圆柱的运动状况对下游圆柱涡激振动的影响,针对两类串列双圆柱(上游圆柱固定、下游圆柱可作两自由度振动,上下游圆柱均可作两自由度振动),在低雷诺数下(Re=100),采用数值模拟方法,研究了下游圆柱在不同尾流干扰下的振幅、振动频率、相位差等振动特性随折减速度的变化规律,从能量输入和尾流模态角度探讨了上游圆柱的振...     

大跨度箱形钢拱肋气弹模型涡振试验研究

通过风洞试验研究了大跨度矩形钢拱肋气弹模型在均匀流场和紊流场中3种攻角(-3°、0°、+3°)、多种偏角(0°～90°)条件下的涡振响应.研究结果表明:均匀流场中,发现了稳定的一阶反对称竖弯和对称竖弯涡振,紊流场中未发现明显稳定的涡振;均匀流场中,一阶反对称竖弯涡振振幅很小,风速较低,锁定区也很窄;一阶对称竖弯涡振振幅很大,风速较高,锁定区也很宽;1/4断面涡振振幅大于拱顶断面涡振振幅;可以认为当偏角大于10°时,矩形拱肋不会出现涡振.     

基于气弹模型的串列主缆气动干扰试验研究

通过气弹模型风洞试验,研究了不同间距、风偏角、风攻角及固有频率下,串列主缆间的气动干扰特性.研究发现,上游模型的干扰会导致下游模型发生面外振动为主的尾流驰振,且上游模型会跟随下游模型出现同一模态的小幅振动;随间距减小,尾流驰振临界风速相应降低;在负风偏角及正风攻角下模型更易出现尾流驰振;固有频率变大,总体上可提高尾流驰振临界风速.发生尾流驰振时,有多个模态共同参与振动,且各模态参与程度随风速增加规律性变化.模型运动轨迹为主轴在一、三象限内的椭圆振动,随风速增加主轴方向没有明显改变.最后,通过CFD数值模拟方法对试验结果合理性进行了验证.     

带防撞栏杆扁平箱梁高阶模态涡激振动的CFD研究

为研究大跨度桥梁常用扁平箱梁带防撞栏杆时的高阶模态涡激振动(VIV)特性,基于雷诺时均Navier-Stokes(RANS)方程、SST k-ω湍流模型和动网格技术求解扁平箱梁的绕流场并获得气动力,将Newmark-β算法代码嵌入到用户自定义函数(UDF)求解该气动力作用下的桥梁动力响应,开展了大带东桥主桥加劲梁断面高阶模态涡激振动响应的预测,模拟雷诺数为3.18×10~4～6.10×10~4。获得了扁平箱梁断面随折减风速变化的高阶涡振响应振幅根方差(RMS)曲线和加速度时程,预测了与文献较一致的高阶模态涡激振动锁定区间。研究了阻尼比和来流风攻角对扁平箱梁高阶模态涡振响应幅值和加速度的影响,表明随着阻尼比的增大高阶模态涡激振动响应逐渐变小甚至消失,而来流风攻角只有大于2°时才会发生显著的高阶模态涡激振动。     

平行多幅连续钢箱梁桥抗风性能研究EI北大核心CSCD

为研究平行多幅连续钢箱梁桥的抗风性能,以引江济淮工程G312合六叶公路桥(主跨180 m,并列四幅钢箱梁)为背景,对单幅和并列多幅桥的节段模型和全桥气弹模型进行风洞试验,分析单幅桥的气动性能,以及多幅桥之间的气动干扰效应对大桥成桥状态涡振和驰振性能的影响,并结合计算流体力学仿真分析探究了桥幅数量对并列多幅桥气动性能的影响机理。结果表明,并列多幅桥的气动稳定性受单幅桥气动性能、风攻角和桥幅数量等众多因素的影响。对于相同的风攻角,随着桥幅数量的变化,多幅桥的气动性能可在涡振、驰振和抖振等不同状态转变;3°风攻角下,并列双幅桥会发生大幅竖向涡振,其风速锁定区间和最大涡振振幅都明显大于单幅桥;并列三幅桥会发生驰振响应,驰振临界风速大于单幅桥;按小间距平行错孔布置的四幅桥具有相对较稳定的气动性能,在试验风速范围内没有发生大幅涡振和驰振发散现象。     

高雷诺数下错列双圆柱气动干扰的机理研究

为了进一步澄清小间距错列双圆柱的气动干扰机理,该文采用大涡模拟方法,在高雷诺数下（Re=1.4×105）,研究了间距为2倍圆柱直径的错列双圆柱的气动性能和流场特性随风攻角的变化规律,分析了两个圆柱气动力系数相关性,探讨了下游圆柱气动力与流场结构的内在联系,对下游圆柱平均升力的流场机理提出了新的解释。研究表明,大涡模拟得到的结果与风洞试验值吻合良好;下游圆柱的气动性能、流场结构和两个圆柱气动力相关性均会随风攻角发生剧烈变化;风攻角在0°~10°时,下游圆柱受平均负阻力作用,其原因分别为两圆柱间的回流区和间隙流;风攻角在10°附近时,下游圆柱受很大平均升力作用,风压停滞点偏移、两圆柱间高速间隙流、下游圆柱间隙侧剪切层的提前分离和再附是平均升力出现的三个因素。     

π型断面超高斜拉桥涡振减振措施风洞试验研究

π型主梁断面涡激共振是影响其在大跨度桥梁中广泛使用的重要因素之一。以某大跨度超高三塔斜拉桥为工程背景,采用节段模型测试了施工状态主梁涡振性能,试验发现在设计风速范围内主梁存在明显的竖向涡激共振现象,且在规范规定的阻尼比范围内涡振振幅均大于规范限值;为抑制主梁涡振,设计了隔流板和下稳定板等气动减振措施。结果表明:一定宽度的隔流板虽然能降低主梁涡激共振振幅,但其减振效果有限;两道一定长度的下稳定板能较好的抑制主梁涡激共振,且满足颤振稳定性要求;最后,结合数值模拟的方法对涡振发生及减振机理进行了初步探讨。