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。     

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。     

大跨度缆索承重桥并列索尾流激振研究

近距离并列索(并列吊索和并列斜拉索)在大跨度缆索承重桥中应用广泛,下游索常会发生尾流致涡激共振、尾流驰振和尾流颤振等尾流激振。以间距为4 D(D为圆柱直径)的串列和错列双圆柱的尾流致涡激共振和尾流驰振为研究对象,在风攻角为0°~20°的条件下,主要通过风洞试验研究了下游圆柱发生尾流激振的起振条件、振动幅度和运动轨迹,研究了提高结构阻尼比的减振效果,讨论了尾流驰振的雷诺数效应,结合静止双圆柱绕流场的大涡模拟结果对尾流干扰机理进行了探讨。研究表明:在某些风攻角下,下游圆柱的尾流致涡激共振振幅远大于单圆柱涡激共振振幅;在0°以外的其他风攻角下,下游圆柱均发生大幅尾流驰振,但小攻角(5°和10°)与大攻角(20°)下的尾流驰振现象有明显差别,很可能存在不同的流场激励机理;风攻角为15°时,下游圆柱的尾流驰振有明显的雷诺数效应,其动力响应特性与经典驰振不同,下游圆柱起振后的振幅和运动轨迹随雷诺数(风速)的增大呈现复杂的变化形态;提高结构阻尼比可有效抑制下游圆柱的尾流致涡激共振,但对尾流驰振的减振效果不佳。     

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。     

宽高比为5的矩形断面梁气动力展向相关性研究

针对宽高比为5的矩形断面梁进行了节段模型测压风洞试验,研究了气动力的展向相关性随展向间距和来流风攻角的变化规律。研究结果表明:气动力的展向相关系数随展向间距的增大而逐渐减小;在同一展向间距下,升力的展向相关系数最大,扭矩的展向相关系数次之,阻力的展向相关系数最小。升力和扭矩的展向相关系数在0°风攻角时最大,且随着风攻角的增大而减小。     

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。     

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。     

缆索承重桥并列索平均气动性能的雷诺数效应

近距离并列吊索和并列斜拉索在大跨度缆索承重桥中有广泛的应用,但目前在计算并列索静力风荷载时只考虑顺风向阻力的影响,没有考虑因尾流干扰所产生的横风向升力的作用。通过风洞试验,在雷诺数Re= 0.9×105~4.6×105（涉及亚临界雷诺数区和临界雷诺数区）研究了多种不同相对位置的并列双圆柱的平均阻力、平均升力和斯特罗哈数随雷诺数的变化规律。研究结果表明:并列圆柱的平均气动性能有强烈的雷诺数效应,临界雷诺数下的气动力系数与亚临界区有很大的差异;在临界雷诺数区域,下游圆柱的平均升力系数会随雷诺数的增大发生不连续突变,这种气动力的突变很可能与双圆柱绕流场的流态结构的演变有关;受上游圆柱的尾流干扰,在临界雷诺数区域内下游圆柱的平均升力系数可达到1.25以上,远大于下游圆柱的平均阻力系数,因而在计算并列索静力风荷载时有必要考虑横风向平均升力的作用。     

既有桥梁对邻近新建桥梁三分力系数的气动干扰效应

以某一主跨310m的独塔斜拉桥扩建工程为背景,通过节段模型测力风洞试验研究既有桥梁对其邻近新建桥梁三分力系数的气动干扰效应,引入气动干扰因子研究新建桥梁三分力系数受邻近既有桥梁影响的规律,并利用CFD手段从流场的角度定性的解释了产生干扰现象的机理。研究结果表明:既有桥梁对新建桥梁在施工和成桥运营阶段的三分力系数可能会产生十分显著的影响,并且新建桥梁三分力系数气动干扰因子随风攻角的改变在成桥和施工阶段呈现相似的规律性变化;阻力系数气动干扰因子随着风攻角绝对值的增大而增大;升力系数气动干扰因子随风攻角的增加呈递减的变化趋势,升力矩系数气动干扰因子随风攻角的变化规律较不明显。     

带三根绊线圆柱的气动力特性研究

在亚临界雷诺数下(Re=4×104),采用大涡模拟方法对带三根绊线圆柱绕流场进行了数值模拟,研究了圆柱表面风压分布、平均气动力和Strouhal数(St)随绊线位置角(β)的变化规律,分析了带绊线圆柱的流场流态与气动性能之间的相关性,探讨了分离泡对圆柱气动性能的影响机制。研究表明:三根绊线会对圆柱的气动性能造成很大影响,其最大平均阻力系数较带单根绊线圆柱与光圆柱分别提升了32%及50%左右,最大平均升力系数则比单绊线圆柱高37%;带三绊线圆柱的St数低于光圆柱,并会随着β的增加单调递减;受绊线的影响,气流往往会在绊线位置提前分离,从而导致带三根绊线圆柱的尾流宽度较光圆柱更宽,并导致圆柱的阻力系数增大;绊线在β=50°附近时,在绊线分离的剪切层会再附到圆柱表面,形成单侧分离泡,这会导致圆柱表面出现局部强负压,并受到平均升力的作用。     

分离双钢箱梁涡激振动气动干扰试验研究

间距和风攻角是分离双钢箱梁涡激振动干扰的主要影响因素。通过节段模型风洞试验研究了-5°~+5°之间8个不同风攻角下分离双钢箱梁在极小间距(D/B=0.025,D为双箱梁的净间距,B为单箱梁宽)、较小间距(D/B=0.1)、中等间距(D/B=0.4)和较大间距(D/B=3.0)时的涡振特性,并将结果与单钢箱梁的结果进行了对比。研究发现:在极小间距和中等间距时,气动干扰放大了上下游箱梁的涡激振动;在较小间距时,双箱梁的涡振特性与来流风攻角密切相关,随着风攻角的逐渐变小,气动干扰对上下游箱梁涡激振动的影响由抑制效应逐渐转变为放大效应;在较大间距时,上游箱梁对下游箱梁涡激振动存在一定的抑制效应,下游箱梁对上游箱梁涡激振动的影响可以忽略。     

分体三箱断面主梁桥梁的抗风性能及气动优化

为研究分体三箱断面主梁桥梁的抗风性能并提出有效的气动优化措施,基于某公铁两用分体三箱断面主梁大跨度斜拉悬索协作体系桥梁,开展了不同风攻角、不同紊流度流场以及5种不同气动措施下的节段模型风洞试验。结果表明,箱体分离会使主梁断面颤振临界风速大幅提高,但会造成箱体间流场的复杂化从而带来涡激振动(VIV)问题。成桥状态原始断面0°、±3°攻角下均发现了扭转VIV,最大扭转振幅1.238°;颤振临界风速均高于97.3 m/s。桥面抑流板、不同检修轨道位置及梁底导流板3种措施对扭转VIV抑制效果不理想;箱体间隙处加装均布纵向格栅可有效抑制扭转VIV,且透风率越小优化效果越明显,但透风率小于23%的格栅会造成颤振临界风速的下降;10%透风率格栅与下中央稳定板组合措施在完全抑制扭转VIV的同时保证了桥梁的颤振性能。基于计算流体动力学(CFD),得到了原始断面和优化工况主梁周围的流场结构及气动力变化规律。箱体间距处与下游公路箱上方大尺度旋涡的形成是主梁VIV的主要诱因。优化后断面箱体间距处大尺度旋涡被打散,升力和扭矩时程均方根(RMS)明显减小,从而有效改善了主梁的VIV性能。同时优化工况的升力和力矩系数曲线的斜率在±5°攻角范围内均为正值,说明主梁具备了气动稳定必要条件。     

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。     

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。     

展向剪切流作用下斜置圆柱气动特性研究

采用大涡模拟方法,研究斜置圆柱在展向剪切流作用下的气动性能。研究了不同剪切流强度对斜置圆柱的表面风压、Strouhal数、气动力时程及其功率谱、气动力展向相关性等气动性能的影响,并探讨了剪切流对斜圆柱气动性能的作用机理。结果表明:在均匀流作用下,斜置圆柱尾流区会产生强烈的轴向流,卡门涡脱强度大大减弱;展向剪切流对斜置圆柱的表面风压和气动力等气动性能有较大影响;展向剪切流会破坏轴向流在斜置圆柱尾流区的形成,并且当剪切流的剪切系数足够大时,可完全阻止轴向流的出现,从而减弱或消除了抑制卡门涡脱的因素,恢复了斜置圆柱的卡门涡脱强度。     

上游切角对串列双方柱气动性能影响研究

串列双方柱气动干扰效应与方柱本身的绕流特征有很大的关系,方柱角部局部外形变化将对串列双方柱的气动干扰效应产生明显的影响,相关的研究仍较少。采用基于雷诺平均SST k-ω湍流模型的二维非定常绕流数值模拟方法,研究了上游方柱无、有切角(切角率10%)对串列双方柱气动性能的影响,通过间距比为2.0时无切角工况的数值模拟结果与文献试验结果的对比,验证了模拟方法及参数设置的有效性;根据升、阻力系数的对比分析,确定了上游无、有切角时串列双方柱的气动力突变临界间距比分别为4.6和4.1;对两临界间距比情况的无、有切角串列双方柱,分别进行了基于空间平均的三维非定常绕流大涡模拟,从风压分布角度详细分析了上游方柱切角处理对串列双方柱气动性能的影响,从方柱周围的时均和瞬态流场角度进行了机理分析。上游方柱切角后,在剪切层发生分离再附,尾流变窄,旋涡脱落更趋复杂,引起流场流态的变化,风压分布受到影响,方柱升、阻力系数降低,临界间距缩短。     

不同风攻角下薄平板断面颤振机理研究

薄平板在汽轮机末级叶片和风力机叶片等领域获得了广泛的应用,也作为基准对象用于流线型箱梁的颤振研究中。由于不同来流攻角对薄平板气动性能的影响不同,因此研究不同攻角下薄平板的颤振机理,把握其颤振特性,对保障结构安全具有重要意义。以宽高比为40的薄平板模型为研究对象,基于不同风攻角下的颤振导数,采用双模态耦合颤振分析方法,通过对不同攻角下颤振过程中气动阻尼、弯扭运动相位的差异性分析,研究了薄平板在不同风攻角下的颤振机理,指出了影响颤振性能的主要原因。研究结果表明:0°和3°攻角下颤振性能相似,均为扭转主导的弯扭耦合颤振;在5°和7°攻角下,薄平板虽然发生扭转主导的弯扭耦合颤振,但此时非耦合气动力提供的气动正阻尼显著减小,而耦合气动力提供的气动负阻尼增强,因而直接导致了大攻角下薄平板颤振临界风速的显著降低;同时,随着攻角由小到大变化,弯扭运动间的相位差也随之变化,并在7°攻角下发生了翻转式性转变:由扭转运动滞后于竖向运动转变为了竖向运动滞后于扭转运动。研究成果揭示了薄平板在大攻角下颤振性能弱化的气动弹性力学机理,为工程薄平板的颤振设计提供了参考。     

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动状况对下游圆柱涡激振动的影响规律及其流场机理。研究表明:上游圆柱的运动状况对下游圆柱涡激振动有显著影响;与上游圆柱固定情况相比,上游圆柱振动时下游圆柱存在明显的振动锁定区间;下游圆柱横流向振幅更大且最大振幅发生在更高的折减风速下。振动过程中两类串列圆柱的顺流向间距比明显不同。上游圆柱固定时,顺流向圆柱间距大于上游圆柱振动情况。两类双圆柱的尾流模态也有明显不同,上游圆柱固定、下游圆柱振动时的串列双圆柱为平行涡街模态,而上下游圆柱均能振动时的尾流为"2S"模态。     

两种典型覆冰斜拉索气动特性及驰振分析

应用FLUENT中的SST k-ω模型对不同风速下三维新月形、D形覆冰斜拉索的绕流场进行数值模拟,得到了0°~60°风攻角下的阻力系数、升力系数以及驰振力系数,并与直向拉索的模拟数据进行对比,进而研究风速、覆冰类型、风攻角以及斜向角度对拉索气动特性和驰振稳定性的影响规律。结果表明:风速、覆冰类型、风攻角以及斜向角度对覆冰斜拉索的阻力系数、升力系数均有影响,且影响规律不尽相同;经过计算,在特定风攻角处,覆冰斜拉索的驰振力系数小于0,具有发生覆冰驰振的可能性;通过比较各模拟数据,可以看出直索不能代替斜拉索进行数值模拟来研究其气动特性及驰振稳定性。     

斜拉索干索驰振机理的数值模拟与试验研究

采用数值模拟和风洞试验方法,对斜拉索干索驰振机理进行研究。基于FLUENT商业软件平台,研究斜索和直索的风压系数、平均气动力系数、脉动气动力系数的轴向相关性等;进行粒子图像测速(PIV)风洞试验,对斜索尾流进行可视化显示,研究斜拉索背后的轴向流特性。研究结果表明:斜索的平均升力系数在特定的倾角和风攻角下会发生突降,其驰振力系数为较大的负值(-4.74),可能会发生驰振;斜索各截面气动力的轴向相关系数比直索要小,甚至会出现负的相关系数;在平均气动力系数突降的风攻角下,尾流中的轴向流不是非常明显,轴向流对于干索驰振的影响值得进一步定量研究。