斜拉索風(fēng)雨振中流動(dòng)誘發(fā)振動(dòng)機(jī)理的研究.pdf

1、斜拉索橋因具有設(shè)計(jì)建造經(jīng)濟(jì)、外觀優(yōu)美、能夠?qū)崿F(xiàn)大跨度等顯著特點(diǎn),從而在現(xiàn)代橋梁建設(shè)中占據(jù)重要的地位。然而隨著橋梁跨度的增大,斜拉索的長(zhǎng)度及柔性增強(qiáng),在中等風(fēng)速及降雨作用下拉索容易發(fā)生較大幅度的振動(dòng),對(duì)拉索橋梁的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。這種振動(dòng)被稱為“風(fēng)雨振”,自上世紀(jì)九十年代以來(lái),人們對(duì)風(fēng)雨振的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了大量的研究,但至今尚未有定論。
　　斜拉索風(fēng)雨振涉及了風(fēng)、雨、拉索等因素之間復(fù)雜的耦合,其中拉索上表面形成的周期擺動(dòng)水線對(duì)風(fēng)雨振有

2、關(guān)鍵作用。圍繞氣流、雨(線)、拉索進(jìn)行的流動(dòng)誘發(fā)振動(dòng)的分析以及該過(guò)程中流動(dòng)形態(tài)的研究可為揭示斜拉索風(fēng)雨振的振動(dòng)機(jī)理提供重要的幫助。近年來(lái),人們采用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、理論分析等方法對(duì)風(fēng)雨振的研究取得了豐碩的成果,為揭示風(fēng)雨振發(fā)生機(jī)理打下基礎(chǔ)。而隨著高性能計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展、計(jì)算流體力學(xué)方法的進(jìn)步及廣泛應(yīng)用,使得通過(guò)數(shù)值模擬方法獲得風(fēng)雨振流動(dòng)細(xì)節(jié)成為可能,這為風(fēng)雨振機(jī)理研究提供又一有效手段。數(shù)值模擬的結(jié)果可為實(shí)驗(yàn)及分析結(jié)果提供重要的補(bǔ)充。<

3、br>　　本文采用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)斜拉索風(fēng)雨振流動(dòng)誘發(fā)振動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了研究,旨在弄清風(fēng)、雨及拉索之間的耦合機(jī)制,揭示拉索風(fēng)雨振的振動(dòng)機(jī)理,為斜拉索橋梁設(shè)計(jì)提供理論支持。并以此項(xiàng)研究為背景,對(duì)包涵湍流模擬、流-固耦合、二相流模擬的復(fù)雜計(jì)算問(wèn)題在數(shù)值計(jì)算方法上進(jìn)行探討。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　首先,建立了斜拉索風(fēng)雨振數(shù)值模擬的計(jì)算模型。通過(guò)對(duì)風(fēng)雨振多元素耦合過(guò)程的模塊化處理,并構(gòu)建相應(yīng)的計(jì)算模型,提出了求解風(fēng)雨振中風(fēng)、雨、拉索間相互

4、作用的弱耦合算法,從而獨(dú)創(chuàng)性的解決了包括流-固耦合、二相流模擬的復(fù)雜湍流計(jì)算問(wèn)題,拓展了風(fēng)雨振的研究方法。其中,為了解決拉索結(jié)構(gòu)與流場(chǎng)之間的耦合,提出了一種基于函數(shù)控制的動(dòng)態(tài)網(wǎng)格處理方法,該方法通過(guò)時(shí)變空間分布函數(shù)來(lái)控制計(jì)算域內(nèi)網(wǎng)格隨拉索結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng),一方面克服了一般動(dòng)態(tài)網(wǎng)格處理方法中因重畫而產(chǎn)生的大量計(jì)算消耗,另一方面也能通過(guò)分布函數(shù)的選取來(lái)保持結(jié)構(gòu)附近計(jì)算域內(nèi)網(wǎng)格的高質(zhì)量,為將要進(jìn)行的湍流及二相流模擬提供保障。
　　其次,研究了

5、上水線在風(fēng)雨振中的作用。通過(guò)對(duì)帶有上水線的拉索模型流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,詳細(xì)分析了來(lái)流速度、上水線位置角等因素對(duì)流場(chǎng)流動(dòng)特征及拉索受力特征的影響,揭示了流場(chǎng)、拉索氣動(dòng)力在上水線位置變化時(shí)發(fā)生突變的規(guī)律,這一變化規(guī)律與已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好的吻合。在計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上考慮拉索受到的平均和脈動(dòng)氣動(dòng)力的共同作用,建立了分析上水線在拉索表面擺動(dòng)時(shí)拉索振動(dòng)特征的理論模型,分析的結(jié)果揭示了拉索大幅振動(dòng)的條件以及風(fēng)雨振以“拍”形式振動(dòng)的一種可能的機(jī)理。

6、　　然后,研究了拉索振動(dòng)時(shí)的氣動(dòng)響應(yīng)及拉索振動(dòng)與周圍流場(chǎng)的耦合作用。通過(guò)對(duì)帶有上水線拉索模型受迫振動(dòng)時(shí)的流場(chǎng)模擬,研究了風(fēng)速、水線位置角、拉索固有頻率變化時(shí)拉索的氣動(dòng)力響應(yīng)。揭示了拉索平均和脈動(dòng)升、阻力系數(shù)以及氣動(dòng)響應(yīng)頻率隨風(fēng)速、水線位置、拉索固有頻率的變化規(guī)律。通過(guò)對(duì)流動(dòng)誘發(fā)振動(dòng)的帶上水線拉索模型繞流場(chǎng)進(jìn)行模擬,分析了平均和脈動(dòng)升、阻力系數(shù)隨水線位置角的變化以及不同水線位置角時(shí)拉索的振動(dòng)特征、流場(chǎng)形態(tài)的變化。揭示斜拉索風(fēng)雨振流動(dòng)誘發(fā)的

7、機(jī)制。
　　最后,模擬分析斜拉索風(fēng)雨振中風(fēng)、雨、拉索三者之間的耦合作用。采用大渦模擬、VOF模型及基于函數(shù)控制的彈性動(dòng)態(tài)網(wǎng)格方法,對(duì)風(fēng)雨振多相耦合流場(chǎng)進(jìn)行模擬,實(shí)現(xiàn)了包涵湍流、二相流、流-固耦合復(fù)雜流動(dòng)問(wèn)題的計(jì)算,分析了兩種拉索傾斜姿態(tài)下拉索氣動(dòng)力及耦合流場(chǎng)特性。為更好的理解拉索風(fēng)雨振的振動(dòng)機(jī)理提供幫助。
　　本文采用計(jì)算流體力學(xué)方法,通過(guò)對(duì)風(fēng)、雨(線)、拉索三者耦合流場(chǎng)的計(jì)算,系統(tǒng)研究了三者之間的相互作用機(jī)制,研究結(jié)果揭示