斜拉索風雨振中流動誘發(fā)振動機理的研究.pdf

1、斜拉索橋因具有設計建造經(jīng)濟、外觀優(yōu)美、能夠?qū)崿F(xiàn)大跨度等顯著特點,從而在現(xiàn)代橋梁建設中占據(jù)重要的地位。然而隨著橋梁跨度的增大,斜拉索的長度及柔性增強,在中等風速及降雨作用下拉索容易發(fā)生較大幅度的振動,對拉索橋梁的安全構成嚴重威脅。這種振動被稱為“風雨振”,自上世紀九十年代以來,人們對風雨振的產(chǎn)生機理進行了大量的研究,但至今尚未有定論。
　　斜拉索風雨振涉及了風、雨、拉索等因素之間復雜的耦合,其中拉索上表面形成的周期擺動水線對風雨振有

2、關鍵作用。圍繞氣流、雨(線)、拉索進行的流動誘發(fā)振動的分析以及該過程中流動形態(tài)的研究可為揭示斜拉索風雨振的振動機理提供重要的幫助。近年來,人們采用風洞實驗、現(xiàn)場實測、理論分析等方法對風雨振的研究取得了豐碩的成果,為揭示風雨振發(fā)生機理打下基礎。而隨著高性能計算機的飛速發(fā)展、計算流體力學方法的進步及廣泛應用,使得通過數(shù)值模擬方法獲得風雨振流動細節(jié)成為可能,這為風雨振機理研究提供又一有效手段。數(shù)值模擬的結果可為實驗及分析結果提供重要的補充。<

3、br>　　本文采用數(shù)值計算方法對斜拉索風雨振流動誘發(fā)振動問題進行了研究,旨在弄清風、雨及拉索之間的耦合機制,揭示拉索風雨振的振動機理,為斜拉索橋梁設計提供理論支持。并以此項研究為背景,對包涵湍流模擬、流-固耦合、二相流模擬的復雜計算問題在數(shù)值計算方法上進行探討。本文的主要研究內(nèi)容如下:
　　首先,建立了斜拉索風雨振數(shù)值模擬的計算模型。通過對風雨振多元素耦合過程的模塊化處理,并構建相應的計算模型,提出了求解風雨振中風、雨、拉索間相互

4、作用的弱耦合算法,從而獨創(chuàng)性的解決了包括流-固耦合、二相流模擬的復雜湍流計算問題,拓展了風雨振的研究方法。其中,為了解決拉索結構與流場之間的耦合,提出了一種基于函數(shù)控制的動態(tài)網(wǎng)格處理方法,該方法通過時變空間分布函數(shù)來控制計算域內(nèi)網(wǎng)格隨拉索結構的運動,一方面克服了一般動態(tài)網(wǎng)格處理方法中因重畫而產(chǎn)生的大量計算消耗,另一方面也能通過分布函數(shù)的選取來保持結構附近計算域內(nèi)網(wǎng)格的高質(zhì)量,為將要進行的湍流及二相流模擬提供保障。
　　其次,研究了

5、上水線在風雨振中的作用。通過對帶有上水線的拉索模型流場進行數(shù)值計算,詳細分析了來流速度、上水線位置角等因素對流場流動特征及拉索受力特征的影響,揭示了流場、拉索氣動力在上水線位置變化時發(fā)生突變的規(guī)律,這一變化規(guī)律與已有的實驗結果很好的吻合。在計算結果的基礎上考慮拉索受到的平均和脈動氣動力的共同作用,建立了分析上水線在拉索表面擺動時拉索振動特征的理論模型,分析的結果揭示了拉索大幅振動的條件以及風雨振以“拍”形式振動的一種可能的機理。

6、　　然后,研究了拉索振動時的氣動響應及拉索振動與周圍流場的耦合作用。通過對帶有上水線拉索模型受迫振動時的流場模擬,研究了風速、水線位置角、拉索固有頻率變化時拉索的氣動力響應。揭示了拉索平均和脈動升、阻力系數(shù)以及氣動響應頻率隨風速、水線位置、拉索固有頻率的變化規(guī)律。通過對流動誘發(fā)振動的帶上水線拉索模型繞流場進行模擬,分析了平均和脈動升、阻力系數(shù)隨水線位置角的變化以及不同水線位置角時拉索的振動特征、流場形態(tài)的變化。揭示斜拉索風雨振流動誘發(fā)的

7、機制。
　　最后,模擬分析斜拉索風雨振中風、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)控制的彈性動態(tài)網(wǎng)格方法,對風雨振多相耦合流場進行模擬,實現(xiàn)了包涵湍流、二相流、流-固耦合復雜流動問題的計算,分析了兩種拉索傾斜姿態(tài)下拉索氣動力及耦合流場特性。為更好的理解拉索風雨振的振動機理提供幫助。
　　本文采用計算流體力學方法,通過對風、雨(線)、拉索三者耦合流場的計算,系統(tǒng)研究了三者之間的相互作用機制,研究結果揭示