大攻角下典型主梁断面颤振临界风速数值模拟

针对大攻角下主梁断面颤振稳定性问题,基于计算流体动力学软件ANSYS FLU-ENT用户自定义函数UDFs和动网格技术,结合Newmark-β法建立了桥梁主梁断面二维流固耦合分析方法,采用该方法在不同攻角下(0°、±3°、±5°、±8°)对薄平板和流线型箱梁断面颤振稳定性进行数值模拟研究,并将数值模拟结果与风洞试验研究结果进行了比较.结果表明:薄平板和流线型箱梁断面的颤振临界风速数值模拟结果与风洞试验结果吻合较好,验证了本文所建立的桥梁主梁断面二维流固耦合分析方法的精度.薄平板断面的颤振临界风速随攻角的增大显著降低;流线型箱梁断面在正攻角范围内颤振临界风速随着攻角的增大而降低,在负攻角范围内颤振临界风速随攻角绝对值的增加先增大后降低;当攻角较大时,薄平板断面和流线型主梁断面均表现出"钝体"特征,气流绕过断面前缘时发生分离,沿断面上下缘产生较大的涡,从而导致主梁断面颤振临界风速降低.     

流线型箱梁断面涡激力展向相关试验研究

针对闭口流线型主梁结构涡激力展向相关性问题,在均匀流场条件下分别对振动状态和静止状态流线型主梁节段模型进行了不同风攻角的涡激力展向相关性试验研究,分别分析了流线型主梁断面涡激振动响应、涡激力展向相关性及主梁表面压力等.结果表明:振动状态主梁断面涡激力展向相关系数与振幅、锁定区风速等相关,锁定区上升段主梁断面涡激力展向相关系数大于锁定区最大振幅处主梁断面涡激力展向相关系数,扭转涡振锁定区升力矩展向相关系数大于竖向涡振锁定区竖向涡激力展向相关系数;振动状态主梁断面测点压力系数展向相关系数与振幅相关,振幅越大则相关系数越大.     

流线型箱梁涡激共振响应模型尺寸效应

针对闭口流线型钢箱梁涡激共振响应风洞试验研究中存在的尺寸效应问题,依托广东南沙至中山高速公路洪奇门特大桥,采用风洞试验和计算流体动力学相结合的方法进行研究. 首先分析了两种几何缩尺比下闭口流线型箱梁节段模型风洞试验中涡激共振响应的差异;然后,采用流固耦合数值模拟方法计算了不同缩尺比闭口流线型箱梁断面涡振响应. 结果表明：闭口流线型钢箱梁涡激共振响应存在明显的模型尺寸效应,表现为常规比例（λL=1/60）主梁节段模型涡振振幅大于大比例（λL=1/30）主梁节段模型涡振振幅;二维数值模拟计算得到的涡激共振响应锁定风速区间、振幅与风洞试验结果吻合较好,验证了数值模拟方法的精度,同时也表明模型长宽比及试验阻塞率的差异不是闭口流线型箱梁涡激共振尺寸效应的主要影响因素;随着主梁断面模型缩尺比的增大,其涡激共振响应总体呈现下降趋势,且不同缩尺比下主梁断面静态绕流流场的涡脱频率分布存在显著差异.     

基于DES的车辆横风气动性能模拟

采用分离涡模拟(DES)方法,就横风对车辆侧向气动性能的影响进行数值计算。结果表明:随着风向角的增大,车辆的气动力系数均单调增大,当风向角为90°时达到最大值;在小风向角的情况下,头车的气动力系数最大,尾车最小。对静止车辆来说,车体前端和尾端的流场结构具有较强的对称性,在车辆的头、尾部均会产生脱落涡,且向列车的中部发展,与从风挡处气流分离产生的脱落涡干涉、融合,形成复杂的湍流结构,而中间车则受头、尾车的影响较小,在背风侧产生规则的脱落涡;同时尾涡内流速较低。对运动车辆来说,气流会在头车前端背风侧的上、下部产生2个脱落涡,并沿着车长方向发展,上部的脱落涡和从风挡处产生的脱落涡融合叠加,而下部的脱落涡则不受风挡的影响,同时漩涡内速度较高。     

三角翼周围非定常流动的三维涡方法数值模拟

为了研究三角翼周围不可压缩流动,利用离散涡元模拟了旋涡的产生、聚集和输送过程.用Lagrange法描述离散涡元的移动,涡元的移动速度通过广义Biot-Savart公式结合快速多级子展开方法计算,粘性扩散通过粒子强度交换(PSE)法模拟.数值模拟了80°后掠角的细长三角翼在低Reynolds数不同攻角下前缘涡的发展和非对称破裂特性,通过分析"滚转"力矩在攻角增大时的变化,得出自激"滚转"振动的起振攻角为23°.     

减振器对串联立管涡激振动抑制研究

基于Fluent软件,运用动网格技术及用户自定义接口编程,建立串联立管流固耦合模型,在考虑尾流干涉效应的前提下,分析减振器对串联立管涡激振动的抑制规律,并通过设计实验验证研究结果准确性。结果表明:减振器的存在改变了立管漩涡泄放频率,减振器尾角越小,漩涡泄放频率越小;当减振器尾角小于60°时,减振器对上下游立管的横向受力均有一定的抑制效果,当尾角大于60°时,减振器的涡激振动抑制效果不明显。     

风屏障对流线型箱梁涡振性能影响机理试验研究

为研究风屏障透风率对主梁涡振性能的影响,依托某主跨808 m大跨度钢箱梁悬索桥,通过风洞测振、测压试验得到模型风致振动响应和表面各测点压力时程数据.测试原桥断面在加设风屏障后±5°攻角范围内的涡振性能,对比分析原桥断面和3种不同透风率风屏障以及安装水平分流板5种工况下主梁涡振响应和桥面各测点脉动压力系数均值、根方差;同时分析局部气动力与总体气动力的相关性和贡献作用.研究结果表明,原断面在+5°攻角下发生了多区间竖弯涡激振动,且涡振振幅远超规范允许值.安装不同透风率的风屏障后对主梁的涡激共振产生了有利的影响,消除了主梁原断面在低风速区间的涡振,最大振幅也有一定的减小.根据测得的压力数据分析,带风屏障主梁上表面中后部压力脉动减弱及局部气动力与总体气动力贡献系数减小使得主梁振幅有了小幅减小;在主梁风嘴处添加水平分流板后,局部气动力与总体气动力的相关性被完全破坏,压力脉动减弱,从而有效地抑制了主梁在该情况下的涡振.     

不同风攻角下分离式双箱梁涡振气动力演化和局域相关性研究

通过弹簧悬挂节段模型同步测振测压风洞试验模拟结构涡激振动,以1座大跨度斜拉桥的分离式双箱梁为研究对象,测定均匀流场中不同风攻角下的涡振响应及表面风压。基于局部特征区域气动力与断面总体气动力的局域相关性概念,分析竖弯涡振时上游断面迎风侧下斜腹板、下游断面迎风侧斜腹板及顶板这3个关键局部特征区域的气动力演化特性及其与整体总气动力的同步演化关系。研究结果表明：当改变来流攻角时,在分离式双箱梁涡振过程中,不仅会使浸没在流场中的绕流状态、旋涡作用位置发生改变,还会使局部气动力与整体气动力的相关性发生改变。虽然断面不同区域的局部气动力与总体气动力的振动卓越频率相同,但其高阶谐波分量对应频率参与涡振作用的比例却随着风攻角变化而发生变化。另外,分离式双箱梁下游断面迎风侧斜腹板区域与整体断面的涡振特性有着较强的同步演化关系,在实际工程中需重点关注。     

涡发生器作用下圆柱涡激振动特性的试验研究

采用三角形涡发生器,选取不同的发生器构型、风偏角及风攻角进行风洞试验.结果表明:涡发生器能够缩短圆柱涡激振动的锁定区间,降低涡激振动的振幅.风偏角和风攻角的选取对控制效果有较大影响,当风攻角为70°时,控制效果最好.即使涡发生器设置在分离点之前距离较远处,也能对边界层起到较好的控制作用.涡发生器推迟了圆柱表面边界层的分离,对流场三维特性的影响表现在降低了圆柱表面风压展向相关性.     

栏杆高度对流线型箱梁涡振性能影响的试验研究

为研究栏杆高度对流线型箱梁涡激振动性能的影响并揭示其机理，通过节段模型风洞动态测压与测振试验，研究了流线型箱梁涡振响应、平均和脉动风压系数、频域特性以及局部升力对涡振的贡献系数分布情况. 结果表明：安装栏杆后主梁表面的平均风压系数增大，脉动风压系数变化复杂，脉动风压卓越频率与模型自振频率基本一致，局部升力对涡振的贡献作用增大，使主梁涡振加剧；栏杆高度的变化对主梁表面平均风压系数基本没有影响，但对其脉动风压系数的分布规律及脉动压力功率谱幅值有较大影响；栏杆高度的变化，使主梁上表面前部和尾部区域的局部升力对涡振贡献程度呈现出显著差异，当贡献值增大时，主梁涡振响应增大. 当栏杆高度为45%的梁高时流线型箱梁的涡振幅值最大，在此基础上适当降低或增大栏杆高度均有一定的抑振效果，降低栏杆高度效果更好. 研究结果为流线型箱梁栏杆的设计和相关研究提供了依据和参考.     

分离式双箱梁斜拉桥涡激振动试验研究——以港珠澳江海直达船航道桥为例

为了研究分离式双箱梁斜拉桥的涡激振动特性,以港珠澳江海直达船航道桥为研究对象,以风洞试验为研究手段,分析加风障、增设不同开槽率的中央底板、改变腹板角度和增设导流板等气动措施对主梁涡激振动特性的影响,以及在不同风攻角下不同气动断面的涡激振动特点。试验和分析结果表明:风障虽然不能避免涡激振动的发生,但是可以有效地减小涡激振动的振动幅度;底板开槽可以有效地控制涡激振动的发生,并存在1个最佳开槽率;改变幅板角度可以有效地避免二阶涡激振动的发生,但对一阶涡激振动影响效果不明显;相比较而言,导流板设置在断面两侧是对主梁断面进行涡激控制最有效的措施。     

基于浮框式测力模型的桥梁涡激力特性研究

基于开发的内置浮框式三节段测力模型装置,通过弹性悬挂测振风洞试验测试了某大跨度斜拉桥初步设计主梁断面的涡振响应及对应的涡激力.分析了发生竖向涡激共振的0°与+3°两种风攻角下的数据,验证了内置浮框式三节段测力模型在桥梁断面气动力测试中的可靠性,对比研究了不同风攻角下涡激力与涡激振动响应的测试结果,探讨了锁定区间范围内涡振频率、力与位移之间相位差及涡激力做功的变化情况.结果表明,内置浮框式三节段测力模型可以在风致振动过程中同步测试气动力;所测试得到的涡激力频率在风速锁定区间内与位移响应频率完全一致,同时,模型的竖弯涡激力与涡激振动位移响应之间存在的相位差随风速增大而增大,而涡激力做功有一个先增大后减小的变化过程.     

榕江特大桥吊杆抗风性能评估

当风绕过非流线型断面的吊杆时,会产生漩涡和流动的分离,形成复杂的空气作用力,使吊杆出现纵向振动、横向振动或扭转振动。为确保榕江特大桥吊杆的抗风性能能够满足要求,分别建立了三维全桥和吊杆有限元计算模型,然后依据既有抗风评估理论,综合评估了吊杆的抗风性能。通过计算发现：长吊杆的涡激共振起振风速低于设计值,长吊杆的驰振临界风速也不能满足设计需要。计算结果为进一步对吊杆进行风洞试验研究以及设计合适的抗风措施提供数值参考。     

边箱式π型断面涡振性能及导流板措施参数研究

π型断面因构造简单与受力性能好,被广泛应用于桥梁建设中,但其抗风性能差,易产生涡激振动问题.本文以边箱式π型断面桥梁为研究对象,采用宽高比10∶1的π型断面刚体节段模型进行同步测振测压试验,并且通过计算流体力学方法加以对比验证,研究π型断面涡振性能与导流板抑振机理.试验结果表明：边箱式π型断面在0°、±3°风攻角下发生显著涡激振动,通过在断面两侧加设特定形式及尺寸参数的导流板措施可抑制断面竖弯及扭转涡振.其中,倒L型导流板措施气动优化效果显著,可有效消除涡振振幅,而水平导流板措施的抑振效果有限,相较于竖弯涡振,扭转涡振对于水平导流板尺寸参数更为敏感.通过对比数值模拟结果与表面气动压力分布,表明倒L型导流板措施能够优化断面气动外形,削弱断面上下表面旋涡脱落尺度和能量,同时降低断面所受的周期性气动力,从而有效抑制断面涡振.     

不同攻角下水轮机导叶流道湍流特性研究

采用κ-ε湍流模型对不同导叶攻角下的导叶流道进行三维数值模拟,采用SIMPLEC算法实现速度、压力变量的分离求解。计算结果表明,导叶压力面的压力系数随着攻角增大而明显增大,而吸力面的压力系数随着攻角增大而明显减小。随着攻角增大,导叶边界层提前分离,形成脱落涡,导叶的升力明显增加。在导叶出水边的尾迹涡,其湍动能很大,随着流动进入转轮流道,引起水轮机水力振动。     

吸气作用下圆柱涡激振动特性试验研究

为研究吸气对圆柱涡激振动的控制效果,采用吸气控制方式,选取不同的来流风速、吸气速度和吸气角度进行风洞试验.通过在风洞中使用质量阻尼系统使圆柱发生涡激振动,并对比控制效果.研究结果表明:定常吸气对涡激振动临界风速、涡激振动锁定区间长度以及降涡激振动的幅值都有影响;当吸气角度为0°,45°或180°时,吸气对涡激振动有很好的控制效果;当吸气角度为90°或135°时,控制效果最显著;吸气系数对控制效果也有一定影响.通过分析圆柱表面风压特性可知:吸气控制对流场既有稳定作用,又有扰动作用.当吸气流量比较小时,稳定作用占主导;随着吸气量增大,扰动作用越来越明显.     

大跨度流线型箱梁悬索桥颤振稳定性气动优化

以主跨为1 660 m流线型箱梁悬索桥为工程依托,采用风洞试验和CFD数值模拟相结合的方法对影响大跨度悬索桥颤振稳定性的主要因素(主缆空间形式、主梁气动外形和中央稳定板高度)进行了研究,并对气动控制措施机理进行了探讨.结果表明:主缆布置形式对桥梁结构颤振临界风速的影响主要表现为主缆布置形式导致桥梁结构扭转频率的改变,从而影响桥梁结构颤振临界风速;适当增加主梁断面宽高比可有效提高桥梁结构颤振临界风速;设置合适高度的中央稳定板可有效提高带水平分离板的流线型箱梁断面颤振临界风速.中央稳定板附近产生的涡会引起主梁断面竖向气动力增加,导致主梁断面竖向运动参与程度提高,抑制了主梁断面扭转运动,从而提高了流线型箱梁断面颤振稳定性.     

大跨悬索桥Π形加劲梁处风参数实测与风攻角修正

以一座已建的大跨悬索桥为工程依托，基于现场实测与计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics， CFD）方法研究Π形加劲梁断面气动外形对桥面高度处实测风参数的影响，并提出实测风攻角的修正方法. 进行为期5个月的桥面高度处风速和风攻角现场实测，分析风参数沿桥轴线的分布规律，并比较了桥面高度处迎风侧与背风侧风速仪实测的风速和风攻角；采用计算流体动力学方法模拟气流流经静止加劲梁断面的流场，研究来流风攻角和风速对风速仪安装在加劲梁不同位置处风参数的影响；结合数值模拟结果，通过函数拟合得到Π形加劲梁断面风速仪实测风攻角的修正公式. 结果表明：实测风速在大桥主跨范围内较为接近，且边跨风速相较于主跨风速偏小；现场实测得到的迎风侧风攻角明显大于背风侧，两侧风速基本一致；迎风侧与背风侧的风参数数值模拟结果与现场实测具有一致性，主梁绕流对距主梁20 m范围内的风攻角监测结果均存在一定影响. 通过本文建立的风攻角修正方法，可以根据迎风侧风攻角的实测值得到较为合理的风攻角修正结果.     

海底管线涡激振动响应动力特性

海底管线管跨段的涡激振动,尤其是管跨在涡激振动下的频率锁定现象,是引发海底管线断裂失效的主要因素之一．通过对不同尺寸管道在不同流速条件下的漩涡发放频率、结构自振频率以及振幅的测量实验,找出了圆形管道在稳定流中涡激振动的规律,提出了由约化速度来控制涡激振动的方法为了将模型实验结果与理论计算结果进行比较,建立经验参数与不同实验条件下的物理参数之间的关系,利用尾流振子模型方法计算模型的涡激振动动力响应．通过模型实验说明尾流振子模型方法求解管道涡激振动的可行性,计算结果与实验结果吻合较好．     

雷诺数对圆柱体涡激振动特性影响研究

为研究雷诺数,特别是高雷诺数对涡激振动(VIV)特性的影响,基于OpenFoam嵌入自编程序,分别设定雷诺数范围为1.45×103~10.20×103,5.80×103~40.80×103以及13.05×103~91.80×103对不同质量比的圆柱体进行涡激振动数值模拟.在低、高质量比条件下计算对比圆柱体在不同雷诺数范围内的涡激振动幅值、频率、流体力系数、运动轨迹以及漩涡脱落模式等特性,研究结果表明:在低质量比条件下,雷诺数范围的增大对圆柱涡激振动的影响主要体现在流向与横向各分支振幅的增加以及泄涡向2T模式的提前转变等;而在高质量比条件下,主要体现在横向幅值的增加与流向幅值的减小,锁定区间的增大以及最大振幅处运动轨迹的显著改变等.