斜拉索风雨振中流动诱发振动机理的研究

摘要

斜拉索桥因具有设计建造经济、外观优美、能够实现大跨度等显著特点,从而在现代桥梁建设中占据重要的地位。然而随着桥梁跨度的增大,斜拉索的长度及柔性增强,在中等风速及降雨作用下拉索容易发生较大幅度的振动,对拉索桥梁的安全构成严重威胁。这种振动被称为“风雨振”,自上世纪九十年代以来,人们对风雨振的产生机理进行了大量的研究,但至今尚未有定论。
　　斜拉索风雨振涉及了风、雨、拉索等因素之间复杂的耦合,其中拉索上表面形成的周期摆动水线对风雨振有关键作用。围绕气流、雨(线)、拉索进行的流动诱发振动的分析以及该过程中流动形态的研究可为揭示斜拉索风雨振的振动机理提供重要的帮助。近年来,人们采用风洞实验、现场实测、理论分析等方法对风雨振的研究取得了丰硕的成果,为揭示风雨振发生机理打下基础。而随着高性能计算机的飞速发展、计算流体力学方法的进步及广泛应用,使得通过数值模拟方法获得风雨振流动细节成为可能,这为风雨振机理研究提供又一有效手段。数值模拟的结果可为实验及分析结果提供重要的补充。
　　本文采用数值计算方法对斜拉索风雨振流动诱发振动问题进行了研究,旨在弄清风、雨及拉索之间的耦合机制,揭示拉索风雨振的振动机理,为斜拉索桥梁设计提供理论支持。并以此项研究为背景,对包涵湍流模拟、流-固耦合、二相流模拟的复杂计算问题在数值计算方法上进行探讨。本文的主要研究内容如下:
　　首先,建立了斜拉索风雨振数值模拟的计算模型。通过对风雨振多元素耦合过程的模块化处理,并构建相应的计算模型,提出了求解风雨振中风、雨、拉索间相互作用的弱耦合算法,从而独创性的解决了包括流-固耦合、二相流模拟的复杂湍流计算问题,拓展了风雨振的研究方法。其中,为了解决拉索结构与流场之间的耦合,提出了一种基于函数控制的动态网格处理方法,该方法通过时变空间分布函数来控制计算域内网格随拉索结构的运动,一方面克服了一般动态网格处理方法中因重画而产生的大量计算消耗,另一方面也能通过分布函数的选取来保持结构附近计算域内网格的高质量,为将要进行的湍流及二相流模拟提供保障。
　　其次,研究了上水线在风雨振中的作用。通过对带有上水线的拉索模型流场进行数值计算,详细分析了来流速度、上水线位置角等因素对流场流动特征及拉索受力特征的影响,揭示了流场、拉索气动力在上水线位置变化时发生突变的规律,这一变化规律与已有的实验结果很好的吻合。在计算结果的基础上考虑拉索受到的平均和脉动气动力的共同作用,建立了分析上水线在拉索表面摆动时拉索振动特征的理论模型,分析的结果揭示了拉索大幅振动的条件以及风雨振以“拍”形式振动的一种可能的机理。
　　然后,研究了拉索振动时的气动响应及拉索振动与周围流场的耦合作用。通过对带有上水线拉索模型受迫振动时的流场模拟,研究了风速、水线位置角、拉索固有频率变化时拉索的气动力响应。揭示了拉索平均和脉动升、阻力系数以及气动响应频率随风速、水线位置、拉索固有频率的变化规律。通过对流动诱发振动的带上水线拉索模型绕流场进行模拟,分析了平均和脉动升、阻力系数随水线位置角的变化以及不同水线位置角时拉索的振动特征、流场形态的变化。揭示斜拉索风雨振流动诱发的机制。
　　最后,模拟分析斜拉索风雨振中风、雨、拉索三者之间的耦合作用。采用大涡模拟、VOF模型及基于函数控制的弹性动态网格方法,对风雨振多相耦合流场进行模拟,实现了包涵湍流、二相流、流-固耦合复杂流动问题的计算,分析了两种拉索倾斜姿态下拉索气动力及耦合流场特性。为更好的理解拉索风雨振的振动机理提供帮助。
　　本文采用计算流体力学方法,通过对风、雨(线)、拉索三者耦合流场的计算,系统研究了三者之间的相互作用机制,研究结果揭示了风雨振流动诱发机理。本文的研究内容为斜拉索桥梁的设计提供了有益的指导。

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Contents

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究目的和意义

1.2 风雨振机理及相关问题的研究进展

1.3 CFD方法研究风雨振流动诱发机理的关键问题分析

1.4 本文的主要研究内容

第2章 风雨振数值计算方法研究

2.1 引言

2.2 风雨振中耦合相互作用的分类

2.3 拉索绕流场的计算方法

2.4 一种用于求解流-固耦合作用问题的弹性网格方法

2.5 风雨振数值研究的弱耦合算法

2.6 本章小结

第3章 风雨振中上水线因素影响

3.1 引言

3.2 计算模型

3.3 带有人工水线的拉索模型绕流分析

3.4 气动诱发拉索振动的理论分析

3.5 本章小结

第4章 振动拉索的流动-结构相互作用研究

4.1 引言

4.2 强迫运动情况拉索的气动响应

4.3 拉索与流场耦合振动的研究

4.4 本章小结

第5章 风雨振气-液-结构耦合作用的数值研究

5.1 引言

5.2 计算方法

5.3 气-液-圆柱耦合振动时的力学和振动特征

5.4 气-液-圆柱耦合振动时的流动特征

5.5 水线形态

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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