桥梁颤振特性及气动稳定性CFD数值模拟研究

摘要

随着桥梁跨径的不断增大，结构更趋于轻柔，对风的作用更加敏感，风致颤振稳定性成为桥梁设计需要考虑的关键问题。随着物体绕流数值模拟的日渐成熟，基于CFD的数值方法逐渐成为风工程研究的一种有效手段。本文借助数值模拟研究了桥梁颤振特性数值分析方法以及桥梁的气动稳定性控制措施的实施效果，主要内容如下：
　　1)以Scanlan颤振理论为基础，建立了基于Fluent动网格技术的混合网格优化划分方法，采用描述流体和结构的任意拉格朗日——欧拉坐标系，建立流体的连续性方程和N-S动量守恒控制方程，采用有限体积法对计算域进行离散，采用带旋修正的k-ε湍流模型对湍流进行描述，选用PISO数值方法迭代，在桥梁断面的二维流变计算域内模拟出桥梁断面绕流场，计算理想平板的颤振导数，并将计算结果与Theodorsen理论解及其它数值模拟解作比较，表明本数值方法具有很高的计算精度；
　　2)采用上述数值方法，通过对带栏杆和不带栏杆的两种虎门大桥桥梁断面进行了数值模拟，得到了两种模型的颤振自激力，识别了模型的8个颤振导数，并计算了颤振临界风速。颤振导数的计算结果与节段模型强迫振动法、自由振动法风洞试验值有很好的一致性，表明所采用的耦合强迫振动数值仿真识别方法具有较高的识别精度，还发现断面细部栏杆对颤振导数和临界风速的影响显著；
　　3)针对虎门大桥，在断面中分别加入水平边稳定板、竖向边稳定板以及中央稳定板，形成三种添加气动稳定性措施的新断面模型。对建立的三种新断面计算域模型进行颤振分析，进而对三种新断面模型对气动稳定性的影响了做出评价，发现水平边稳定板和竖向中央稳定板都能提高断面颤振稳定性，而竖向边稳定板会降低断面颤振临界风速。
　　本文数值方法研究桥梁颤振稳定性具有良好的精度，与风洞试验相比无需昂贵的风洞试验设备和测量仪器，摆脱了风洞试验周期长、费用高的缺点，可重复性好。但风洞试验仍然具有着不可替代的作用，因此，如将数值模拟方法和风洞试验相结合，对桥梁主梁截面的颤振稳定性的评估将更为准确。

目录

桥梁颤振特性及气动稳定性CFD数值模拟研究

STUDY ON BRIDGE FLUTTER AND AERODYNAMIC STABILITY BY CFD NUMERICAL SIMULATION

摘 要

Abstract

目 录

第1章绪 论

1.1课题来源及研究目的和意义

1.2国内外相关方向发展现状

1.3本文主要研究内容

第2章大跨桥梁颤振分析耦合强迫振动数值方法

2.1引言

2.2桥梁颤振非定常气动自激力的描述方式

2.3桥梁节段模型风洞试验的颤振导数识别方法

2.4基于耦合强迫振动数值模拟的颤振导数识别方法

2.5颤振临界风速计算方法

2.6计算流体力学相关理论基础

2.7基于Fluent动网格技术的混合网格优化划分方法

2.8基于数值模拟的理想平板颤振分析

2.9本章小结

第3章基于数值模拟的虎门大桥主梁断面颤振分析

3.1引言

3.2不考虑栏杆影响的虎门大桥颤振特性数值分析

3.3考虑栏杆影响的虎门大桥颤振特性数值分析

3.4本章小结

第4章虎门大桥气动稳定性措施数值研究

4.1引言

4.2气动稳定性措施模型与Fluent模拟

4.3非定常气动自激力系数提取与拟合

4.4颤振导数识别和颤振临界风速计算与分析

4.5本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢