斜拉索风雨激振的数值模拟及基于滑移理论的机理研究

摘要

风雨激振是指在风雨条件下，斜拉索发生的低频率、大振幅的振动现象。该现象会直接破坏斜拉索防腐系统，导致斜拉索失效，严重威胁行人及车辆的安全。根据近三十年来诸多学者的研究表明，斜拉索表面水线形成和振荡与风雨激振现象有重要的关系。
　　本文首先基于气液两相流理论及体积分数法VOF法，研究了不同风速对斜拉索表面水膜的影响，并将不同风速时的水膜运动与拉索振动进行单向耦合；然后基于滑移理论推导了二维两自由度斜拉索风雨激振理论模型，实现了水膜运动与两自由度斜拉索振动间的双向耦合；最后基于滑移理论与计算流体动力学CFD数值模拟技术，建立了三维斜拉索刚性节段水膜运动模型，并通过正则摄动法对方程进行化简，利用有限差分法求解，得到了不同工况下的水膜运动情况，从以上三个角度深入研究了风雨激振现象，主要研究内容如下：
　　基于气液两相流理论及VOF法，计算了不同风速时二维斜拉索表面的水膜运动变化情况，得到不同时刻的上水线及下水线的形成与变化规律，并通过后处理得到各时刻的气动力时程及频谱分析，最后将得到气动力升力值施加到斜拉索单质点振动方程中，得到了不同风速时的斜拉索的振动规律，通过分析表明，上水线的周期性振荡是引起风雨激振的主要原因；
　　基于滑移理论，建立了两自由度斜拉索风雨激振理论模型，首先考虑斜拉索振动在横风向及顺风向产生的加速度对水膜形态变化的影响建立了水膜运动方程，并利用CFD确定不同时刻的风压力系数Cp和风摩擦力系数Cfθ和Cfz，考虑了水膜形态变化导致斜拉索边界的变化及拉索振动引起的气流场变化，通过拟谱法求解，实现了水膜运动与两自由度斜拉索振动间的双向耦合，得到了不同时刻斜拉索顺风向及横风向的振动规律及上、下水线变化规律，通过与单自由度斜拉索风雨激振结果进行比较，发现两自由度斜拉索在横风向及顺风向均发生了大幅度的振动现象，其周围的气动力也发生了周期性的变化，而拉索表面上、下水线也出现了明显的周期性振荡，通过频谱分析发现拉索的振动频率与拉索周围的气动力变化频率、水线的振荡频率非常接近，且均接近于拉索的自振频率；
　　考虑斜拉索气流及水流沿轴向的影响，基于滑移理论建立了三维斜拉索刚性节段水膜运动方程，利用正则摄动法对方程进行化简，忽略高阶项，并采用有限差分法中的交替方向隐式差分格式（ADI格式）进行数值求解；通过计算水平及竖直放置的斜拉索在仅受重力作用下斜拉索表面水膜的运动变化情况证明了该方法的准确性，然后计算了不同风速时，斜拉索表面水膜的分布及形态变化，通过研究发现该方法能很好的模拟水膜在三维斜拉索表面的运动变化规律，只有当风速增大到一定程度时，才会出现上水线，且上水线的位置变化受风速和重力的影响明显大于下水线。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2风雨激振的研究现状

1.3本文研究内容

1.4本文的创新点及技术路线

第二章 基于VOF理论的二维斜拉索风雨激振与风速相关性分析

2.1VOF理论（Volume of Fluid Method）

2.2CFX模型简述

2.3模型验证

2.4斜拉索风雨激振与风速间的相关性分析

2.5本章小结

第三章 基于滑移理论的二维两自由度斜拉索风雨激振研究

3.1基于滑移理论的两自由度运动方程

3.2数值求解流程

3.3基本参数选取

3.4两自由度斜拉索风雨激振双向耦合结果分析

3.5本章小结

第四章 基于滑移理论的三维拉索刚性节段水膜形态研究

4.1模型

4.2数值计算

4.3模型验证

4.4数值计算结果

4.5结论

第五章 结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢