基于风雨两相流的斜拉索风雨激振的机理研究

摘要

斜拉索是斜拉桥的关键组成部分，其失效和破坏的主要因素之一是风雨条件下引起的风雨激振。应用CFX建立气液耦合场模型，ANSYS建立拉索模型，Workbench作为两者之间的数据传递平台，研究风雨条件下斜拉索的气动力系数、雨滴的运动轨迹和水膜形态的变化规律，主要研究内容包括：
　　基于拉格朗日颗粒流法，拉索固定时考虑风场和雨滴间的双向耦合作用，首先对重力场中的雨滴运动轨迹进行验证，然后研究重力场和风场中的雨滴运动轨迹和雨滴对风场脉动的影响，最后探讨不同风雨条件下气动力系数的变化情况。结果表明：重力场中雨滴终速值与文献结果基本一致；重力场和风场中的雨滴水平速度最终与风速趋于一致，雨滴垂直速度最终接近于无风条件下的雨滴终速；自然条件下的降雨引起风场脉动性的变化不明显，拉索的气动力系数变化很小。
　　首次基于拉格朗日颗粒流法，考虑风场和雨滴间的双向耦合作用，考虑风场和斜拉索间的双向耦合作用，考虑雨滴对斜拉索的拍打作用，分别对斜拉索的横向位移、气动力系数、尾流结构以及雨滴运动轨迹进行研究。结果表明：由于雨滴拍打的诱发作用，斜拉索在降雨强度为30mm/h时比无雨时能更快的达到横向位移幅值，且横向位移幅值比无雨时大，斜拉索横向位移和升力系数的频率值均被锁定在斜拉索的固有频率值0.952Hz附近。
　　首次基于VOF法对重力场中附有初始水膜的模型进行验证，研究重力场和风场中的不同初始水膜厚度、接触角、风速、风偏角和倾斜角对水线形态的影响。结果表明：重力场中的水线沿着重力方向下落与自然现象相一致；重力场和风场中的上水线和下水线的形态模拟结果和现场观测数据相统一；只有当气流方向与斜拉索下倾方向一致，且风速位于某一特定区域内时，才会形成上水线和下水线。
　　首次基于VOF法对重力场中考虑雨水补偿措施后的模型进行验证，进而提出两种补水方案分析重力场与风场中的水线形态，并比较了不同风速条件下的水线形成规律。结果表明：重力场中的水沿重力方向呈现周期性的水滴掉落现象；考虑均匀补水措施后，上水线和下水线的形态模拟结果和现场观测数据相统一，都可以长时间的驻留在拉索表面；上下水线区补水方案考虑了三维斜拉索上水沿拉索轴向流动的影响，能够更真实的模拟水线的形态变化情况；拉索表面附着水膜后，拉索的升力频率比无雨环境时低。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

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多相流的研究现状

1.4本文的主要研究内容

第二章 基于拉格朗日法固定拉索的气动力系数和雨迹研究

2.1欧拉-拉格朗日多相流的理论概述

2.2风雨场概述

2.3风雨场模型验证

2.4风雨条件下拉索的计算模型

2.5不同风雨条件下雨滴运动轨迹

2.6不同风雨条件下气动力系数的研究

2.7本章小结

第三章 风雨条件下雨滴诱发拉索振动的影响分析

3.1流固耦合理论概述

3.2计算模型说明及验证

3.3数值模拟结果及分析

3.4本章小结

第四章 基于VOF法固定拉索表面上的水线研究

4.1 VOF模型概述

4.2附有初始水膜的计算模型说明

4.3重力场中计算模型的验证

4.4重力场和风场中计算模型的结果及分析

4.5不同模型参数对水线形成位置的影响

4.6本章小结

第五章 考虑水量质量守恒时拉索表面上的水线形态分析

5.1水线形成的过程

5.2计算模型说明

5.3均匀补水方案

5.4上下水线区补水方案

5.5本章小结

第六章 结论及展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢