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大跨桥梁颤振与流动控制数值模拟
| 论文题名： | 大跨桥梁颤振与流动控制数值模拟 |
| 关键词： | 流动控制;数值模拟;三分力系数;结构流固耦合;大跨桥梁;颤振特性 |
| 摘要： | 在交通需求日益增长的趋势下，大跨桥梁取得了突飞猛进的发展。随着跨度增大，桥梁在结构上变为一种柔性体系，对风荷载作用极为敏感。桥梁硬颤振是一种风致自激发散性振动并极易造成结构毁坏。软颤振为渐发性颤振，没有明显的突发性颤振临界点，振动表现为等幅弯扭耦合振动。因此，研究硬颤振、软颤振及抑制桥梁风致颤振的流动控制方法对提高大跨桥梁的抗风设计水平和服役安全具有重大意义。 本文采用CFD数值模拟方法研究了流线型桥梁主梁断面硬颤振和软颤振现象，并提出了采用主被动混合流动控制新方法抑制颤振。主要内容如下： 建立苏通大桥和桃花峪黄河大桥施工状态下数值计算模型，采用CFD通用软件FLUENT模拟两座桥梁的静力三分力系数及流场特性，考虑了不同模型比例、网格数量、时间步长和计算风速对计算结果的影响规律，并将模拟结果与风洞试验结果进行对比分析，验证计算结果精确性并选择最优网格计算模型和求解策略，为下一步计算桥梁的风致振动奠定基础。 利用强迫振动法和直接计算法计算不同攻角下两座桥梁的颤振临界风速，并比较两种数值方法计算结果与风洞试验结果的差异。直接计算法是利用 FLUENT的用户自定义函数（UDF）和动网格技术实现桥梁断面的风致流固耦合振动模拟，结构振动响应采用四阶 Runge-Kutta方法求解，得到各攻角下不同风速的结构动力响应时程曲线，进而得到颤振临界风速。同时，采用直接计算方法得到了两座桥梁发生软颤振现象的攻角和各攻角下发生软颤振风速范围。研究了不同响应状态下的桥梁断面尾流的旋涡脱落模式，解释了其产生原因及与响应之间的关系。 通过在桥梁节段模型底部施加控制板，利用主被动吹、吸气相结合的流动控制方法抑制不同攻角下桥梁的颤振特性。对于非负风攻角，分析距断面底部不同距离控制板控制效果的优劣，并选择最优距离参数。对于被动方法控制效果不好的攻角采用主动吹、吸气方法，对于确定距断面底部距离的控制板，分析不同吹气和吸气速度对颤振特性的抑制效果，同时分析了相同吹、吸气流量下不同吹、吸气速度分布的控制效果。最后，通过断面附近速度流线与涡量等值线图揭示本文方法对颤振特性的控制机理。 |
| 作者： | 窦然 |
| 专业： | 建筑与土木工程 |
| 导师： | 徐枫 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工业大学 |
| 学位年度： | 2015 |
| 正文语种： | 中文 |
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