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原文传递钝体桥梁断面非定常气动力特性的理论、试验及数值研究

论文题名：	钝体桥梁断面非定常气动力特性的理论、试验及数值研究
关键词：	大跨度桥梁;钝体断面;非定常气动力特性;风洞试验;CFD数值模拟
摘要：	钝体桥梁断面与流线型断面的气动力存在显著的区别。钝体桥梁断面由于存在流动分离现象，气流经过时不再满足有势流动、尾流涡量呈一维直线分布以及尾涡强度不变的假定。虽然如此，经典薄机翼理论中一些气动力的处理方式和结论仍然被借鉴，甚至直接用于桥梁风工程中。然而，这些应用在逻辑上是否合理并没有经过严格的论证，从而形成了桥梁风工程若干延续至今的顽疾。本文通过对经典机翼非定常理论的回顾，阐明薄机翼非定常气动力的形成机理以及假设前提，再结合机翼非定常气动力理论中一些基本假定在桥梁风工程中的应用现状，指出现阶段桥梁颤抖振理论中存在的问题。然后借助于CFD数值模拟和风洞试验对这些问题分别进行分析和验证。本文的主要研究内容如下：　　(1)回顾了 Von Karman和 Sears关于二维薄机翼非定常气动力理论，阐明了非定常气动力的形成机制和各种气动力可叠加的前提条件。结合经典非定常气动力理论在桥梁风工程中的应用现状，指出现阶段桥梁颤抖振理论中存在的一些问题：对于钝体桥梁断面，气动导纳不再是折算频率的单一函数，而且还与风场特性有关；一些基于颤振导数推导的气动导纳在本质上都是不合理的；用来描述断面刚体运动的气动自激力和脉动风作用下的抖振力也不具备可叠加性。　　(2)讨论了三类气动导纳数值识别方法和数值计算策略。湍流法的计算效率最高，但识别结果平滑性差随机跳跃性大；简谐脉动法具有求解稳定、结果平滑可靠的优点，但需要进行多次扫频计算花费大；Küssner方法具有计算时间短的优势，而且可以识别出阶跃响应函数直接用于时域分析，但该法存在误差积累与传递的问题，且仅能适用于气动导纳与风场严格无关的断面。　　(3)通过 CFD数值模拟，采用竖向简谐脉动法和湍流法分别在三类来流中研究了平板断面、箱梁断面、双边肋断面和矩形断面气动导纳的风场依赖性。数值计算结果表明平板与箱形断面的气动导纳函数对风场不具有依赖性或弱依赖性，钝体的双边肋断面和矩形断面表现出明显的风场依赖性。对平板断面和矩形断面在非均匀布置的格栅湍流场中进行了风洞测压试验，得到了与数值模拟结果相同的结论。　　(4)利用风洞试验对两类气动导纳间接识别方法的合理性进行了验证。对于Küssner函数替代法，由于忽略了高阶运动模式，导致识别的气动导纳随着折算频率的增大而与试验直接识别的气动导纳的差距也逐渐增大，并最终趋向于一个错误的极限值。而等效 Theodorsen法的结果虽然在整体上与直接试验结果趋势一致，并且可以保证正确的极限特性，但随着折算频率的增大，等效 Theodorsen法的结果表现出了明显的振荡，这种振荡对于钝体断面更加剧烈。　　(5)利用CFD研究了平板断面和宽高比为4:1矩形断面的气动自激力和抖振力的可叠加性，着重分析了来流湍流特性、折算风速对气动自激力和抖振力可叠加性的影响。研究结果表明，对于平板断面和矩形断面，在低折算风速和小湍流度下湍流对颤振导数和气动自激力影响较弱，但随着折算风速的增大，湍流对颤振导数的影响变得明显。整体上，湍流对钝体矩形断面颤振导数和气动自激力的影响更为显著。此外，在不考虑矩形断面涡激力影响的情况下，对于流线型的平板断面和钝体矩形断面，结构自身的振动对抖振力都没有影响。
作者：	张伟峰
专业：	土木工程
导师：	张志田
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文