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原文传递斜拉桥索的风致三维绕流效应与流动控制

论文题名：	斜拉桥索的风致三维绕流效应与流动控制
关键词：	斜拉桥索;三维流场;流动控制;涡激振动;轴向流;涡发生器
摘要：	斜拉桥索（以下简称为斜拉索）是风敏感结构，涡激振动、干索驰振、风雨激振等典型斜拉索风致振动可引发结构疲劳损伤甚至直接破坏，影响结构安全与使用寿命。流动控制是提高斜拉索抗风性能的重要手段。传统的流动控制措施通常产生于对斜拉索二维流场机制的探讨，缺乏对斜拉索绕流场三维流动特征的分析。而控制高效、装置简单且成本低廉的斜拉索风致振动三维流动控制方法的提出有赖于斜拉索三维流场的流动机制研究。因此，本文以掌握斜拉索三维绕流场结构特征，发展斜拉索风致振动流动控制方法为目的，采用理论分析、数值模拟、风洞试验等研究手段，提出了一种圆柱三维绕流涡结构识别方法，掌握了斜拉索的风致三维绕流效应，建立了一种简单高效的基于三维流动控制的斜拉索风致振动控制方法，并验证了其有效性，揭示了其控制机理。具体工作如下：　　（1）针对圆柱三维绕流涡结构的识别问题，分析对比了OPTICS聚类算法和传统的k-means聚类算法，并结合流场数据特征分析了几种常用相似度指标，提出基于相关距离的OPTICS聚类算法。通过数值模拟获得的圆柱模型绕流场涡结构样本，研究基于相关距离的OPTICS算法的涡结构识别效果。研究表明：基于相关距离的OPTICS算法能够有效识别顺流向涡结构，具有对初始参数敏感性低、噪声干扰下鲁棒性较好、识别结果稳定等优点。　　（2）将斜拉索绕流问题抽象为倾斜圆柱节段模型的三维绕流问题，利用数值模拟手段获计算模型的三维绕流结构，系统研究了模型倾斜程度对气动力响应、尾流流速特征、尾流涡结构和轴向流结构的影响规律。研究发现：随模型倾斜程度的增加模型尾流中的三维流动结构发生显著改变，从而影响了气动力和尾流的脉动特征与展向相关性，三维流动结构之间存在耦合作用。　　（3）基于PIV风洞试验手段对斜拉索倾斜模型的三维绕流场结构进行流场可视化测量，验证数值计算结果，并利用相位平均和基于相关距离的OPTICS算法等分析手段，获取模型尾流的脉动特征、涡结构特征和轴向流特征。分析了上述特征随模型倾斜程度和雷诺数的变化规律，揭示三维流场结构的耦合作用机制。研究结果证实了数值模拟结果的有效性，发现了轴向涡—湍动能和轴向涡—二次涡—轴向流两种耦合作用机制，验证了准静态三维流场结构的存在。　　（4）基于斜拉索绕流场三维流场结构的耦合作用机制，提出利用短片式涡发生器控制斜拉索涡激振动的方法，分析了其三维流动控制原理。通过风洞试验验证了短片式涡发生器对斜拉索风致涡激振动的三维流动控制效果，并探讨了其参数影响规律，揭示了短片式涡发生器控制斜拉索涡激振动的三维流动控制机理。研究表明：短片式涡发生器是一种有效的斜拉索涡振抑制装置，在控制斜拉索涡激振动时存在“控制盲区”，可以通过延长短片式涡发生器长度予以消除。　　（5）根据消除短片式涡发生器参数“控制盲区”的需要，通过对短片式涡发生器无限延长并缠绕，提出了控制斜拉索涡激振动的螺旋式涡发生器，并通过风洞试验比选确定了平行双螺旋涡发生器的模式，提出相应控制参数。通过系统的风洞试验研究验证了平行双螺旋涡发生器控制斜拉索涡激振动响应、抑制轴向流均一分布的能力，分析了其参数影响规律和流动控制机理。研究结果表明：平行双螺旋涡发生器可以有效控制斜拉索的涡激振动，并具有控制干索驰振的潜力。
作者：	王锐
专业：	土木工程
导师：	欧进萍;辛大波
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2022