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原文传递桥梁主梁涡激特性的数值模拟研究

论文题名：	桥梁主梁涡激特性的数值模拟研究
关键词：	桥梁主梁;涡激特性;旋涡脱落;数值模拟
摘要：	现代大跨桥梁的刚度小、阻尼比低，在常遇风速下可能发生大幅涡激振动现象，不仅威胁结构和行车的安全，还会带来较大经济损失和不良社会影响。气流流过主梁时产生的周期性旋涡脱落是诱发主梁涡振的根本原因，掌握旋涡脱落的主要特征及机理是开展桥梁涡振性能及控制研究的重要前提。然而，主梁的宽高比大、形状不规则、面临的雷诺数高，导致其绕流场十分复杂，依靠风洞试验方法难以揭示其旋涡脱落机理。因此，本文基于计算流体动力学(CFD)模拟和动力学模态分解(DMD)方法，围绕长钝体结构绕流场的精细化模拟方法、大宽高比矩形断面的旋涡脱落机理、扁平箱梁的旋涡脱落机理、桥梁附加质量和阻尼效应以及矩形断面涡振过程中的旋涡脱落机理等问题开展研究，主要内容和结论如下：　　(1)在40,000雷诺数下，以5∶1矩形断面为基准，全面研究了模型展向长度和展向网格尺寸对结构三分力系数、Strouhal数、侧面压力系数、分离泡尺寸、三维旋涡结构、展向相关系数等流场统计特征的影响。研究发现展向网格尺寸对流场统计特征的影响比模型展向长度更为显著。基于对比结果，确定了兼顾计算精度和计算效率的合理模型长度和展向网格尺寸。　　(2)对宽高比为3至12的矩形柱绕流场进行了三维LES模拟，利用动力学模态分解方法提取出对应整体旋涡脱落的不稳定流动模态。结合不同宽高比下整体不稳定模态的流线图和压力脉动相位分布，揭示了前、尾缘旋涡的相互干涉形式、Strouhal数随宽高比呈台阶状增长的原因、以及维持流场周期性不稳定的压力反馈机制。通过两个特殊的工况将前、尾缘旋涡分离，单独分析了它们的脱落特征，明确了尾涡脱落频率的优选区间及其对整体旋涡脱落频率的调制机制。　　(3)对某典型扁平箱梁的绕流场进行三维LES模拟，然后分别对展向平均流场和原始三维流场进行DMD分解。结果表明绕流场中存在两个卓越的旋涡脱落模态，均由大尺度前缘涡脱落、尾缘旋涡脱落和它们之间的相互干涉（合并）组成。两个模态的频率不同，取决于主梁宽度范围内大尺度前缘涡的个数，可能会引起主梁同一振动模态的两个涡振风速锁定区间。此外，在三维流场中还存一个显著的低频脉动，其频率约为整体旋涡脱落频率的1/8~1/9.5，与分离泡的周期性膨胀与收缩有关。　　(4)为了量化空气附加质量及阻尼对主梁振动特性的影响，建立了无风环境下振动主梁的气动力表达式，引入附加质量和阻尼系数。通过数值模拟识别出了六个典型断面随振幅变化的附加质量和阻尼系数，进而定量地分析了其对主梁振动频率和阻尼比的影响。结果表明附加质量对振动频率的影响不大，但附加阻尼可能会超过模型自身的机械阻尼，若不剔除将严重高估模型机械阻尼比，降低主梁涡振及颤振后状态的分析精度。为此，本文给出了风洞中识别主梁模型机械频率和阻尼比的三种有效方法。　　(5)通过大涡模拟获得了5∶1矩形柱在涡振锁定区间内的振动响应。利用动力学模态分解技术提取出了涡振过程中的旋涡脱落模态，分析了由运动引起的前缘旋涡、由剪切层不稳定引起的冲击前缘涡和尾部卡门旋涡的协同脱落过程。不同风速下的旋涡脱落形态表明，结构的振动频率与流场的旋涡脱落频率能够在较宽的风速范围内锁定的根本原因是结构振幅和流场旋涡尺寸可以根据风速自动调节。最后，从流场旋涡干涉的角度揭示了锁定区外无法形成涡振的原因。
作者：	张占彪
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	许福友
授予学位：	硕士
授予学位单位：	大连理工大学
学位年度：	2021