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原文传递 1:6矩形断面涡振气动力演化机理CFD数值模拟研究

论文题名：	1:6矩形断面涡振气动力演化机理CFD数值模拟研究
关键词：	大跨度桥梁;矩形断面;涡激振动;气动力;演化机理
摘要：	随着国家交通强国的建设，越来越多的大跨度桥梁应运而生，大跨度桥梁较低的刚度和阻尼导致对风的作用十分敏感，而涡振易在较低风速下发生，涡振气动力生成机理仍有待深化和澄清。现有研究对典型流线闭口箱梁、中央开槽箱梁和双开槽箱梁进行分析，都表明桥梁发生涡振过程中气动力有明显的演化特性。矩形断面作为基础型研究断面，分析矩形断面涡振气动力演化特性具有重要意义。本文通过CFD数值模拟对高宽比为1:6的矩形断面进行计算，然后通过简化涡理论分析涡振气动力演化机理，并将数值模拟后处理结果与简化涡理论结果进行对比，最后用DMD模态分解法进一步验证简化涡理论。本文的主要工作和结论如下：　　1) 根据现有CFD数值模拟计算理论的基本特点，选取适用本文研究对象的计算理论，并说明Newmark-β法以及UDF程序实现涡激振动的原理，编写了矩形断面竖向单自由度涡振的UDF程序。结果表明：对高宽比为1:6的矩形断面涡振进行数值模拟时，宜选取RANS方法中的SIMPLEC算法，推荐采用QUICK的离散格式等。　　2) 对高宽比为1:6的矩形断面进行了竖向单自由度涡激振动数值模拟，确定最佳计算网格，将竖向位移响应、St数与已有文献风洞试验结果进行对比验证了本文数值模拟的准确性。提取矩形断面发生涡振时断面表面两阶涡振锁定区间的风压分布，对平均风压和脉动风压分析讨论。结果表明：一阶涡振和二阶涡振的平均风压系数和脉动风压系数存在区别。　　3) 根据模型表面风压计算出分布气动力与整体涡激力，求出分布气动力与整体涡激力的关系，根据分布气动力和模型竖向位移求出无量纲功，通过这些关系利用简化涡理论画出漩涡在矩形断面表面的分布，对比分析两阶涡振的区别，利用Q准则对数值模拟结果进行涡量识别，得到两阶涡振极值点一个振动周期内的涡量图，最后将简化涡理论得到的漩涡分布图和涡量图进行对比。结果表明：简化涡理论和数值模拟得到的结果基本一致，证明了简化涡理论的有效性；矩形断面涡振时气动力与涡振振幅存在明显的演化关系，且一阶和二阶涡振主要在漩涡数量、漩涡漂移周期和漩涡主导形式存在区别。　　4) 提取了断面周围的速度场数据，对流场数据进行了DMD模态分解，分别探究了两阶涡振起振点和结束点未发生明显涡振的原因；然后提取涡振模态一个振动周期内的数据，将极值点处的涡量图与模态图对比，得到上下表面漩涡的旋转方向，对两阶涡振锁定区内各分布点一个振动周期内漩涡演化规律和涡振主导形式进行了研究；接着将两阶涡振极值点处的模态进行了分析；最后将一阶涡振极值点处简化涡图与DMD模态图进行对比，验证简化涡理论。结果表明：DMD模态分解得到结论和简化涡理论得到结论完全一致，进一步证明简化涡理论的真实性。　　综上所述，简化涡模型能较准确反应真实情况下模型表面漩涡的分布情况，矩形断面涡振时气动力与涡振振幅存在明显的演化关系，且一阶和二阶涡振主要在漩涡数量、漩涡漂移周期和漩涡主导形式存在区别。
作者：	罗松
专业：	土木水利
导师：	赵林;崔巍
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2023